經(jīng)典(上課專用)：回旋加速器

第六節(jié)回旋(huíxuán)加速器回旋(huíxuán)加速器共二十七頁1、帶電粒子在磁場(cíchǎng)中的運動一個帶電粒子分別以平行和垂直于磁場方向的初速度進(jìn)入勻強磁場，它在磁場中各做什么(shénme)運動？“平行”進(jìn)入：做勻速直線運動“垂直”進(jìn)入：做勻速圓周運動若帶電粒子質(zhì)量為m，電荷量為q，粒子以垂直于磁場的初速度v進(jìn)入勻強磁場，已知磁場的磁感應(yīng)強度為B。半徑和周期是多少？半徑：R＝mvqB周期：T＝2πmqB半徑與速度大小成正比，周期與速度大小無關(guān)！復(fù)習(xí)共二十七頁UV0V1如何使電子獲得(huòdé)較大能量？2、帶電粒子在電場中運動(yùndòng)情況設(shè)加速電壓為U，電子經(jīng)加速后增加的能量是多少？共二十七頁·＋－Umq一級二級三級＋－U＋－U＋－U……n級粒子(lìzǐ)獲得的能量：E=nqU多級加速(jiāsù)勻速直線運動加速運動共二十七頁在現(xiàn)代物理學(xué)中，人們要用能量很高的帶電粒子去轟擊各種原子核，觀察它們的變化情況。怎樣才能在實驗室大量(dàliàng)產(chǎn)生高能量的帶電粒子呢？這里介紹一種常用的實驗設(shè)備-------加速器引入新課共二十七頁金屬圓筒內(nèi)場強為零，粒子在圓筒內(nèi)做勻速直線運動(yùndòng)，在圓筒間縫間做加速運動(yùndòng)。一、直線(zhíxiàn)加速器Why?如圖所示，直線加速器是使粒子在一條直線裝置上被加速.共二十七頁

電源為交流電源，當(dāng)離子在各筒內(nèi)穿過的時間都為t=T/2時，離子才有可能每次通過圓筒間縫隙(fèngxì)都被加速.思考(sīkǎo)共二十七頁早期的加速器只能(zhīnénɡ)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(zhíxiàn)加速器共二十七頁世界(shìjiè)最大直線加速器：斯坦福大學(xué)直線加速器共二十七頁2英里長的直線(zhíxiàn)加速管2英里(yīnglǐ)長的直線加速管共二十七頁二、回旋(huíxuán)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(lìzǐ)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(xué)獎。直線加速器的缺點：體積通常較大，占地面積大。共二十七頁共二十七頁回旋(huíxuán)加速器共二十七頁受力與運動(yùndòng)分析D形盒內(nèi)(電場(diànchǎng)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。共二十七頁1、帶電粒子在兩D形盒中回旋周期等于兩盒狹縫(xiáfénɡ)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(shè)加速電壓為U，粒子(lìzǐ)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共二十七頁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(huíxuán)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間與質(zhì)子在D形盒中運動時間在D形盒中回旋(huíxuán)時間為分析：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動時間比較：結(jié)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共二十七頁分析；對于同一回旋加速器，其粒子回旋的最大半徑是相同(xiānɡtónɡ)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(huíxuán)的最大半徑有關(guān)。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(guān)嗎？共二十七頁小結(jié)(xiǎojié)：回旋加速器1、加速(jiāsù)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(yuǎn)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(rèn)為等于在磁場中運動時間。4、在粒子的質(zhì)量、電荷量確定的情節(jié)下，粒子所能達(dá)到的最大動能只與D形盒的半徑R和磁感應(yīng)強度B有關(guān)，與加速電壓U無關(guān)。3、粒子做勻速圓周運動的最大半徑為D形盒的半徑共二十七頁回旋(huíxuán)加速器的局限性若D形盒的半徑為R，則粒子所能獲得的最大速度為Vmax=BRq/m。為了使粒子獲得較高的能量，通常要加大加速電磁鐵的重量和D形盒的直徑。

不過由于相對論的效應(yīng)，當(dāng)粒子的速度太大時，m不再是常量(chángliàng)，從而回旋共振周期將隨粒子的速率的增長而增長，如果加于D形盒兩極的交變電場頻率不變的話，粒子由于每次遲到一點而不能保證總被加速，所以粒子不能無限被加速?；匦铀倨骷铀倭Ｗ幽芰孔罡邇H能達(dá)到20MeV。而對于直線多級加速器，由于粒子是在一條直線形裝置上被加速的，不存在上述困難。這種多級裝置在過去沒有條件建造，現(xiàn)在已經(jīng)建造出來，長達(dá)幾公里至幾十分里，可將粒子的能量加速到2000GeV。共二十七頁

為了把帶電粒子加速到更高的能量，人們還設(shè)計了各種類型的新型加速器，如：同步(tóngbù)加速器、電子感應(yīng)加速器、串列加速器、電子對撞機等。世界著名(zhùmíng)粒子加速器共二十七頁北京(běijīnɡ)正負(fù)電子對撞機：能使電子束能量達(dá)到3GeV左右共二十七頁美國(měiɡuó)費米加速器實驗室共二十七頁

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(fǎɡuó)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(xué)家參與這一研究項目。共二十七頁思考題：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(cíchǎng)的磁感應(yīng)強度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能是多大？共加速了多少次？（2）交變電源的頻率是多大？動能(dòngnéng)：1.92×10-12J次數(shù)6.0×102頻率：7.6×106Hz共二十七頁例2：關(guān)于回旋加速器中電場(diànchǎng)和磁場的作用的敘述，正確的是()A、電場和磁場都對帶電粒子起加速作用B、電場和磁場是交替地對帶電粒子做功的C、只有電場能對帶電粒子起加速作用D、磁場的作用是使帶電粒子在D形盒中做勻速圓周運動CD共二十七頁1212例1：串列加速器是用來產(chǎn)生高能離子的裝置。圖中虛線框內(nèi)為其主體的原理示意圖，其中加速管的中部b處有很高的正電勢U，a、c兩端均有電極接地（電勢為零）?，F(xiàn)將速度很低的負(fù)一價碳離子從a端輸入，當(dāng)離子到達(dá)ｂ處時，可被設(shè)在ｂ處的特殊裝置將其電子剝離，成為n價正離子，而不改變其速度大小。這些正n價碳離子從c端飛出后進(jìn)入一與其速度方向垂直的、磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，在磁場中做半徑(bànjìng)為R的圓周運動。已知碳離子的質(zhì)量為m=2.0×10-26kg，U=7.5×105V，B=0.50T，n=2，基元電荷e=1.6×10-19C，求R。解：設(shè)碳離子到達(dá)b處時的速度為v1

從c端射出時的速度為v2，

由動能定理得：

eU=mv12/2，neU

=mv22/2－mv12/2，

進(jìn)入(jìnrù)磁場后，碳離子做圓周運動，

R=mv2/Bne，得=0.75m]

abc加速管加速管abC

加速管

加速管共二十七頁內(nèi)容(nèiróng)總結(jié)第六節(jié)回旋加速器。一個帶電粒子分別