加速器原理-第6章

第六章 电磁感应与暂态过程一、判断题1、若感应电流的方向与楞次定律所确定的方向相反，将违反能量守恒定律。

√2、楞次定律实质上是能量守恒定律的反映。

√3、涡电流的电流线与感应电场的电场线重合。

×4、设想在无限大区域内存在均匀的磁场，想象在这磁场中作一闭合路径，使路径的平面与磁场垂直，当磁场随时间变化时，由于通过这闭合路径所围面积的磁感通量发生变化，则此闭合路径存在感生电动势。

×5、如果电子感应加速器的激励电流是正弦交流电，只能在第一个四分之一周期才能加速电子。

√6、自感系数I L ψ=,说明通过线圈的电流强度越小，自感系数越大。

×7、自感磁能和互感磁能可以有负值。

×8、存在位移电流，必存在位移电流的磁场。

×9、对一定的点，电磁波中的电能密度和磁能密度总相等。

√ 10、在电子感应加速器中，轨道平面上的磁场的平均磁感强度必须是轨道上的磁感强度的两倍。

√11、一根长直导线载有电流I ，I 均匀分布在它的横截面上，导线内部单位长度的磁场能量为：πμ1620I 。

√12、在真空中，只有当电荷作加速运动时，它才可能发射电磁波。

√13、振动偶极子辐射的电磁波，具有一定方向性，在沿振动偶极子轴线方向辐射最强，而与偶极子轴线垂直的方向没有辐射。

×14、一个正在充电的圆形平板电容器，若不计边缘效应，电磁场输入的功率是⎪⎪⎭⎫⎝⎛=∙=⎰⎰C q dt d A d S P 22 。

(式中C 是电容，q 是极板上的电量，dA 是柱例面上取的面元)。

√二、选择题1、一导体棒AB 在均匀磁场中绕中点O 作切割磁感线的转动AB 两点间的电势差为： （A ）0（B ）1/2OA ωB （C ）-1/2AB ωB （D ）OA ωB A2、如图所示，a 和b 是两块金属板，用绝缘物隔开，仅有一点C 是导通的，金属板两端接在一电流计上，整个回路处于均匀磁场中，磁场垂直板面，现设想用某种方法让C 点绝缘，而同时让C 点导通，在此过程中（A ）电路周围的面积有变化。

