高中物理论文加速器漫谈.doc

加 速 器 漫 谈 　 在当代物理学中，为了研究物质的微观结构，人们往往利用高能粒子束去轰击原子核，去观察它们的变化规律。获得高能粒子束方法有两种：一种来自宇宙射线，一种来自加速器。为此，物理学家从20世纪30年代开始，尤其是从50年代开始以来发明并建造了各种类型的大型加速器。本文拟对各种加速器工作原理作一简单介绍，并结合中学物理教学实际，对各种以加速器为背景的科技物理综合问题进行归纳。 一、直线加速器 带电粒子在电场中的加速，获得高能粒子是发明直线加速器的雏形。早期制成的加速器，就是用高压电源的电势差来加速带电粒子的。为了提高粒子的能量，经过不断改进直线加速器利用电场加速带电粒子，通过多级加速获得高能粒子，将电场以外的区域实行静电屏蔽，采用交变电源提供加速电压，同时电场交替变化与带电粒子运动应实现同步。例1为1988年全国高考中以直线加速器为背景编制科技物理综合题。 例1 N个长度逐个增大的金属圆筒和一个靶它们沿轴线排列成一串如图所示(图中只画出了六个圆筒,作为示意)各筒和靶相间地连接到频率为υ、最大电压值为U的正弦交流电源的两端整个装置放在高真空容器中圆筒的两底面中心开有小孔现有一电量为q、质量为m的正离子沿轴线射入圆筒并将在圆筒间及圆筒与靶间的缝隙处受到电场力的作用而加速(设圆筒内部没有电场)缝隙的宽度很小离子穿过缝隙的时间可以不计已知离子进入第一个圆筒左端的速度为v且此时第一、二两个圆筒间的电势差U1-2=-U。为使打到靶上的离子获得最大能量各个圆筒的长度应满足什么条件?并求出在这种情况下打到靶上的离子的能量为使正离子获得最大能量要求离子每次穿越缝隙时前一个圆筒的电势比后一个圆筒的电势高U这就要求离子穿过每个圆筒的时间都恰好等于交流电的半个周期由于圆筒内无电场离子在筒内做匀速运动设vn 解得 将(3)代入(2)得第n个圆筒的长度应满足的条件为n=1，2，3……N 打到靶上的离子的能量为。 直线加速器设备庞大，像美国斯坦福直线加速中心（SLAC）的流场为50μA的22GeV电子直线加速器长3kM。我国北京正、负电子对撞击注入器部分就是一个全长200多米的直线加速器。 二、回旋加速器 为了克服直线加速器缺点，实现在较小空间范围内让粒子受到多次电场加速呢？1932年美国物理物理学家劳伦斯发明了回旋加速器（1939年荣获诺贝尔物理学奖），巧妙地应用带电粒子在磁场中的运动特点解决了这一问题。 回旋加速器一方面使带电粒子作回旋运动，这是由磁场来实现的；另一方面带电粒子在回旋过程中不断地被加速，这是由电场来实现的。回旋加速器工作原理如图2所示。例2、例3是以回旋加速器为背景考查其原理和应用的综合题 例2 如图3所示为一回旋加速器的示意图，它的D形盒的最大半径为R，要把质量为m、电量为e的质子从静止加速到最后具有的能量为E。问： （1）为什么需要有磁场垂直于D形盒底面？在两D形盒间为什么需要电场？电场的方向应怎样变化？ （2）需要多大的垂直于D形电极磁感应强度B？ （3）设两D形盒两电极间的距离很小，以致质子通过两电极的缝隙的时间可以忽略，加速电压为U，求加速质子使其具有能量E共需多少时间？ 分析和解 （1）因为质子是平行D形盒底面进入D形盒，为了实现质子在盒内作圆周运动，所以要加垂直于D形盒底面的磁场。为了实现质子的加速，故要在D形盒两电极间加电场。由图2可知，质子在磁场中每经过半个周期要得到电场的一次加速，为此电场要随时间作周期性变化，则加在D形盒两电极之间的电场为交变电场，其变化频率f与圆周运动周期相等。 （2）由题意解得 （3）设经n次加速质子能量为E，则 nqU=E ① 解得 例3 如图4所示，相距为d的狭缝P、Q间存在着电场强度为E、但方向按一定规律变化匀强电场（电场方向始终与P、Q平面垂直）。狭缝两侧均有磁感强度大小为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场区，其区域足够大。某时刻从P平面处由静止释放一个质量为m、带电量为q的负电粒子（不计重力），粒子被加速后由A点进入Q平面右侧磁场区，以半径r1作圆周运动，并由A1点自右向左射出Q平面，此时电场恰好反向，使粒子再被加速而进入P平面左侧磁场区，作圆周运动，经半个周期后射出P平面PQ狭缝，电场方向又反向，粒子又被加速，……以后粒子每次到达PQ狭缝简，电场都恰好反向，使得粒子每次通过PQ间都被加速。设粒子自右向左穿过Q平面的位置分别是A1、A2、A3……An、…… （1）粒子第一次在Q右侧磁场区做圆周运动的半径r1有多大？ （2）设An与An+1间的距离小于，求n的值。 分析和解 （1）粒子从P平面上一点由静止释放，经电场加速后进入平面Q是的速度为v1，根据动能定理有 ① 粒子在Q右侧匀强磁场内圆轨道半径为r1，有