第6节回旋加速器1.ppt

* 学习目标 1．知道回旋加速器的基本构造及工作原理． 2．知道加速器的基本用途． 在现代物理学中，为了研究物质的微观结构，人们往往利用能量很高的带电粒子作为“炮弹”，去轰击各种原子核，以观察它们的变化规律．怎样才能在实验室大量地产生高能量的带电粒子呢?这就要用到一种叫加速器的实验设备．同学们一定听说过北京正负电子对撞机吧，它就是我国于1989年初投入运行的第一台高能粒子加速器，它能使正负电子束流的能量分别达到28亿电子伏． 问：加速器究竟是怎样产生高能带电粒子的呢? 这就是今天我们要学习的课题．让我们以探索者的身份，从已有的基础知识出发，一起去寻求问题的答案吧! 1．直线性加速器 先请同学们思考：用什么方法可以加速带电粒子? 答：可以利用电场来加速． 问：根据图示条件，带电粒子被加速后获得了多少能量? 答：根据动能定理带电粒子获得的动能 问：由此看来，在带电粒子一定的条件下，要获得高能量的带电粒子，可采取什么方法? 答：带电粒子一定，即q、m一定，要使粒子获得的能量增大，可增大加速电场两极板间的电势差． 但是，在实际中能够达到的电压值总是有限的，不可能太高，因而用这种方法加速粒子，获得的能量很有限，一般只能达到几十万至几兆电子伏．我们能否设法突破电压的限制，使带电粒子获得更大的能量呢? 有一位同学想（如右图所示）是否可以多加几个电场，让带电粒子逐一通过它们． 大家认为这种设想有道理吗? 有一同学认为每个电场的电压就不必很高．尽管带电粒子每次得到的能量不是很大，但最后的总能量却可以达到EK=nqU，只要增加电场的数目n，就可以使粒子获得足够大的能量． 对．采用多个电场，使带电粒子实现多级加速，的确是突破电压限制的好方法．同 学们能提出这样富有创见的设想，十分可贵.但是，我们再仔细推敲一下它的可行性，按上图所示的方案，真能实现多级加速吗? 有一个学生认为这个方案不可能获得高能量的带电粒子!从图上可以看出，在相邻两级加速电场的中间，还夹着一个反向电场，当带电粒子通过它们时，将会受到阻碍作用． 此同学考虑问题很全面，他不但看到了加速电场这有利的一面，同时还注意到了存在减速电场这不利的一面．那么我们能否“兴利除弊”，设法把加速极板外侧的减速电场消除呢? 请大家联系已学的知识，要防止外界电场的干扰，可采用什么措施? 采用静电屏蔽． 对．我们可用金属圆筒代替原来的极板，将上图改成左下图所示．这样既可以在金属圆筒的间隙处形成加速电场，又使得圆筒内部的场强为零，从而消除了减速电场的不利影响． 再让我们讨论以下电源，为了简化装置，我们可以用一个公用电源来提供各级的加速电压， 将左上图改画成右上图所示．如果我们要加速一带正电的粒子，若电源的极性保持恒定(始终为A正B负），你认为这个粒子能“一路顺风”，不断加速吗? 不可能.因为按这样的极性,带电粒子在第一级电场中能得到加速，但到了下一级就会减速.粒子从加速电场得到的能量，将在减速电场中丧失殆尽． 我们有什么方法可解决这个矛盾呢? 如果能及时地改变电源的极性，就可以解决了． 好主意!你能对照上图具体说明一下这“及时”的含义吗? 设开始时，电源极性为A正B负，带电粒子在第一级电场中加速，当它穿过第一只圆 筒即将进入第二级电场时，电源极性应立即变为A负B正，使粒子又能继续加速．同理，当它穿过第二只圆筒刚要进入第三级电场时，电源又及时地改变极性… 分析正确．可见，为了实现带电粒子的多级加速，我们应该采用交变电源；并且电源极性的变化还必须与粒子的运动配合默契，步调一致，即满足同步条件，这是确保加速器正常工作的关键所在．那么，如何做到这一点呢?如果使交变电源以恒定的频率交替改变极性，能够满足同步条件吗? 不能满足．因为带电粒子加速之后的速度越来越大，若金属圆筒的长度相等，则它 每次穿越的时间就会越来越短．如要保证同步，电源频率应该越来越高才行． 谁还有不同的见解呢? 有同学认为电源频率恒定时，也有可能满足同步条件，只要使得金属圆筒的长度随着粒子速度的增大而相应地加长就行了． 上述两位同学的意见可谓异曲同工，都有可能满足同步条件．在具体实施时，人们一般采用的是后一种方案．很明显，实施这种方案的关键，在于合理地设计金属圆筒的长度．那么，各圆筒长度之间究竟应符合怎样的关系才行呢