課件：回旋加速器

1、問(wèn)題問(wèn)題1. 請(qǐng)同學(xué)回答：用什么方法可以加速帶電微粒？請(qǐng)同學(xué)回答：用什么方法可以加速帶電微粒？ 如下圖所示，真空中有一對(duì)平行金屬板，兩板間如下圖所示，真空中有一對(duì)平行金屬板，兩板間電壓為電壓為U。兩板間有一個(gè)帶正電微粒，由靜止開(kāi)始從。兩板間有一個(gè)帶正電微粒，由靜止開(kāi)始從正極向負(fù)極板運(yùn)動(dòng)，當(dāng)它到負(fù)極板可獲得多大能量？正極向負(fù)極板運(yùn)動(dòng)，當(dāng)它到負(fù)極板可獲得多大能量？（不考慮粒子的重力）（不考慮粒子的重力） 答：利用電場(chǎng)可以加速帶電粒子答：利用電場(chǎng)可以加速帶電粒子221mvqU +U問(wèn)題2.要使一個(gè)帶正電微粒獲得更大的速度（能量）？ 答：采用多個(gè)電場(chǎng)，使帶電粒子實(shí)現(xiàn)多級(jí)加速。答：采用多個(gè)電場(chǎng)，使帶電粒

2、子實(shí)現(xiàn)多級(jí)加速。+ 一級(jí)一級(jí) 二級(jí)二級(jí) 三級(jí)三級(jí) 四級(jí)四級(jí) 五級(jí)五級(jí)為了實(shí)現(xiàn)帶電粒子的多級(jí)加速，應(yīng)該采用交變電源，為了實(shí)現(xiàn)帶電粒子的多級(jí)加速，應(yīng)該采用交變電源，使粒子進(jìn)入每一級(jí)都能繼續(xù)加速。并且電源極性的變使粒子進(jìn)入每一級(jí)都能繼續(xù)加速。并且電源極性的變化還必須與粒子的運(yùn)動(dòng)配合默契，步調(diào)一致，即要滿(mǎn)化還必須與粒子的運(yùn)動(dòng)配合默契，步調(diào)一致，即要滿(mǎn)足同步條件。足同步條件。粒子獲得的能量：粒子獲得的能量：E=nqU剛才討論的直線加速器這類(lèi)加速器固然有其剛才討論的直線加速器這類(lèi)加速器固然有其優(yōu)點(diǎn)，但它的設(shè)備成一條直線，優(yōu)點(diǎn)，但它的設(shè)備成一條直線，我們自然會(huì)想：能否設(shè)計(jì)一種加速器，使帶電，我們自然會(huì)想：能

3、否設(shè)計(jì)一種加速器，使帶電粒子在較小范圍內(nèi)也能得到較高的能量呢？粒子在較小范圍內(nèi)也能得到較高的能量呢？ 有的同學(xué)想到了加磁場(chǎng)使粒子旋轉(zhuǎn)，加電場(chǎng)使粒子加速，有的同學(xué)想到了加磁場(chǎng)使粒子旋轉(zhuǎn)，加電場(chǎng)使粒子加速，這個(gè)想法很好。如果讓它們巧妙配合，使帶電粒子邊旋這個(gè)想法很好。如果讓它們巧妙配合，使帶電粒子邊旋轉(zhuǎn)邊加速就好了。轉(zhuǎn)邊加速就好了。早在早在1932年，美國(guó)物理學(xué)家勞倫斯就發(fā)明了這種裝年，美國(guó)物理學(xué)家勞倫斯就發(fā)明了這種裝置置回旋加速器。從而使人類(lèi)在獲得較高能量的粒子回旋加速器。從而使人類(lèi)在獲得較高能量的粒子方面邁了一大步，為此，勞倫斯獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。方面邁了一大步，為此，勞倫斯獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)