加速器原理与工程应用研究第一章引言加速器是一种重要的物理学工具，能够加速粒子的速度，研究原子核、基本粒子等微观世界。

加速器在原子核物理、强子物理、物质科学、生命科学等多个领域都有应用。

本文主要介绍加速器的原理和工程应用研究。

第二章加速器基本原理加速器是一种物理学工具，它的基本原理是利用一定的电场和磁场，加速并定向带电粒子的运动，使它们获得足够高的动能而进入受控的路径。

粒子在加速器中运动时，其轨迹一般为螺旋线，同时由于加速的惯性力和场中粒子受力的方向关系，粒子运动先后会有一个短距离的向心运动和一长距离的离心运动。

在离心运动过程中，粒子会受到非常强的离心力作用，从而导致其强烈发射电磁波。

加速器的基本原理是从当代物理学中发现的。

19世纪六十年代，人们发现了质子和其他粒子被加速后会产生辐射现象。

随着科学技术的不断发展，人们不断探索更高的粒子能量。

随着现代加速器技术的发展，人们已经能够将带电粒子的速度加速到几乎接近光速，从而实现了更深入的微观探测。

第三章加速器应用和工程分类加速器应用非常广泛，特别是在原子核物理、强子物理、物质科学、生命科学等领域中得到了广泛应用。

在应用中，加速器根据其设计和使用区域被分成不同的类型，如下：1. 威逊氢气泡室：用于探测质子，发现了新型强相互作用介子。

2. 费米实验：沉积高能粒子，以检测其物理特性。

3. 超导爆震冷却器：用于在大型加速器上产生超导电流进行冷却，从而提高粒子束流的强度。

4. 国家同步辐射实验室：利用同步辐射的特性，提供高分辨率、非常光滑的表面成像、晶体分析以及其他多种成像和分析。

5. 应用现代加速器对材料进行研究：从分子到大型物质，人们可以利用加速器进行原子层解析、表面分析、微区试验以及其他多种实验。

6. 放射治疗：普遍应用X射线、质子和重离子治疗多种癌症，提供了治疗良好的替代方案。

第四章国内外加速器发展目前，世界各地正在进行多种类型加速器的研究和开发。

一些重要的加速器工程和研究发展如下：1. 现代加速器：这些加速器当今处于技术的顶峰，具有大能量、高亮度和超高粒子束强度的特点。

第六节回旋加速器●本节教材分析回旋加速器是用来使带电粒子加速的仪器，它的内部存在着互相垂直的两个场——交变电场（电势差为U）和匀强磁场（磁感应强度为B），交变电场用来使带电粒子加速，而匀强磁场只用来使带电粒子旋转，回旋加速器的名称即由此而来.它的优点在于能在较小的空间范围内让粒子受到多次电场的加速.回旋加速器的核心部分是两个D形的金属扁盒，这两个D形盒就像是沿着直径把一个圆形的金属扁盒切成的两半，两个D形盒之间留一个狭缝，在中心附近放有粒子源，交变电场就加在两个D形盒之间的狭缝处，而匀强磁场则垂直于D形盒的底面.为了保证粒子在匀强磁场中每转半圈都正好赶上适合的电场方向而被加速，要求高频交流电源的周期与带电粒子在D形盒中运动周期相同，当然这其中忽略了带电粒子被加速所需的时间.根据它的工作原理，回旋加速器一次可以同时加速一束同种带电粒子，加速后这束带电粒子的能量都相同.但是，回旋加速器也有不利的一面，因为粒子在能量很高的情况下，它运动的速度接近光速，按照爱因斯坦的狭义相对论，这时粒子的质量也将发生变化，从而影响粒子在磁场中回旋一周所用的时间，使得交变电场的频率与带电粒子运动的频率不再一致，这也就破坏了加速器的工作条件.因此要进一步提高粒子的能量就必须采用其他的加速方法，希望学生掌握好现在的基础知识，将来能研究出更切合实际的加速器.一、知识目标1.知道回旋加速器的基本构造及工作原理.2.知道加速器的基本用途.二、能力目标通过回旋加速器的教学，培养学生运用物理知识分析和解决实际问题的能力.三、德育目标1.通过介绍两种加速器的利和弊，培养学生用辩证的思想认识事物.2.回旋加速器是一种高科技的实验设备，通过该问题的学习，培养学生的学习兴趣，开阔学生的视野.●教学重点回旋加速器的工作原理.●教学难点回旋加速器的加速条件.