第六節回旋加速器

生：不可能.因為，按這樣的極性，帶電粒子在第一級電場中能得到加速，但到了下一級就會減速.粒子從加速電場得到的能量，將在減速電場中喪失貽盡.

師：說得很對.我們有什么方法可解決這個矛盾嗎？

生：如果能及時地改變電源的極性，就可以解決了.

師：好主意！你能對照圖4具體說明一下這“及時”的含義嗎？

生：設開始時電源極性為a正b負，帶正電粒子在第一級電場中加速，當它穿過第一只圓筒即將進入第二級電場時，電源極性應立即變為a負b正，使粒子又能繼續加速.同理，當它穿過第二只圓筒剛要進入第三級電場時，電源又及時地改變極性，……以后也是如此.

師：分析正確.可見，為了實現帶電粒子的多級加速，應該采用交變電源；并且，電源極性的變化還必須與粒子的運動配合默契，步調一致，即要滿足同步條件，這是確保加速器正常工作的關鍵所在.那么，如何做到這一點呢？如果使交變電源以恒定的頻率交替改變極性，能夠滿足同步條件嗎？

甲生：不能滿足.因為帶電粒子加速之后的速度越來越大，若金屬圓筒的長度相等，則它每次穿越的時間就會越來越短.如要保證同步，電源頻率應該越來越高才行.

師：誰還有不同的見解嗎？

乙生：我認為當電源頻率恒定時，也有可能滿足同步條件，只要使得金屬圓筒的長度隨著粒子速度的增大而相應地加長就行了.

師：甲、乙兩位同學的意見可謂異曲同工，都有可能滿足同步條件.在具體實施時，人們一般采用的是后一種方案.很明顯，實施這種方案的關鍵，在于合理地設計金屬圓筒的長度.那么，各圓筒長之間究竟應符合怎樣的關系才行呢？這個問題稍許復雜一點，但只要運用我們所學的有關知識，也是不難解決的.有興趣的同學在課后可以繼續討論，去完成這項設計任務.

(教學內容的安排應有彈性，注意留有余地，以貫徹“因材施教”的原則.)

師：通過以上的探索和研究，我們實際上已經勾畫出一臺加速器的雛形了.“麻雀雖小，五臟俱全”，它包含著一般加速器應具備的幾個基本要素.下面，就請同學們一起來小結.

（根據學生回答，歸納并板書，關鍵字眼以彩筆突出.）

①利用電場加速帶電粒子；

②通過多級加速獲得高能粒子；

③將加速電場以外的區域靜電屏蔽；

④采用交變電源提供加速電壓；

⑤電場交替變化與帶電粒子運動應滿足同步條件.

(此段小結很有必要.它不僅可將前段探究活動的成果及時整理、提煉、充實和完善學生的認知結構，同時，也為接著學習回旋加速器奠定了基礎，從而起到了承前啟后的作用.)

師：剛才討論的這類加速器，人們通常稱之為直線加速器.例如北京正負電子對撞機的注入器部分，就是一個全長200多米的直線加速器.這類加速器固然有其優點，但它的設備一字兒排開，往往顯得拖沓冗長.于是，我們自然會想：能否尋找一種既可使帶電粒子實現多級加速，又不必增加設備長度的方法呢？

生：……（思考、議論）

師：（自言自語）如果只用一個電場，帶電粒子經過加速后還會再次返回，那就好了.……用什么方法能使粒子自動返回呢？……

生：（豁然開朗）外加磁場！利用帶電粒子在勻強磁場中作圓周運動的特點，可使它重返電場，再次加速.

師：好，這確是個巧妙的構想，說不定它還會導致一種新型加速器的延生呢！