帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動(dòng)-回旋加速器

關(guān)于帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動(dòng)-回旋加速器第一頁，共三十五頁，2022年，8月28日如何獲得高能粒子呢？通過電場使帶電粒子加速

+-第二頁，共三十五頁，2022年，8月28日電場加速粒子帶來的問題一般情況下我轟擊原子核需要的粒子的能量很高，也就是說需要一個(gè)高速的粒子。由可知所需粒子速度越高，則加速電壓就越高第三頁，共三十五頁，2022年，8月28日猜想：多個(gè)電場加速一級(jí)二級(jí)三級(jí)n級(jí)+-+-+-+-第四頁，共三十五頁，2022年，8月28日早期的加速器只能使帶電粒子在高壓電場中加速一或兩次，因而粒子所能達(dá)到的能量受到高壓技術(shù)的限制。而且為了使帶電粒子達(dá)到很高的速度，必然要經(jīng)過多次加速，因此直線加速器得體積通常都較大

直線加速器第五頁，共三十五頁，2022年，8月28日世界最大直線加速器：斯坦福大學(xué)直線加速器第六頁，共三十五頁，2022年，8月28日2英里長的直線加速管2英里長的直線加速管第七頁，共三十五頁，2022年，8月28日多級(jí)直線加速器缺點(diǎn)：1加速裝置很長，占地面積大；2造價(jià)很高。討論第八頁，共三十五頁，2022年，8月28日三、回旋加速器能不能建造一種加速器，在較小的空間范圍內(nèi)讓粒子受到多次加速獲得所需要的能量呢？1932年美國科學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加器，巧妙地應(yīng)用帶電粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)解決了這一問題。為此，勞倫斯于1939年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。直線加速器的缺點(diǎn)：體積通常較大，占地面積大。第九頁，共三十五頁，2022年，8月28日第十頁，共三十五頁，2022年，8月28日回旋加速器第十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日構(gòu)造：D形盒、強(qiáng)電磁鐵、交流電源、粒子源、導(dǎo)出裝置用途：給粒子加速獲得高能粒子回旋加速器演示第十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日第十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日受力與運(yùn)動(dòng)分析D形盒內(nèi)(電場被屏蔽）粒子只受洛倫茲力作用，做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)周期不變兩盒狹縫之間不考慮磁場的影響，只考慮電場力作用，粒子在電場力作用下做加速運(yùn)動(dòng)。第十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日電場作用：給帶電粒子加速；磁場作用：使帶電粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)；加速條件：交流電的周期和帶電粒子在磁場中的圓周運(yùn)動(dòng)的周期相等。原理第十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日1、帶電粒子在兩D形盒中回旋周期等于兩盒狹縫之間高頻電場的變化周期，粒子每經(jīng)過一個(gè)周期，被電場加速多少次？2、設(shè)加速電壓為U，粒子的電量為q，則

每次加速增加的動(dòng)能為

探究一：粒子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)時(shí)間3、若粒子的電量為q，最終能量為E，加速電壓為U，則回旋圈數(shù)為4、若每次加速時(shí)的電壓為U，將帶電粒子在狹縫之間的運(yùn)動(dòng)首尾連接起來可看成什么運(yùn)動(dòng)？一個(gè)初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)探究第十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日5、D形盒的半徑為R，兩盒間距為d，質(zhì)子在電場中加速次數(shù)與回旋半周的次數(shù)相同，加速電壓大小可視為不變，比較：質(zhì)子在電場中的加速時(shí)間與質(zhì)子在D形盒中運(yùn)動(dòng)時(shí)間在D形盒中回旋時(shí)間為分析：設(shè)質(zhì)子最終速度為v，加速次數(shù)為nпnпRt2=nT/2=vt1==2ndvndv/2t1t2=2dпRп由于R遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于d，故可忽略粒子在電場中運(yùn)動(dòng)時(shí)間比較：結(jié)論：粒子在加速器中運(yùn)動(dòng)總時(shí)間為t總

=nT/2，n為加速次數(shù)在電場中加速時(shí)間為第十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日分析；對于同一回旋加速器，其粒子回旋的最大半徑是相同的（回旋的最大半徑等于D形盒的半徑），設(shè)最大半徑為R，最終能量為E。結(jié)論：粒子的最終能量與加速電壓無關(guān)，與回旋的最大半徑有關(guān)。加速電壓的高低只會(huì)影響加速次數(shù)，并不影響加速后的最大動(dòng)能探究二：粒子最終能量思考：粒子的最終能量與加速電壓有關(guān)嗎？第十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日小結(jié)：回旋加速器1、加速電場的周期等于回旋周期（交流電源的頻率等于粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的頻率。2、粒子在電場中運(yùn)動(dòng)時(shí)間遠(yuǎn)小于在磁場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，故粒子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)總時(shí)間可認(rèn)為等于在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)間。4、在粒子的質(zhì)量、電荷量確定的情節(jié)下，粒子所能達(dá)到的最大動(dòng)能只與D形盒的半徑R和磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)，與加速電壓U無關(guān)。3、粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的最大半徑為D形盒的半徑第十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日

為了把帶電粒子加速到更高的能量，人們還設(shè)計(jì)了各種類型的新型加速器，如：同步加速器、電子感應(yīng)加速器、串列加速器、電子對撞機(jī)等。世界著名粒子加速器第二十頁，共三十五頁，2022年，8月28日世界最大直線加速器

第二十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日馬克II號(hào)探測器

第二十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日退役的斯坦福直線對撞器的臂

第二十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日對撞器實(shí)驗(yàn)大廳

第二十四頁，共三十五頁，2022年，8月28日歐洲同步輻射加速器（左圖)

第二十五頁，共三十五頁，2022年，8月28日大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)有史以來人為的最高能量粒子位于日內(nèi)瓦郊區(qū)瑞士與法國邊界地下的27公里長環(huán)形隧道中。歐洲粒子物理研究中心(CERN)第二十六頁，共三十五頁，2022年，8月28日建造中的粒子加速器（左圖）第二十七頁，共三十五頁，2022年，8月28日粒子加速器的透視圖第二十八頁，共三十五頁，2022年，8月28日北京正負(fù)電子對撞機(jī)：能使電子束能量達(dá)到3GeV左右第二十九頁，共三十五頁，2022年，8月28日美國費(fèi)米加速器實(shí)驗(yàn)室第三十頁，共三十五頁，2022年，8月28日

歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）是世界上最大的粒子加速器，建于瑞士和法國邊境地區(qū)地下100米深處的環(huán)形隧道中，隧道全長26.659公里。大型強(qiáng)子對撞機(jī)2003年開始修建，將近80個(gè)國家和地區(qū)的2000多名科學(xué)家參與這一研究項(xiàng)目。第三十一頁，共三十五頁，2022年，8月28日

人類對于未知世界的探索，從未也永遠(yuǎn)不會(huì)有止境。在浩瀚的知識(shí)海洋中，還有很多未知的島嶼等著我們。第三十二頁，共三十五頁，2022年，8月28日思考題：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U＝2×104V，靜止質(zhì)子經(jīng)電場加速后，進(jìn)入D形盒，其最大軌道半徑R＝1m，磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝0.5T，質(zhì)子的質(zhì)量m＝1.67×10－19C。問：（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：1.92×10-12J次數(shù)6.0×102頻率：7.6×106Hz第三十三頁，共三十五頁，2022年，8月28日

例2：關(guān)于回旋加速器中電場和磁場的作用的敘述，正確的