●教学方法对比法、电教法、探究法●教学用具实物投影仪、投影片●课时安排1课时一、引入新课［师］在现代物理学中，为了研究物质的微观结构，人们往往利用能量很高的带电粒子作为“炮弹”，去轰击各种原子核，以观察它们的变化规律.怎样才能在实验室大量地产生高能量的带电粒子呢？这就要用到一种叫加速器的实验设备.同学们一定听说过北京正负电子对撞机吧，它就是我国于1989年初投入运行的第一台高能粒子加速器，它能使正负电子束流的能量分别达到28亿电子伏.［生］加速器究竟是怎样产生高能带电粒子的呢？［师］这就是今天我们要学习的课题.让我们以探索者的身份，从已有的基础知识出发，一起去寻求问题的答案吧！二、新课教学1.直线性加速器［师］先请同学们思考：用什么方法可以加速带电粒子？［生］可以利用电场来加速.［师］投影出示图，根据图示条件，带电粒子被加速后获得了多少能量？1mv2=qU.［生］根据动能定理带电粒子获得的动能E k=2［师］回答正确.由此看来，在带电粒子一定的条件下，要获得高能量的带电粒子，可采取什么方法？［生］带电粒子一定，即q、m一定，要使粒子获得的能量增大，可增大加速电场两极板间的电势差.［师］但是，在实际中能够达到的电压值总是有限的，不可能太高，因而用这种方法加速粒子，获得的能量很有限，一般只能达到几十万至几兆电子伏.我们能否设法突破电压的限制，使带电粒子获得更大的能量呢？［生甲］我想是否可以多加几个电场，让带电粒子逐一通过它们.［师］根据学生回答，投影出示图.大家认为这种设想有道理吗？［生乙］我认为有道理.这样一来，每个电场的电压就不必很高.尽管带电粒子每次得到的能量不是很大，但最后的总能量却可以达到E k=nqU,只要增加电场的数目n，就可以使粒子获得足够大的能量.［师］说得对.采用多个电场，使带电粒子实现多级加速，的确是突破电压限制的好方法.同学们能提出这样富有创见的设想，十分可贵.但是，我们再仔细推敲一下它的可行性，按上图所示的方案，真能实现多级加速吗？［生丙］这个方案不可能获得高能量的带电粒子！［师］你发现什么问题了吗？［生丙］从图上可以看出，在相邻两级加速电场的中间，还夹着一个反向电场，当带电粒子通过它们时，将会受到阻碍作用.［师］丙同学考虑问题很全面，他不但看到了加速电场这有利的一面，同时还注意到了存在减速电场这不利的一面.那么我们能否“兴利除弊”，设法把加速极板外侧的减速电场消除呢？［生］…［师］（进一步启发）请大家联系已学的知识，要防止外界电场的干扰，可采用什么措施？［生］采用静电屏蔽.［师］对.我们可用金属圆筒代替原来的极板，将上图改成左下图所示.这样既可以在金属圆筒的间隙处形成加速电场，又使得圆筒内部的场强为零，从而消除了减速电场的不利影响.［师］再让我们讨论一下电源.为了简化装置，我们可用一个公用电源来提供各级的加速电压，将左上图改画成右上图所示.如果我们要加速一带正电的粒子，若电源的极性保持恒定（始终为A 正B负，你认为这个粒子能“一路顺风”，不断加速吗？［生］不可能.因为按这样的极性，带电粒子在第一级电场中能得到加速，但到了下一级就会减速.粒子从加速电场得到的能量，将在减速电场中丧失殆尽.［师］说得很对.我们有什么方法可解决这个矛盾呢？［生］如果能及时地改变电源的极性，就可以解决了.［师］好主意！你能对照右上图具体说明一下这“及时”的含义吗？［生］设开始时，电源极性为A正B负，带电粒子在第一级电场中加速，当它穿过第一只圆筒即将进入第二级电场时，电源极性应立即变为A负B正，使粒子又能继续加速.同理，当它穿过第二只圆筒刚要进入第三级电场时，电源又及时地改变极性…［师］分析正确.可见，为了实现带电粒子的多级加速，我们应该采用交变电源；并且电源极性的变化还必须与粒子的运动配合默契，步调一致，即满足同步条件，这是确保加速器正常工作的关键所在.那么，如何做到这一点呢？如果使交变电源以恒定的频率交替改变极性，能够满足同步条件吗？［生甲］不能满足.因为带电粒子加速之后的速度越来越大，若金属圆筒的长度相等，则它每次穿越的时间就会越来越短.如要保证同步，电源频率应该越来越高才行.