回旋加速器及習(xí)題訓(xùn)練課件

第5節(jié)洛倫茲力的應(yīng)用

——回旋加速器回旋加速器及習(xí)題訓(xùn)練一、回旋加速器的特點(diǎn)兩D形盒間縫隙有高頻交變電場(chǎng).兩D形盒中有強(qiáng)大的磁場(chǎng)無(wú)電場(chǎng).回旋加速器及習(xí)題訓(xùn)練回旋加速器及習(xí)題訓(xùn)練二、回旋加速器的加速原理電場(chǎng)使粒子加速，磁場(chǎng)使粒子回旋.粒子回旋的周期不隨半徑改變.粒子在一個(gè)周期加速兩次.保證粒子始終被加速,交變電場(chǎng)的周期與粒子回旋的周期有什么樣的關(guān)系？回旋加速器及習(xí)題訓(xùn)練Ut5回旋加速器及習(xí)題訓(xùn)練二、回旋加速器的加速原理電場(chǎng)使粒子加速，磁場(chǎng)使粒子回旋.粒子回旋的周期不隨半徑改變.粒子在一個(gè)周期加速兩次.交變電場(chǎng)的周期與粒子回旋的周期相等，保證粒子始終被加速.回旋加速器及習(xí)題訓(xùn)練1.粒子能回旋加速的條件？2.粒子回旋加速后的最大速度和最大動(dòng)能？三、回旋加速器中的基本問(wèn)題假設(shè)由你來(lái)設(shè)計(jì)一臺(tái)回旋加速度器，要求能使帶電粒子獲得更高的能量，你打算采用哪些措施？提高電源電壓？加大D形盒的半徑？增加磁感應(yīng)強(qiáng)度？7回旋加速器及習(xí)題訓(xùn)練美國(guó)物理學(xué)家勞倫斯1932年，美國(guó)物理學(xué)家勞倫斯正是沿著與上述相仿的巧妙思路，發(fā)明了回旋加速器，從而使人類在獲得具有較高能量的粒子方面邁進(jìn)了一大步。為此，勞倫斯獲得了1939年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?；匦铀倨骷傲?xí)題訓(xùn)練9回旋加速器及習(xí)題訓(xùn)練1.粒子能回旋加速的條件？2.粒子回旋加速后的最大速度和最大動(dòng)能？3.粒子回旋加速的時(shí)間？（忽略電場(chǎng)中加速的時(shí)間）三、回旋加速器中的基本問(wèn)題回旋加速器及習(xí)題訓(xùn)練1.

1930年勞倫斯制成了世界上第一臺(tái)回旋加速器，其原理如圖所示，這臺(tái)加速器由兩個(gè)銅質(zhì)D形合D1、D2構(gòu)成，其間留有空隙，下列說(shuō)法正確的是()A．離子由加速器的中心附近進(jìn)入加速器B．離子由加速器的邊緣進(jìn)入加速器C．離子從磁場(chǎng)中獲得能量D．離子從電場(chǎng)中獲得能量即時(shí)突破小試牛刀答案：AD回旋加速器及習(xí)題訓(xùn)練2．回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其核心部分是分別與高頻交流電源兩極相連接的兩個(gè)D形金屬盒兩盒間的狹縫中形成周期性變化的電場(chǎng)，使粒子在通過(guò)狹縫時(shí)都能得到加速，兩D形金屬盒處于垂直于盒底的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，如圖所示．設(shè)D形盒半徑為R．若用回旋加速器加速質(zhì)子時(shí)，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，高頻交流電頻率為f.則下列說(shuō)法正確的是（）A.質(zhì)子被加速后的最大速度不可能超過(guò)2πfRB.質(zhì)子被加速后的最大速度與加速電場(chǎng)的電壓大小無(wú)關(guān)C.只要R足夠大，質(zhì)子的速度可以被加速到任意值D.不改變B和f，該回旋加速器也能用于加速α粒子答案：AB回旋加速器及習(xí)題訓(xùn)練3.回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其核心部分是分別與高頻交流電極相連接的兩個(gè)D形金屬盒，兩盒間的狹縫中形成的周期性變化的電場(chǎng)，使粒子在通過(guò)狹縫時(shí)都能得到加速，兩D形金屬盒處于垂直于盒底的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，如圖所示，要增大帶電粒子射出時(shí)的動(dòng)能，則下列說(shuō)法中正確的是(

