回旋加速器的工作原理

我们知道带电粒子在电场中会收到库仑力的作用，库仑力可以对带电粒子做功，进而使带电粒子的动能增加。根据公式：qU=1/2·mv²。电压越大，可以最终使粒子动能增加越多，进而使粒子的速度越大。理论上，只要是给带电粒子提供加速电压足够大，带电粒子就可以被加速到足够大的速度。但是事实上，提供高电压在技术上是困难的。基于此，科学家想到了多级加速器，就是多次给带电粒子加速。原理如下：

多级加速器示意图

理论上，上述多级加速器可以很好地完成粒子的加速，最终可以使带电粒子达到很高的速度。但是，上图中的多级加速器也有一个问题，就是它会变的很长。那么，人们就想，如果粒子经过一次加速后，又转圈圈转回来，之后继续加速。就是所谓的转圈圈的加速。
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回旋加速器就是在人们这样的思想指引下产生的，它的原理图如下：

回旋加速器示意图

如上图所示，D1和D2是两个中空的半圆形金属盒，它们之间接了交变电压U，而金属盒本身存在匀强磁场B。所以带电粒子在半圆盒中做匀速圆周运动，其运动的速度大小不变。在经过半个圆周运动后达到两个金属盒的中间缝隙时，使交变电压改变正负，那么刚好就能使带电粒子再次被加速。如此循环，带电粒子就会转圈圈加速。

根据公式：T=2Πm/qB.可见，带电粒子的速度虽然在变大，但是它在半圆盒中做圆周运动的周期不变，那么两个半圆盒之间我们加上周期性的交变电压，就能使带点粒子转圈圈加速。

提醒下，回旋加速器，不可能使带电粒子无限制的加速，当带电粒子的能量达到25-30Mev的时候，粒子就很难再被加速了。原因是，按照狭义相对论，粒子的质量随着速度增大会增大的，所以粒子在半圆盒的运动的时间就会发生改变。从而不能契合到周期性变化的交变电压了。就不能一直被加速了。