電子感應加速器振盪的應用與侷限性

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介紹

電子感應加速器振盪是粒子加速器中電子執行的一種運動。在科學領域，我們經常需要將亞原子粒子加速到非常高的速度。例如，高能電子用於生產各種型別的奈米材料。X射線是透過用高能電子轟擊金屬產生的。粒子加速器也用於癌症治療。

不幸的是，亞原子粒子天然的能量並不像我們所需的那樣高。這就是粒子加速器發揮作用的地方。簡單來說，粒子加速器是一種可以用來將亞原子粒子加速到非常高速度的裝置。通常，它們使用電場或電磁場來實現這一點。多年來，人們提出了各種粒子加速器的設計方案，每種方案都有其自身的優點和缺點。在本文中，我們將討論一種稱為電子感應加速器的粒子加速器。

什麼是電子感應加速器？

粒子加速器有多種型別，電子感應加速器屬於一種稱為迴圈加速器的粒子加速器。

Nicolae Coman, 電子感應加速器示意圖, CC BY-SA 3.0

簡單來說，電子感應加速器是用一個變壓器製成的，其次級線圈被一個環形真空管代替。電子感應加速器基於法拉第提出的電磁感應原理。我們知道，交變磁場會產生由以下公式給出的電動勢：

$$\mathrm{\varepsilon=-\frac{d\phi}{dt}}$$

由於電子感應加速器中變壓器初級線圈電流的變化，會產生變化的磁場。這個變化的磁場會加速真空管中的電子。電子圍繞管子旋轉並迅速獲得速度，這相當於獲得動能。

電子感應加速器振盪

在一些粒子加速器中，帶電粒子的半徑會隨著其能量的增加或減少而變化。然而，有可能製造出半徑保持不變的加速器，即軌道保持穩定。為此，必須滿足以下等式：

$$\mathrm{\Phi=2\pi r^2 H}$$

這裡，$\mathrm{ϕ}$ 是透過由軌道半徑（由r給出）產生的圓形區域的磁通量，而H 是距中心 r 距離處的磁場強度。

愛爾蘭科學家歐內斯特·沃爾頓研究了電子在磁場中的行為，並觀察到一個有趣的現象。他發現，如果電子偏離這個穩定軌道，它會受到一個指向與偏離方向相反的力。也就是說，電子傾向於回到其穩定軌道。這種由電子在環形粒子加速器中偏離產生的力導致電子在其穩定軌道周圍振盪。這些振盪被稱為電子感應加速器振盪。

電子感應加速器

電子感應加速器中粒子的加速是透過施加電磁力實現的。這種力是透過變化的磁場產生的。根據所施加磁場的強度，電子感應加速器可以將電子加速到非常高的速度。

在其誕生之初，第一個電子感應加速器可以使電子的能量達到2.5 MeV，這在當時是巨大的。隨著時間的推移，這個極限進一步提高。1942年，德國科學家制造了一個6 MeV的電子感應加速器，1962年，墨爾本大學為核子研究購買了一個35 MeV的電子感應加速器。

電子感應加速器粒子加速器

電子感應加速器粒子加速器最初並不被稱為電子感應加速器。據說，最初關於如何命名該裝置存在激烈的爭論。一些提出的名稱包括“旋轉加速器”、“感應加速器”等。

電子感應加速器的應用

電子感應加速器可以用於多個領域。下面列出了一些：

• 在粒子物理學中，各種實驗和研究都需要高能電子。它們可以透過電子感應加速器產生。

• 高能電子轟擊金屬時，會產生X射線。X射線具有幾乎無限的應用。

• 大約在1960年，威斯康星州開設了一傢俬人醫療中心，該中心利用電子感應加速器進行癌症治療。

電子感應加速器的侷限性

電子感應加速器有一個主要的缺點，後來透過使用同步加速器克服了這個缺點。這種侷限性是由於我們在電子感應加速器中使用的磁場強度造成的。對於非常大的磁場，我們需要使用相應大的磁芯。然而，實際上，磁芯的大小是有限的。因此，透過電子感應加速器可以加速電子的速度存在上限。

結論

在科學實驗中，經常需要高能亞原子粒子。這些粒子是透過使用粒子加速器產生的，粒子加速器使我們能夠加速亞原子粒子。它們大致分為線性型和迴圈型兩種。電子感應加速器是一種屬於迴圈粒子加速器型別的粒子加速器。它最初在20世紀20年代被提出，第一個工作模型是在1940年製造的。根據設計，它只是一個變壓器，其中次級線圈被一個環形真空管代替。

電子感應加速器利用法拉第電磁感應定律來增加在真空管中運動的電子的速度。在粒子加速器中以固定軌道旋轉的電子在偏轉時往往在其穩定軌道周圍振盪。這種振盪被稱為電子感應加速器振盪。雖然電子感應加速器在核研究、X射線產生和癌症治療方面有巨大的用途，但由於實際上可能的磁場量有限，我們能夠加速電子的速度也受到限制。

常見問題

Q1. 電子感應加速器的名稱從何而來？

A1. “beta”一詞指的是β粒子，即高速電子。在發明時，關於如何命名它有很多爭論，但最終，科學家們選擇了我們今天所知的這個簡單的名字。

Q2. 電子感應加速器與迴旋加速器有什麼不同？

A2. 是的。迴旋加速器使用螺旋軌道、D形腔和交變電場，而電子感應加速器使用磁場和固定軌道。

Q3. 電子感應加速器屬於哪種型別的加速器？

A3. 電子感應加速器是一種電動粒子加速器，即它使用動態場而不是靜態場，這使得能夠達到更高的能量。

Q4. 電子感應加速器是否有相關的危險？

A4. 只要遵循基本的安全協議，電子感應加速器就非常安全。透過電子感應加速器達到的能量不足以構成災難性的威脅。

Q5. 透過電子感應加速器達到的最高能量是多少？

A5. 目前，電子感應加速器可以將電子加速到大約300 MeV的能量。