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磁在高能加速器和对撞机中的应用

  在科学研究和高新技术中,磁的应用是多种多样和十分重要的。这里仅以基本粒子物理学、原子核物理学和高能物理学中应用的高能加速器和高能粒子对撞机中磁的一些应用为例加以说明。

  在对物质微观结构研究中,研究的物质结构越深入,所需要的能量也越高。高能加速器和高能粒子对撞机可以把微观物质如氢原子核(质子)和带电的基本粒子如电子等加速到很高的速度,使它们得到很高的能量,像炝弹一样进入所要研究的微观物质或粒子内部,或将这些微观物质轰击成碎片,以便研究其内部构造。但是,如何约束带电的高能粒子束,使它们能沿着预定的轨道去轰击目标?或者使两束带电粒子沿着预定的轨道相互碰撞(称为对撞),从而研究它们的微观结构呢?这就需要磁场了。

图9 正负电子对撞机的注入器

图10 正负电子对撞机的探测器


  磁场为什么能够控制和约束高能带电粒子的运动呢?这就是磁场的洛伦兹力的使用。什么是洛伦兹力?洛伦兹力是磁场对运动的带电粒子的作用力。这作用力的大小和方向与磁场的强弱和方向及带电粒子的电荷量及运动速度的快慢和方向都有关。中国科学院高能物理研究所建的北京正负电子对撞机的注入器(图9)和探测器——北京谱仪(图10),都需要磁场来控制和约束带电的电子、正电子和其它带电粒子的运动。

 

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