4、。一、一、直線加速器直線加速器回旋加速器回旋加速器二、二、回旋加速器回旋加速器V0V1V2V3V4V5它的核心結(jié)構(gòu)是兩個(gè)它的核心結(jié)構(gòu)是兩個(gè)D形的金形的金屬盒，兩個(gè)屬盒，兩個(gè)D形盒接在電極上。形盒接在電極上。D形盒中間有一個(gè)窄縫，中心形盒中間有一個(gè)窄縫，中心附近有一個(gè)粒子源。整個(gè)裝置附近有一個(gè)粒子源。整個(gè)裝置放在巨大的電磁鐵的兩極之間。放在巨大的電磁鐵的兩極之間。加速后的粒子最后由特殊裝置加速后的粒子最后由特殊裝置引出。引出。1.帶電粒子經(jīng)兩帶電粒子經(jīng)兩D形盒間的電場(chǎng)形盒間的電場(chǎng)加速后，垂直磁場(chǎng)方向進(jìn)入某加速后，垂直磁場(chǎng)方向進(jìn)入某一一D形盒內(nèi)，在洛侖茲力作用下形盒內(nèi)，在洛侖茲力作用下做勻速圓周運(yùn)

5、動(dòng)，帶電粒子在做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，帶電粒子在D形盒中的運(yùn)動(dòng)半徑形盒中的運(yùn)動(dòng)半徑r=mv/Bq,帶帶電粒子在電粒子在一個(gè)一個(gè)D形盒中的運(yùn)動(dòng)時(shí)形盒中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間間t=T/2=m/Bq.2.使高頻電源的周期使高頻電源的周期T2m/Bq,則當(dāng)粒子從一個(gè)則當(dāng)粒子從一個(gè)D形盒飛出時(shí)，縫隙間的電場(chǎng)方向恰好改變，粒子在經(jīng)形盒飛出時(shí)，縫隙間的電場(chǎng)方向恰好改變，粒子在經(jīng)過(guò)縫隙時(shí)再一次被加速，以更大的速度進(jìn)入另一個(gè)過(guò)縫隙時(shí)再一次被加速，以更大的速度進(jìn)入另一個(gè)D形盒。每經(jīng)過(guò)縫隙一次，帶電粒子的速度增大一次，形盒。每經(jīng)過(guò)縫隙一次，帶電粒子的速度增大一次，在兩在兩D形盒內(nèi)運(yùn)動(dòng)的軌道半徑也逐漸增大。形盒內(nèi)運(yùn)動(dòng)的軌道半徑也逐漸增大

6、。交變電壓的周期交變電壓的周期帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期T2m/Bq.設(shè)粒子被引出設(shè)粒子被引出D形盒前最后半周的軌道半徑為形盒前最后半周的軌道半徑為R，則，則帶電粒子從加速器飛出時(shí)的速度帶電粒子從加速器飛出時(shí)的速度Vmax=BqR/m. 引出速度只與磁感強(qiáng)度和引出速度只與磁感強(qiáng)度和D形盒半徑形盒半徑有有關(guān)，與加關(guān)，與加速電壓速電壓無(wú)無(wú)關(guān)。因?yàn)榧铀匐妷褐挥绊憥щ娏Ｗ蛹铀訇P(guān)。因?yàn)榧铀匐妷褐挥绊憥щ娏Ｗ蛹铀俚目偞螖?shù)。的總次數(shù)。4、對(duì)于同一回旋加速器，其粒子的回旋的最大半徑是、對(duì)于同一回旋加速器，其粒子的回旋的最大半徑是相同的。相同的。mRqBmvEqBmv221R2222由