［师］谁还有不同的见解呢？［生乙］我认为电源频率恒定时，也有可能满足同步条件，只要使得金属圆筒的长度随着粒子速度的增大而相应地加长就行了.［师］甲、乙两位同学的意见可谓异曲同工，都有可能满足同步条件.在具体实施时，人们一般采用的是后一种方案.很明显，实施这种方案的关键，在于合理地设计金属圆筒的长度.那么，各圆筒长度之间究竟应符合怎样的关系才行呢？这个问题稍微复杂一点，有兴趣的同学在课后可以继续讨论.通过以上的探索和研究，我们实际上已经勾画出了一台加速器的雏形了，这样的加速器我们把它称之什么加速器呢？［生］直线加速器.［师］北京正负电子对撞机的注入器部分，就是一个全长200多米的直线加速器.这类加速器固然有其优点，但它的设备一字儿排开，往往很长.于是，我们自然会想到：能否寻找一种既可使带电粒子实现多级加速，又不必增加设备长度的方法呢？［生］展开激烈的讨论.［师］如果只用一个电场，带电粒子经过加速后还能再次返回，那就好了.用什么方法才能使粒子自动返回呢？［生］外加磁场！利用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的特点，可使它重返电场，再次加速.［师］好，这的确是个巧妙的设想.这也正是我们要讨论的第二种加速器——回旋加速器.2.回旋加速器［师］投影出示图，如左下图所示.设位于加速电场中心的粒子源发出一个带正电粒子，以速率v0垂直进入匀强磁场中.如果它在电场和磁场的协同配合下，不断地得到加速，你能大致画出粒子的运动轨迹吗？请每位同学都动手试试.［生］作图.［师］巡回指导，并请一位同学把画出的轨迹投影在屏幕上，如右上图所示.［师］同学们都已把带电粒子的运动轨迹画出来了.请同学们思考以下几个问题：［问题1］从画出的轨迹看，是一条半径越来越大的许多半圆连成的曲线，这是什么缘故？［生］根据带电粒子在匀强磁场中运动的半径公式r =qB mv ，随着粒子不断加速，它的速度越来越大，因此半径也相应增大.［问题2］为使带电粒子不断得到加速，提供加速电压的电源应符合怎样的要求？［生］要采用交变电源，且必须使电源极性的变化与粒子的运动保持同步.具体地说，正粒子以速度v 0进入磁场，当它运动半周后到达A 1时，电源极性应是“A 正A ′负”，粒子被电场加速，速度从v 0增加到v 1.然后粒子继续在磁场中运动半周，当它到达A 2′时，电源极性又及时地变为“A 负A ′正”，使粒子再次加速，速率从v 1增加到v 2…［师］回答正确.从刚才的分析可以看出，电场的作用是使粒子加速，磁场的作用则使粒子回旋，两者分工明确，同时它们又配合默契：电源交替变化一周，粒子被加速两次，并恰好回旋一圈，这正是确保加速器正常运行的同步条件.［问题3］随着粒子不断加速，它的速度和半径都在不断增大，为了满足同步条件，电源的频率也要相应发生变化吗？［生］不需变化，因为带电粒子在匀强磁场中的运动周期T =qBm 2，与运动速率无关. ［师］说得对.对于给定的带电粒子，它在一定的匀强磁场中运动的周期是恒定的.有了这一条，我们就可免去随时调整电源频率以求同步的麻烦，为回旋加速提供了极大的便利.早在1932年，美国物理学家劳伦斯就发明了回旋加速器，从而使人类在获得较高能量的粒子方面迈进了一大步.为此，劳伦斯获得了诺贝尔物理学奖.［问题4］观察挂图，回旋加速器主要由哪几部分构成？［生］D形盒、强电磁铁、交变电源、粒子源、引出装置等.［问题5］两个空心的D形金属盒是它的核心部分，同学们能说出它的作用吗？［生甲］这两个D形盒就是两个电极，可在它们的缝间形成加速电场.［师］谁还有补充吗？［生乙］它还起到静电屏蔽的作用，使带电粒子在金属盒内只受洛伦兹力作用而做匀速圆周运动.［问题6］两个D形盒之间的缝宽些行不行？［生］如果缝很宽，粒子穿越电场所用的时间就不容忽略.而这个时间是要随粒子运动速度的增加而变化的，从而使得粒子回旋一周所需的时间也随之变化，这就破坏了同步条件.如果是窄缝，粒子在电场中运动的时间可以不计，就可避免不同步的麻烦.［师］说得很对.