第四节 加速器与质谱仪
洛仑兹力
实验和理论表明，在磁感强度为B的磁场中，电荷为q、运动速度为υ的带电粒子，所受的磁场力通常称为洛仑兹力，洛仑兹力公式为
f＝qυ×B
洛仑兹力的方向服从右手螺旋法则，始终与运动方向垂直。
当带电粒子在均匀磁场中运动时，速度口和口的夹角不同，粒子的运动轨迹类型就不同。当带电粒子垂直打入均匀磁场时，粒子将在磁场中作匀速圆周运动。圆周运动的半径（回旋半径）为
圆周运动的周期为
可见，带电粒子在均匀磁场中作圆周运动的半径R与粒子的荷质比（q／m）、运动速度“和磁感强度B有关。周期T只与荷质比和磁感强度B有关，与粒子的运动速度无关，这些结论被用于加速器的设计和研究之中。
加速器
加速器是一种加速电子、质子、氢核、氘核、α粒子（氦的原子核）等带电粒子，并使之获得高能量的装置。加速器可以使带电粒子的能量达到几十兆到几万兆电子伏特。
加速器在研究核反应、制造同位素和高能基本粒子的研究等方面有很大应用。加速器的类型很多，如回旋加速器、电子感应加速器、同步回旋加速器、电子同步加速器、直线加速器、对撞机（如北京正负电子对撞机）等。我们只介绍回旋加速器和电子感应加速器。
1．回旋加速器
回旋加速器的工作原理如下图所示。它有两个处在均匀磁场中的半圆形盒，通常称为D形盒，在两个D形盒之间的两个电极上加有交变电压，它可以在两盒缝隙处产生交变电场。在两个D形盒缝隙的中心放置可以发射出带电粒子流的离子源，设盒缝隙的电场正好加速该带电粒子，使其进入D1盒中，由于D1形盒内没有电场，只有均匀磁场，所以带电粒子在D1形盒内的轨道成圆弧形。
在这一半盒内粒子运动的时间是
t的大小只与粒子荷质比和磁感应强度B有关，当粒子的速度远小于光速时，粒子的质量不变（见相对论），因此t是恒量。如果交变电压的频率等于t／2，那么当粒子从D1盒出来到达缝隙时，缝隙处的电场方向恰已反向，因而粒子将再被加速，以较大的速度进入D2盒，并在D2盒中以较大的半径作圆弧运动，经过相同的时间t后，又回到缝隙而再次被加速进入D1盒。这样粒子多次受到加速，随着加速次数的增加，轨道半径也逐渐增大，最后将粒子从D形盒的边缘引出，从而得到高能粒子束。
回旋加速器的工作原理
用回旋加速器能够获得的粒子的能量有一定界线。这是因为当粒子的速度接近光速时，粒子的质量开始显著地变化，因而t就不再是恒量，这时就不可能再用固定频率的交变电场来进一步加速粒子。用回旋加速器可能获得的质子的最大能量约为30Mev，α粒子的最大能量约为100MeV。新型设计的回旋加速器大多考虑了相对论效应，如同步稳相回旋加速器、直线加速器等，它们可将粒子的能量加速到几百亿电子伏特。
2．电子感应加速器
电子感应加速器是利用涡旋电场加速电子以获得高能粒子的一种装置。其主要结构是在电磁铁的两极之间安置一个环形真空室。当电磁铁的线圈通有交变电流时，便在真空室区域内激发随时间变化的交变磁场，该交变磁场在其周围产生涡旋电场，此涡旋电场可用来加速电子。用电子枪将电子注入环形室后，带电粒子在交变的非均匀磁场中运动时，将受到两方面的作用力：感生电场的切向加速作用力与指向环心的洛仑兹力。
由于磁场和涡旋电场都是交变的，所以只有在交变电流的一个周期内，当涡旋电场的方向与电子绕行方向相反时，电子才能加速。电场方向一变，电子反而要受到减速。所以在每次电子束注入并得到加速以后，一定要在电场方向改变之前将电子束引出使用。但因为电子在注入真空环形室的初速度相当大，在电场未改变方向的短短时间内，电子在环形室内已经绕行百万圈以上，并一致受到电场的加速。为了使电子得到稳定加速，要求电子轨道处的磁场为轨道内部平均磁场的一半。这样在励磁电流变化的1／4周期内完成对带电粒子的加速后引出使用。
利用电子感应加速器可以使电子获得数十兆甚至数百兆电子伏的能量。借这种高能电子去轰击各种金属靶，可产生γ射线、X射线等，用于工业γ射线探伤和射线治疗癌症。电子感应加速器的制成，对麦克斯韦关于涡旋电场观点的正确性是一个有力的证明。
质谱仪
质谱仪是一种分析各种同位素并测量其质量及含量百分比的仪器。质谱仪由两部分组成：M板的左方是带电粒子速度选择器，选择器内有正交的匀强磁场和匀强电场，M板的右方是匀强磁场部分。当一束有不同速率的正离子水平地由小孔进入速度选择器场区后，受到电场力和洛仑兹力的作用。路径不发生偏转的离子的条件是Eq＝Bqυ，即υ＝E／B，能通过速度选择器的带电粒子必是速度为该值的粒子，与它所带电量和质量均无关。
经过速度选择器后的相同速率的不同离子在右侧的偏转磁场中作匀速圆周运动，荷质比与离子轨道半径的关系如下
不同荷质比的离子轨道半径不同，分别落在底片上的不同位置。也就是说，元素将按其质量大小的顺序而排列，故称之为“质谱”。
因为E、B、B＇及r可直接测量得到，所以如果我们能够用其他方法决定离子所带的电荷q，则由上式便可求出离子的质量。
目前应用的质谱仪是非常精确的仪器，它不但可以测量出每种同位素的准确质量，并可测定每种同位素在元素中所占的百分比。
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