7、最大半徑得：qUEn2回旋周數(shù)：nTt 所需時(shí)間： 3、帶電粒子每經(jīng)電場(chǎng)加速一次，回旋半徑就增大一次，、帶電粒子每經(jīng)電場(chǎng)加速一次，回旋半徑就增大一次， 每次增加的動(dòng)能為每次增加的動(dòng)能為 qUKE粒子每經(jīng)過(guò)粒子每經(jīng)過(guò)一個(gè)周期一個(gè)周期，被電場(chǎng)，被電場(chǎng)加速二次加速二次若忽略帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間，若忽略帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間，t可視為總時(shí)間?？梢暈榭倳r(shí)間。 2.若考慮帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間，將帶電若考慮帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間，將帶電粒子在粒子在D形盒兩縫隙間的運(yùn)動(dòng)首尾連接起來(lái)可視為形盒兩縫隙間的運(yùn)動(dòng)首尾連接起來(lái)可視為是一個(gè)初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，有：是一個(gè)初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，有：

8、2122Uqndtdm電可求出可求出t電電。t總= t電電+ t磁磁1.粒子被加速后，運(yùn)動(dòng)速率和運(yùn)動(dòng)半徑都會(huì)增加，它的運(yùn)動(dòng)粒子被加速后，運(yùn)動(dòng)速率和運(yùn)動(dòng)半徑都會(huì)增加，它的運(yùn)動(dòng)周期會(huì)增加嗎？周期會(huì)增加嗎？ 2.要使粒子每次經(jīng)過(guò)電場(chǎng)都被加速，要使粒子每次經(jīng)過(guò)電場(chǎng)都被加速，應(yīng)在電極上加一個(gè)什么電壓？應(yīng)在電極上加一個(gè)什么電壓？這個(gè)交變電場(chǎng)的周期和粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)這個(gè)交變電場(chǎng)的周期和粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期有什么關(guān)系？動(dòng)的周期有什么關(guān)系？（不會(huì)。因?yàn)椋ú粫?huì)。因?yàn)門(mén)2m/qB）T0 T2m/qBtU2T圓周2T圓周0T應(yīng)加一個(gè)交變電場(chǎng)應(yīng)加一個(gè)交變電場(chǎng)思考：為什么回旋加速器不能無(wú)限提高粒子的能量？思考：為什么回旋

9、加速器不能無(wú)限提高粒子的能量？答：據(jù)相對(duì)論理論知識(shí)，粒子速度被加速到接近答：據(jù)相對(duì)論理論知識(shí)，粒子速度被加速到接近光速，質(zhì)量明顯增加，周期光速，質(zhì)量明顯增加，周期T2m/qB也增也增加，破壞了回旋加速器的同步條件。加，破壞了回旋加速器的同步條件。三、加速器的拓展三、加速器的拓展現(xiàn)在我國(guó)已把建設(shè)高能加速器的任務(wù)作為國(guó)現(xiàn)在我國(guó)已把建設(shè)高能加速器的任務(wù)作為國(guó) 家的重點(diǎn)項(xiàng)目，已取得了一定的成就如家的重點(diǎn)項(xiàng)目，已取得了一定的成就如1989年投入運(yùn)行的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)可以使電子年投入運(yùn)行的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)可以使電子束的能量達(dá)到束的能量達(dá)到2.8+2.8Gev。 為了解決回旋加速器不同步問(wèn)題，科學(xué)家制為

10、了解決回旋加速器不同步問(wèn)題，科學(xué)家制造出了同步加速器。思考：如何在回旋加速器造出了同步加速器。思考：如何在回旋加速器的基礎(chǔ)上解決不同步問(wèn)題？的基礎(chǔ)上解決不同步問(wèn)題？1.使電磁鐵磁場(chǎng)相應(yīng)同步的增加，保證粒子使電磁鐵磁場(chǎng)相應(yīng)同步的增加，保證粒子的周期不變。的周期不變。四、加速器的應(yīng)用四、加速器的應(yīng)用 加速器在科學(xué)研究，醫(yī)用，農(nóng)業(yè)，生產(chǎn)，軍加速器在科學(xué)研究，醫(yī)用，農(nóng)業(yè)，生產(chǎn)，軍事等各個(gè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用事等各個(gè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用2.使電場(chǎng)的變換周期隨粒子的運(yùn)動(dòng)周期同步變大。使電場(chǎng)的變換周期隨粒子的運(yùn)動(dòng)周期同步變大。 例例2：關(guān)于回旋加速器中電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用的敘述，正：關(guān)于回旋加速器中電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用的敘

