回旋加速器中带电粒子产生同步辐射的必要条件.doc

PAGE PAGE 3 新型无辐射矩形同步回旋加速器设计原理 梅晓春 俞 平 （福州原创物理研究所） 内容摘要 按照经典电磁理论，带电粒子做加速运动时会辐射电磁波，然而实际情况并非总是如此。实验表明，带电粒子做直线加速运动是几乎不辐射的。目前为研究希格斯粒子准备建造的国际大型直线加速器，就基于这个结果。在电子感应加速器中，当电磁和磁场同时存在时，也没有观察到电子辐射电磁波（布鲁埃特实验）。本文严格讨论带电粒子在电磁场中的相对论运动，与经典电磁辐射公式相结合，从理论上证明带电粒子做直线加速运动和在电子感应加速器中做加速运动时的辐射极小，可以认为几乎是不辐射的。由此就可以将同步回旋加速器设计成矩形的形状，并在弯角处采用电子感应加速器的运动轨道。在这种矩形同步回旋加速器中，带电粒子可以被加速到无限接近光速的高能状态，但几乎不产生辐射损耗。 关键词：狭义相对论，同步辐射，电子感应加速器，同步回旋加速器，矩形同步回旋加速器 一. 无辐射矩形同步回旋加速器的设计 作者于2012年2月曾在加拿大《Applied Physics Research》上发表一篇文章，题为“带电粒子在电磁场中相对论运动稳定性分析与建造无辐射损耗同步回旋加速器的可能性”。文中提出一种无辐射损耗同步回旋加速器的设计原理，这种加速器是圆环型的，对辐射损耗的计算略显粗糙。本文提出一种更简单、更高效的无辐射损耗同步回旋加速器设计原理。这种加速器是矩形的，在弯角处改用螺线型轨道。本文同时对带电粒子在直线和螺线加速运动过程的辐射做严格的计算，证明矩形无辐射损耗同步回旋加速器是完全可能的。 按照经典电磁理论，带电粒子做加速运动时会产生电磁波辐射。这种辐射与推迟电磁场有关，与加速度有关的辐射可以传播到远处，与加速度无关的电磁场在近处就严重衰减。如果粒子的加速度与运动速度平行，比如粒子做直线运动，辐射功率为： （1） 如果加速度与速度垂直，比如电子在磁场中运动， 辐射功率为： （2） 式中是推迟速度，是推迟加速度。 然而实验证明情况并非如此，带电粒子做加速运动在某些情况下会辐射电磁波，在某些情况下却是几乎不辐射的。比如电子做直线加速运动时，就是几乎不辐射。2013年欧洲核子研究中的LHC上发现拟似希格斯粒子的粒子后，世界各国开始考虑建造的国际直线加速器，就是基于这个结果。 发现带电粒子辐射电磁波的历史是很有趣的。早在1944年，美国通用电器公司在纽约州申纳塔底有一台能量为100MeV的电子感应加速器。物理学家布鲁埃特负责调试这台设备时，希望能发现电子的辐射。布鲁埃特用一个非常灵敏的，频率从的的探测器，相当于无线电从超长波到超短波的波段。能量100MeV的电子的运动速度已经接近光速，按经典电磁理论，辐射的功率应该是相当大的。然而无论布鲁埃特将探测器放在电子感应加速器的真空室内还是室外，始终未能探测到电磁波的幅射。 就在同一实验室，波拉克于1947年建造了一台70MeV电子同步加速器。由于该加速器的真空室是透光的，在调试过程中工人却无意中看到了透出的辐射光。然而为什么布鲁埃特在电子感应加速器上没有发现辐射呢？至今似乎没有人深究这个问题，虽然布鲁埃特的加速器的能量比波拉克的加速器的能量还高30MeV。 事实上在一般低频交直流线圈中，也只有电阻产生的热辐射，没有在电流运动方向上的电磁波辐射。低温超导实验中，电流在环形金属圈中稳定流动，也没有辐射电磁波。（2）式描述的辐射主要出现在电子运动速度的方向，与空间各项同性的热辐射不同，在实验上很容易区别。热鲁埃特当年在电子感应加速器上寻找辐射时，实验室的工程师就告诉过他，电子在感应加速器中转动就如直流电做圆周运动，是不会有非热电磁波辐射的。 根据带电粒子做直线加速运动不辐射和电子在感应加速器中运动也不辐射的实验事实，我们可以设计一种新型的无辐射矩形同步回旋加速器，其基本结构如下图所示： 图1. 无辐射矩形同步回旋加速器基本结构图 在图中直线部分运动的带电粒子用电场加速，是电场力。在转弯部分由电场力与磁场力共同作用，磁场力用来约束电子的运动轨道，电场力用来加速电子。转弯的轨道不是圆形的，而是感应加速器中的螺旋形轨道。按照这种设计，可以使带电粒子在整个轨道加速运动过程中几乎不产生电磁波辐射，其物理原理分析如下。 二. 无辐射矩形同步回旋加速器的物理原理 2.1 带电粒子在电磁场中的相对论运动 由于带电粒子加速运动过程的辐射是宏观电磁效应，本文只在宏观物理的范围内讨论问题，不涉及量子力学。电子的静止质量为，运动质量为，电荷为，在电磁场中的相对论运动方程为：