看来同学们对回旋加速器的原理和结构已有一定的了解.［问题7］带电粒子的最高能量与哪些因素有关？［生甲］与加速电场的电压有关.由公式E k=qU可知，电压值大了，粒子获得的能量也大.［生乙］与D形盒的半径有关.D形盒的半径越大，粒子回旋加速的次数就越多，粒子具有的能量也越大.［生丙］与磁场的磁感应强度有关.根据公式R =qBmv 可知，B 值越大，粒子回旋半径越小，回旋加速的次数就越多，从而获得更大的能量.［师］同学们能发表不同的见解，这很好.究竟谁是谁非呢？在回旋加速器的最大半径和磁场都确定的条件下，带电粒子能达到的最大速率为v m =m Bqr，则相应的最高能量为E m =21mv m 2=m r q B 2222.这就告诉我们，对于给定的带电粒子来说，它所能获得的最高能量与D 形电极半径的平方成正比，与磁感应强度的平方成正比，而与加速电压无直接关系.讲到这里，有的同学可能会想，如果尽量增强回旋加速器的磁场或加大D 形盒半径，我们不就可以使带电粒子获得任意高的能量吗？实际并非如此.例如：用这种经典的回旋加速器来加速粒子，最高能量只能达到20兆电子伏.这是因为粒子的速率大到接近光速时，按照相对论原理，粒子的质量将随速率增大而明显地增加，从而使粒子的回旋周期也随之变化，这就破坏了加速器的同步条件.为了把带电粒子加速到更高的能量，以适应高能物理实验的需要，人们还设计制造了各种类型的新型加速器，如同步加速器、电子感应加速器等等.这些加速器可以把带电粒子加速到几十亿电子伏以上.目前世界上最大的质子同步加速器，能使质子的能量达到1 000 GeV.我国1989年初投入运行的高能粒子加速器——北京正负电子对撞机，能使电子束流的能量达到2.8+2.8 GeV.三、小结通过本节课学习，主要学习了以下几个问题：1.直线性加速器的加速原理E k =nqU .2.回旋加速器的主要构造：D 形盒、强电磁铁、交变电源、粒子源、引出装置.3.回旋加速器的加速条件：交流电源的周期与带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期相同.4.在回旋加速器中，带电粒子的最高能量E m =m r q B 2222，在带电粒子一定的条件下，E m 决定于D 形盒的最大半径和磁感应强度.四、作业（1）阅读教材（2）访问网站，了解我国加速器的现状与发展方向.五、板书设计六、本节优化训练设计1.N 个长度逐渐增大的金属圆筒和一个靶，它们沿轴线排列成一串，如图所示（图中画出五、六个圆筒，作为示意图）.各筒和靶相间地连接到频率为ν，最大电压值为u 的正弦交流电源的两端.整个装置放在高真空容器中，圆筒的两底面中心开有小孔.现有一电量为q ，质量为m 的正离子沿轴线射入圆筒，并将在圆筒间及靶间的缝隙处受到电场力的作用而加速（设圆筒内部没有电场）.缝隙的宽度很小，离子穿过缝隙的时间可以不计，已知离子进入第一个圆筒左端的速度为v1，且此时第一、二两个圆筒间的电势差为u1－u2=－u.为使打在靶上的离子获得最大能量，各个圆筒的长度应满足什么条件？并求出在这种情况下打到靶子上的离子的能量.2.已知回旋加速器中D形盒内匀强磁场的磁感应强度B=1.5 T，D 形盒的半径为R=60 cm，两盒间电压u=2×104 V，今将α粒子从近于间隙中心某处向D形盒内近似等于零的初速度，垂直于半径的方向射入，求粒子在加速器内运行的时间的最大可能值.3.回旋加速器的D形盒半径为R=0.60 m，两盒间距为d=0.01 cm,用它来加速质子时可使每个质子获得的最大能量为4.0 MeV，加速电压为u=2.0×104 V, 求：（1）该加速器中偏转磁场的磁感应强度B.（2）质子在D形盒中运动的时间.（3）在整个加速过程中，质子在电场中运动的总时间.（已知质子的质量为m=1.67× 10－27 kg，质子的带电量e=1.60×10－19 C）4.如图所示为一回旋加速器的示意图，已知D形盒的半径为R，中心上半面出口处O放有质量为m、带电量为q的正离子源，若磁感应强度大小为B，求：（1）加在D形盒间的高频电源的频率.