帶電粒子在勻強磁場中運動回旋加速器

帶電粒子在勻強磁場中運動回旋加速器第1頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一如何獲得高能粒子呢？通過電場使帶電粒子加速

+-第2頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一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3頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一猜想：多個電場加速一級二級三級n級+-+-+-+-第4頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一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，因而粒子所能達到的能量受到高壓技術的限制。而且為了使帶電粒子達到很高的速度，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5頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一世界最大直線加速器：斯坦福大學直線加速器第6頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一2英里長的直線加速管2英里長的直線加速管第7頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一多級直線加速器缺點：1加速裝置很長，占地面積大；2造價很高。討論第8頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一三、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年美國科學家勞倫斯發(fā)明了回旋加器，巧妙地應用帶電粒子在磁場中運動特點解決了這一問題。為此，勞倫斯于1939年獲得了諾貝爾物理學獎。直線加速器的缺點：體積通常較大，占地面積大。第9頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一第10頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一回旋加速器第11頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一構造：D形盒、強電磁鐵、交流電源、粒子源、導出裝置用途：給粒子加速獲得高能粒子回旋加速器演示第12頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一第13頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一受力與運動分析D形盒內(nèi)(電場被屏蔽）粒子只受洛倫茲力作用，做勻速圓周運動，運動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動。第14頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一電場作用：給帶電粒子加速；磁場作用：使帶電粒子發(fā)生偏轉；加速條件：交流電的周期和帶電粒子在磁場中的圓周運動的周期相等。原理第15頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一1、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)過一個周期，被電場加速多少次？2、設加速電壓為U，粒子的電量為q，則

每次加速增加的動能為

探究一：粒子在回旋加速器中運動時間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、若每次加速時的電壓為U，將帶電粒子在狹縫之間的運動首尾連接起來可看成什么運動？一個初速度為零的勻加速直線運動探究第16頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一5、D形盒的半徑為R，兩盒間距為d，質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：質子在電場中的加速時間與質子在D形盒中運動時間在D形盒中回旋時間為分析：設質子最終速度為v，加速次數(shù)為nпnпRt2=nT/2=vt1==2ndvndv/2t1t2=2dпRп由于R遠遠大于d，故可忽略粒子在電場中運動時間比較：結論：粒子在加速器中運動總時間為t總=nT/2，n為加速次數(shù)在電場中加速時間為第17頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一分析；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），設最大半徑為R，最終能量為E。結論：粒子的最終能量與加速電壓無關，與回旋的最大半徑有關。加速電壓的高低只會影響加速次數(shù)，并不影響加速后的最大動能探究二：粒子最終能量思考：粒子的最終能量與加速電壓有關嗎？第18頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一小結：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動的頻率。2、粒子在電場中運動時間遠小于在磁場中運動的時間，故粒子在回旋加速器中運動總時間可認為等于在磁場中運動時間。4、在粒子的質量、電荷量確定的情節(jié)下，粒子所能達到的最大動能只與D形盒的半徑R和磁感應強度B有關，與加速電壓U無關。3、粒子做勻速圓周運動的最大半徑為D形盒的半徑第19頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一

為了把帶電粒子加速到更高的能量，人們還設計了各種類型的新型加速器，如：同步加速器、電子感應加速器、串列加速器、電子對撞機等。世界著名粒子加速器第20頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一世界最大直線加速器

第21頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一馬克II號探測器

第22頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一退役的斯坦福直線對撞器的臂

第23頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一對撞器實驗大廳

第24頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一歐洲同步輻射加速器（左圖)

第25頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一大型強子對撞機(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26頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一建造中的粒子加速器（左圖）第27頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一粒子加速器的透視圖第28頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一北京正負電子對撞機：能使電子束能量達到3GeV左右第29頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一美國費米加速器實驗室第30頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一

歐洲大型強子對撞機（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。大型強子對撞機2003年開始修建，將近80個國家和地區(qū)的2000多名科學家參與這一研究項目。第31頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一

人類對于未知世界的探索，從未也永遠不會有止境。在浩瀚的知識海洋中，還有很多未知的島嶼等著我們。第32頁，共34頁，2023年，2月20日，星期一思考題：回旋加速器D形盒中央為質子流，D形盒間的交變電壓為U＝2×104V，靜止質子經(jīng)電場加速后，進入D形盒，其最大軌道半徑R＝1m，磁場的磁感應強度B＝0.5T，質子的質量m＝1.67×10－19C。問：（1）質子經(jīng)回旋加速器最后得到的動能是多大？共加速了多少次？（2）交變電源的頻率是多大？動能：1.92×10-12J次數(shù)6.0×102頻率：7.6×106Hz第33頁，共34頁，2023年，2月20日