11、述，正確的是確的是( )A、電場(chǎng)和磁場(chǎng)都對(duì)帶電粒子起加速作用、電場(chǎng)和磁場(chǎng)都對(duì)帶電粒子起加速作用B、電場(chǎng)和磁場(chǎng)是交替地對(duì)帶電粒子做功的、電場(chǎng)和磁場(chǎng)是交替地對(duì)帶電粒子做功的C、只有電場(chǎng)能對(duì)帶電粒子起加速作用、只有電場(chǎng)能對(duì)帶電粒子起加速作用D、磁場(chǎng)的作用是使帶電粒子在、磁場(chǎng)的作用是使帶電粒子在D形盒中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)形盒中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)CD 例例1.用同一回旋加速器分別對(duì)質(zhì)子和氘核用同一回旋加速器分別對(duì)質(zhì)子和氘核加速后（加速后（ ）A質(zhì)子獲得的動(dòng)能大于氘核獲得的動(dòng)能質(zhì)子獲得的動(dòng)能大于氘核獲得的動(dòng)能B質(zhì)子獲得的動(dòng)能等于氘核獲得的動(dòng)能質(zhì)子獲得的動(dòng)能等于氘核獲得的動(dòng)能C質(zhì)子獲得的動(dòng)能小于氘核獲得的動(dòng)能質(zhì)子獲

12、得的動(dòng)能小于氘核獲得的動(dòng)能 D無(wú)法確定無(wú)法確定2m vB q vR由B q Rvm222122KBq REmvm2112222121KKEqmEqmA例3：回旋加速器D形盒中央為質(zhì)子流，D形盒間的交變電壓為U2104V，靜止質(zhì)子經(jīng)電場(chǎng)加速后，進(jìn)入D形盒，其最大軌道半徑R1m，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0.5T，質(zhì)子的質(zhì)量m1.671019C。問(wèn)：（1）質(zhì)子經(jīng)回旋加速器最后得到的動(dòng)能是多大？共加速了多少次？（2）交變電源的頻率是多大？動(dòng)能：1.9210-12J次數(shù)6.0102頻率：7.6106Hz 例例1：串列加速器是用來(lái)產(chǎn)生高能離子的裝置。圖中虛線框：串列加速器是用來(lái)產(chǎn)生高能離子的裝置。圖中虛線框內(nèi)為

13、其主體的原理示意圖，其中加速管的中部?jī)?nèi)為其主體的原理示意圖，其中加速管的中部b處有很高的正電處有很高的正電勢(shì)勢(shì)U，a、c兩端均有電極接地（電勢(shì)為零）?，F(xiàn)將速度很低的負(fù)兩端均有電極接地（電勢(shì)為零）?，F(xiàn)將速度很低的負(fù)一價(jià)碳離子從一價(jià)碳離子從a端輸入，當(dāng)離子到達(dá)端輸入，當(dāng)離子到達(dá)處時(shí)，可被設(shè)在處時(shí)，可被設(shè)在處的特處的特殊裝置將其電子剝離，成為殊裝置將其電子剝離，成為n價(jià)正離子，而不改變其速度大小。價(jià)正離子，而不改變其速度大小。這些正這些正n價(jià)碳離子從價(jià)碳離子從c端飛出后進(jìn)入一與其速度方向垂直的、磁端飛出后進(jìn)入一與其速度方向垂直的、磁感應(yīng)強(qiáng)度為感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，在磁場(chǎng)中做半徑為的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，在磁場(chǎng)中做半徑為R的圓周運(yùn)動(dòng)。的圓周運(yùn)動(dòng)。已知碳離子的質(zhì)量為已知碳離子的質(zhì)量為m=2.010-26kg，U=7.5105V，B=0.50T，n=2，基