专利名称：粒子感应加速器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种加速带电粒子的装置，可以使带电粒子的能量加速到很高， 该装置可以用于核物理研究及工业和医学上使用。
背景技术：
目前，公知的粒子加速器有直线加速器、回旋加速器、电子感应加速器。其中直线 加速器尽管可以将带电粒子加速到很大能量，但其长度过长(如美国的直线加速器甚至达 几公里长)，因而不太理想；而经典的回旋加速器是通过粒子在D型盒内的磁场中回旋，而 经过电场区域来实现多次加速的，电子感应加速器是通过粒子在变化的磁场中受到洛伦兹 力及电场力来实现回旋运动及加速的，而无论是回旋加速器还是电子感应加速器，它们的 电磁铁的重量都很大(其中回旋加速器及电子感应加速器的电磁铁重量都达100吨以上)， 同时电磁铁的励磁电流的功率也相当大，达到几百千瓦，因而其造价及使用费用都很昂贵， 对推广使用带来了一些障碍。
发明内容为了克服现有的直线加速器管道过长，回旋加速器及电子感应加速器励磁铁芯重 量大、体积及励磁电流功率大等不足，本实用新型提供一种粒子感应加速器，该粒子感应加 速器不仅能使带电粒子加速到很大能量，而且其结构简单造价低廉，使用费用较低。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是做两个同轴金属圆环，使这两 个同轴金属圆环分别接外电源的正负两极，使这两个同轴金属圆环相隔的非常近(即两同 心金属圆环的半径之差很小)，同时使同轴金属圆环的高度远大于它们的半径之差，则这两 个同轴金属圆环之间的环形空腔中就会形成均勻分布的电场，该电场沿径向方向；再在内 圆环中放入一个圆柱形的铁芯，该铁芯与内圆环的中心轴线重合，该铁芯上绕有线圈，构成 一个电磁铁，当线圈中通入交变的电流时，电磁铁芯中的磁场强度也就会是交变的，这样由 电磁感应定理可知，变化的磁场在其周围会产生涡旋电场，这样由电磁铁的构造可推知，环 形空腔内会产生同圆心的涡旋电场，倘若在环形空腔室中释放一个电子，则该电子一方面 受到涡旋电场的电场力作用使其做加速运动，另一方面又受到沿径向方面的电场力作用而 做向心运动，这样该电子在环形空腔内既作加速运动，又作环绕运动，只要使该电子受到的 向心力与其离心力大小相等，即可维持该电子在恒定圆形轨道上运动，向心力的大小由径 向方向的电场大小来决定，而径向方向的电场大小，可通过改变同轴金属圆环之间的电势 差来调节，因此只要按照一定规律调节同轴金属圆环之间的电势差就可维持该电子在同一 圆形轨道上不断加速，达到一定能量后再将该电子引出。其依据的科学原理是通过改变电磁铁中的励磁电流，即可改变电磁铁中的磁场 强度，从而在环形空腔中感应出涡旋电场，又由于两同心金属圆环分别接外电源的正负两 极，则环形空腔中就会产生沿径向方向的电场，这时用电子枪将电子注入环形室，它们一方 面在涡旋电场作用下被加速，使其速度增大，另一方面在沿径向方向的电场中受到电场力作用，而做圆周运动，当电子被加速后其离心力就会增大，只要增大同轴金属圆环之间的电 势差就可使沿径向方向的电场同步增大，进而向心力也会同步增大，这样只要使得离心力 与向心力等幅度同时增大，就可使电子维持在固定的圆形轨道上加速。这和电子感应加速 器的原理很相似，都是通过磁场的变化产生涡旋电场使电子被加速，所不同的是，电子感应 加速器是通过洛伦兹力提供向心力，而本实用新型是通过沿径向方向的电场力提供向心 力。而产生电场的装置无论在构造、体积、造价方面都要比产生磁场的装置要优越的多，同 时体积大大减小，耗电功率大大减小，造价也相应减少，并且电场的调节也比磁场的调节要 方便、快捷、可靠性好，因而本实用新型要比电子感应加速器更优越。本实用新型的有益效果是，可以用电场力提供粒子做圆周运动的向心力，而产生 电场的装置无论在构造、体积、造成价方面都要比产生磁场的装置要优越的多，同时体积大 大减小，耗电功率大大减小，造价也相应减少，并且电场的调节也比磁场的调节要方便、快 捷、可靠性好，同时电子感应加速器的磁场只有1/4周期可用于加速电子，而本实用新型 的磁场则有2/4的周期可用于加速粒子，因而本实用新型的电磁铁体积可大大减小。