（2）离子加速后的最大能量.（3）离子在第n次通过窄缝前后的速度和半径之比.参考答案：1.解析：粒子在筒内做匀速直线运动，在缝隙处被加速，因此要求粒子穿过每个圆筒的时间均为T /2(即v 21).N 个圆筒至打在靶上被加速N 次，每次电场力做的功均为qu .只有当离子在各圆筒内穿过的时间都为t =T /2=1/(2ν)时，离子才有可能每次通过筒间缝隙都被加速，这样第一个圆筒的长度L 1=v 1t =v 1/2ν,当离子通过第一、二个圆筒间的缝隙时，两筒间电压为u ，离子进入第二个圆筒时的动能就增加了qu ，所以E 2=21mv 22=mv 12/2+qu ,v 2=m qu v /221+第二个圆筒的长度L 2=v 2t =y m qu v 2//221+ 如此可知离子进入第三个圆筒时的动能E 3=21mv 22+qu =21mv 12+2qu 速度v 3=m qu v /421+第三个圆筒长度L 3=m qu v /421+/2ν离子进入第N 个圆筒时的动能E N =21mv 12+(N －1)qu 速度v N =m qu N v /)1(221-+第N 个圆筒的长度L N =v m qu N v 2//)1(221-+ 此时打到靶上离子的动能E k =E N +qu =21mv 12+Nqu 2.解析：带电粒子在做圆周运动时，其周期与速度和半径无关，每一周期被加速两次，每次加速获得能量为qu ，只要根据D 形盒的半径得到粒子具有的最大能量，即可求出加速次数，进而可知经历了几个周期，从而求出总时间.粒子在D 形盒中运动的最大半径为R则R =mv m/qB v m =RqB /m则其最大动能为E km =21mv m 2=B 2q 2R 2/2m 粒子被加速的次数为n =E km /qu=B 2qR 2/2mu则粒子在加速器内运行的总时间为t =n ·u BR qB m u m qR B T 222222ππ=⋅⋅==4.3×10－5 s3.(1)B =0.48 T(2)质子在D 形盒中运动的时间为1.4×10－3s(3)质子在电场中运动的总时间为1.4×10－9 s4.解析：（1）带电粒子在一个D 形盒内做半圆周运动到达窄缝时，只有高频电源的电压也经历了半个周期的变化，才能保证带电粒子在到达窄缝时总是遇到加速电场，这是带电粒子能不能被加速的前提条件，带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的周期为T =2πm /qB .T 与圆半径r 和速度v 无关，只决定于粒子的荷质比q /m 和磁感应强度B ，所以粒子做圆周运动的周期保持不变，由于两D 形盒之间窄缝距离很小，可以忽略粒子穿过窄缝所需的时间，因此只要高频电源的变化周期与粒子做圆周运动的周期相等，就能实现粒子在窄缝中总是被电场加速，故高频电源的频率应取f =m qB T π21=.(2)离子加速后，从D 形盒引出时的能量最大，当粒子从D 形盒中引出时，粒子做最后一圈圆周运动的半径就等于D 形盒半径R ，由带电粒子做圆周运动的半径公式可知R =mv /qB =k 2mE /qB所以被加速粒子的最大动能为E k =q 2B 2R 2/2m由此可知，在带电粒子的质量、电量确定的情况下，粒子所能获得的最大动能只与加速器的半径R 和磁感应强度B 有关，与加速电压无关.（3）设加在两D 形盒电极之间的高频电压为u ，粒子从粒子源中飘出时的速度很小，近似为零，则粒子第一次被加速后进入下方D 形盒的动能、速度、半径分别为qu E =Kl v 1=qmu B qB mv r m qu 21,/212== 当粒子第n 次通过窄缝时，由动能定理可知，粒子的动能为 E kn =nqu v n =12nv m nqu = r n =q mun B 21,故第n 次穿过窄缝前后的速率和半径之比分别为： 从上面的式子可知，随着粒子运动圈数增加，粒子在D 形盒中做圆周运动半径的增加越来越慢，轨道半径越来越密.。