)A．增大勻強(qiáng)電場(chǎng)間的加速電壓B．增大磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度C．減小狹縫間的距離D．增大D形金屬盒的半徑答案：BD回旋加速器及習(xí)題訓(xùn)練4.兩個(gè)相同的回旋加速器,分別接在加速電壓為U1和U2的高頻交流電源上，且U2＝2U1，有兩個(gè)相同的帶電粒子分別在這兩個(gè)加速器中運(yùn)動(dòng)，設(shè)兩個(gè)粒子在加速器中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間分別為t1和t2，獲得的最大動(dòng)能分別為Ek1和Ek2，則有（）A．t1=t2

，Ek1=Ek2B．t1=t2

，Ek1<Ek2

C．t1>t2

，Ek1=Ek2D．t1>t2

，Ek1<Ek2答案：C回旋加速器及習(xí)題訓(xùn)練5.1932年，勞倫斯和利文斯設(shè)計(jì)出了回旋加速器。回旋加速器的工作原理如圖所示，置于高真空中的D形金屬盒半徑為R，兩盒間的狹縫很小，帶電粒子穿過(guò)的時(shí)間可以忽略不計(jì)。磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)與盒面垂直。A處粒子源產(chǎn)生的粒子，質(zhì)量為m、電荷量為+q

，在加速器中被加速，加速電壓為U。加速過(guò)程中不考慮相對(duì)論效應(yīng)和重力作用。（1）求粒子第2次和第1次經(jīng)過(guò)兩D形盒間狹縫后軌道半徑比；（2）求粒子從靜止開始加速到出口處所需的時(shí)間t；回旋加速器及習(xí)題訓(xùn)練（2）試推證當(dāng)R>>d時(shí)，質(zhì)子在電場(chǎng)中加速的總時(shí)間相對(duì)于在D形盒中回旋的總時(shí)間可忽略不計(jì)（質(zhì)子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，不考慮磁場(chǎng)的影響）.回旋加速器及習(xí)題訓(xùn)練6.正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層（PET）是分子水平上的人體功能顯像的國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)，它為臨床診斷和治療提供了全新的手段.（1）PET所用回旋加速器示意圖如圖示，其中置于高真空中的金屬D形盒的半徑為R，兩盒間距為d，在左側(cè)D形盒圓心處放有粒子源S，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，方向如圖所示.質(zhì)子質(zhì)量為m，電荷量為q.設(shè)質(zhì)子從粒子源S進(jìn)入加速電場(chǎng)時(shí)的初速度不計(jì)，質(zhì)子在加速器中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間為t（其中已略去了質(zhì)子在加速電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間），質(zhì)子在電場(chǎng)中的加速次數(shù)與回旋半周的次數(shù)相同，加速電子時(shí)的電壓大小可視為不變.求此加速器所需的高頻電源頻率f和加速電壓U.回旋加速器及習(xí)題訓(xùn)練回旋加速器中磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，D形盒的直徑為d，用該回旋加速器加速質(zhì)量為m、電量為q的粒子，設(shè)粒子加速前的初速度為零。求：（1）粒子的回旋周期是多大？（2）高頻電極的頻率為多大？（3）粒子的最大速度、最大動(dòng)能各是多大？（4）設(shè)兩D形盒間電場(chǎng)的電勢(shì)差為U，求加速到上述能量所需的時(shí)間．(不計(jì)粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間)例1回旋加速器及習(xí)題訓(xùn)練粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)周期是否變化？電場(chǎng)變化周期與粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)周期的關(guān)系？電場(chǎng)一個(gè)周期中方向變化幾次？粒子每一個(gè)周期加速幾次？粒子加速的最大速度由哪些量決定？粒子在電場(chǎng)加速過(guò)程中時(shí)間是否可忽略？只有回旋加速器的半徑足夠大，粒子是否可被加速到任意值？小結(jié)粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)