下面结合符图和实施例对本实用新型作进一步说明图1是本实用新型的平面结构示意图；图2是同轴金属圆环纵剖面图；图3是接外电源时同轴金属圆环空腔内的电场平面分布图；图4是本实用新型的电磁铁及同轴金属圆环组合示意图；图5是磁场及感应涡旋电场随时间变化的周期函数图；图6是偏移装置平面示意图。图中1、同轴金属圆环，2、圆柱体电磁铁，3、环形空腔，4、涡旋电场，5、粒子发射源， 6、偏转极板，7、可编程控制器，8、输入信号电流，9、输出电压。
具体实施方式
在图1中，两个同轴金属圆环(1)互相正对着放置，内圆环空腔中放入电磁铁O)， 该电磁铁为圆柱体，其横截面与内圆环同圆心且在同一平面上，这样做是为了保证电磁铁 中磁场变化时在同轴金属圆环(1)的环形空腔(3)内产生的涡旋电场(4)与金属圆环同圆 心，这样粒子在环形空腔(3)内能在同一圆轨道上加速运动，环形空腔(3)内壁上安装有粒 子发射源(5)，其上下两部分面上安装有偏转极板(6)，同时环形空腔(3)应为真空，这样粒 子在其中运动时不会受到空气分子的影响，因此环形空腔(3)应用密封的真空绝缘外壳罩 住。如图2为两个同轴金属圆环(1)的纵剖面示意图，其中内金属圆环的半径为R1，外 金属圆环的半径为&，两个金属圆环的高都为H，且是正对着，为了保证两个同轴金属圆环 (1)所夹的环形空腔(3)中产生沿径向方向均勻分布的电场，则应使得两个金属圆环的高H 远大于它们之间的空腔宽度(R2-R1),即应满足H >> (R2-R1),这是因为两个同轴金属圆环 (1)可看成一圆柱形电容器，当H >> (R2-R1)时，圆环两端的边端效应可以忽略，计算空腔 内的电场强度分布时可以把金属圆环看成无限长的，即认为环形空腔(3)内的电场分布是[0017]{下面运用高斯定理求环形空腔(1)内的电场分布当H >> (R2-R1)时，圆环的边缘效应可忽略不计，圆环空腔内的电场沿径向均勻 分布，因而该电场具有轴对称性，可作一个圆柱形高斯面，该高斯面与内金属圆环同轴线， 该圆柱形高斯面的横截面的半径为r，且R1 < r < R2,该圆柱形高斯面的高为h。由于空腔内电场呈轴对称，且呈辐射状均勻分布，那么在距离中心轴相等的位置， 电场强度大小相等，方向都沿径向，则由高斯定理可得
权利要求1. 一种粒子感应加速器，它是在圆柱体电磁铁芯( 上套有两同轴金属圆环(1)，电磁 铁的励磁线圈接交流电源，两同轴金属圆环⑴接在一个可编程控制器(7)的输出电压(9) 端，电磁铁的励磁线圈串接在可编程控制器(7)的输入信号电流(8)端，其特征是同轴金 属圆环⑴的中心轴线与圆柱体电磁铁⑵中心轴线重合，两同轴金属圆环⑴的高相等， 且它们的高远大于它们的半径之差，两同轴金属圆环(1)被一个圆环形的密封绝缘外壳罩 住，两同轴金属圆环(1)所夹的环形空腔C3)为真空，在空腔上下两部分表面上，有一对平 行放置的偏转极板(6)。
专利摘要一种能够加速带电粒子的粒子感应加速器，它是在圆柱形的电磁铁上套有一对同轴金属圆环，这对同轴金属圆环与圆柱形电磁铁同轴线，电磁铁的线圈接入交流电源中，由电磁感应定理可知，变化的磁场在其周围能产生涡旋电场，这样在同轴金属圆环的真空空腔内就会有同圆心的涡旋电场产生，同时在两同轴金属圆环之间加一电压，这样空腔内就会产生沿径向方向的电场，当空腔中释放带电粒子后，带电粒子一方面受到涡旋电场的作用而加速运动，另一方面受到沿径向方向的电场力作用而作圆周运动，只要使得两同轴金属圆环之间的电势差按某一规律变化，那么就可使得粒子所受的向心力等于其离心力大小，这样粒子就可在某一恒定的圆轨道上加速运动，当能量达到要求时，再用偏转极板将其引出，作为实验之用。
文档编号H05H11/00GK201860504SQ20102023819
公开日2011年6月8日 申请日期2010年6月13日 优先权日2010年6月13日
发明者冯善龙 申请人:襄樊学院