加速器物理学第一章绪论内容与目的：针对核技术及应用学科（加速器）学生及其他感兴趣者，主要，①系统地认识各类加速器的主要组成部分、功能、参数，概念清楚；②学习加速器的基本理论，线性理论下束流横向运动与纵向运动的稳定性，流强怎样提高及主要物理参数，在老师指导下能进行简单的计算和设计；③准备将来从事加速器研究、计算、设计、制造、运行。

基础知识：四大力学，主要是电动力学，特别是微分方程求解，会利用特殊函数。

掌握的几个方面：1、基本原理应用；2、基本理论，线性理论下的横向运动与纵向运动；3、主要类型，有些很少提到；4、加速器的新动向、新原理。

用的都是国外提出的原理，中国还没有提出过。

5、通过参观、实习、运行学习。

参考书：1、陈佳洱等著，加速器物理基础；2、徐建铭著，加速器原理；3、王书鸿著，质子直线加速器原理；4、姚充国著，电子直线加速器；5、M. Livingston, Particle Accelerator, 1962；6、J. J. Livingool, Principle of Cyclotron Accelerator；7、谢家麟著，加速器与科技创新，2000；8、H. Wiedemann, Particle Accelerator Physics, 1998。

9、叶铭汉著，静电加速器。

本科生的相关课程，如电磁学（赵凯华著，伯克利教程，科大物理口的教材）、电动力学（曹昌祺著，郭硕洪著，杰克逊著中文或英文版），研究生的相关课程：高等电动力学。

§1.1 加速器发展概况带电粒子加速器的发展及其原理，来源于基本物理现象理论与试验的进步。

而粒子加速器试验研究仅起步于上世纪，它依赖于对电磁现象基本物理的理解，这一部分主要是在十九世纪期间和二十世纪初在理论和试验两方面探索所进行的。

在此引言中，我们将简洁地回顾导致粒子加速器发展、应用的历史，并引入基本定义和支配粒子束流动力学的公式。

§1.1.1 加速器产生的历史背景及其在近代物理学中的作用[1]粒子加速器的历史与发展，与荷电现象的理解和发现有关，也与灯炮中一些单个粒子所具有的特殊性质携带的电荷密切相关。

1、加速器的分类：1) 按加速粒子的种类分: ①电子加速器;②离子加速器;③全粒子加速器. 2) 按粒子运动轨道形状分:①直线加速器;②回旋加速器;③环形加速器. 3) 按加速电场的种类分①高压;②感应;③高频共振加速器;2、加速器束流品质（1）粒子的品种（电子、离子、全粒子）（2）束流能量及可调范围;（3）束流的能散度：E E ∆（5）束流的发射度：'(,)S r r επ= ()mm mrad ⋅（4）束流强度及时间特性：I ，直流束或脉冲束。

3、粒子运动参数的相对论表达式 相对速度：v cβ=粒子质量：m =粒子能量：20mcε=22mc ε===001)W εεε=-=20()w P mv m c mcccβεββ+====由：22mc ε===12220()βεεε=-⇒1112222200001122000111()[()()][()]11[(2)][(2)]P w c c cw w w c cεεεεεεεεεεεε=-=-+=+=-+=+第二章 带电粒子的产生→电子枪和离子源（1）热发散电子枪的结构及工作原理 发射极、聚焦极和引出极；阴极一般由低逸出功的材料制成，由电源加热，发射出热电子。

要求阴极材料的电子逸出功要低、熔点要高、蒸发率要小、不易中毒。

栅极的主要功能是对阴极发射的电子起聚焦作用，也称为聚焦极 。

引出极将电子束引出到后加速器系统中。

原理：阴极通过加热发射热电子，栅极聚焦电子束，最后又引出极将电子束引出到加速器系统中。

（2）场致式电子枪的结构及工作原理 在场致发射式阴极上加适当高电压，在阴极表面附近形成大于106V/cm 的强电场，依靠强电场发射电子。

其他的同热发散式电子枪。

（1）高频离子源的工作原理; 高频离子源是一种电子振荡式离子源，利用高频电磁场和轴向稳衡磁场，使放电室中的 自由电子作往复振荡运动，从而使气体得以充分游离而形成等离子体，阳极和吸极之间加一定电压，形成轴向引出电场，使正离子通过吸极上的孔道引出。