带电粒子在匀强磁场中运动回旋加速器.ppt

思考题：回旋加速器D形盒中央为质子流，D形盒间的交变电压为U＝2×104V，静止质子经电场加速后，进入D形盒，其最大轨道半径R＝1m，磁场的磁感应强度B＝0.5T，质子的质量m＝1.67×10－19C。问： （1）质子经回旋加速器最后得到的动能是多大？共加速了多少次？ （2）交变电源的频率是多大？ 动能：1.92×10-12J 次数6.0×102 频率：7.6×106Hz 如何获得高能粒子呢？ 通过电场使带电粒子加速 + - 电场加速粒子带来的问题 一般情况下我轰击原子核需要的粒子的能 量很高，也就是说需要一个高速的粒子。 由 可知所需粒子速度越高，则加速电压就越高 猜想：多个电场加速 一级 二级 三级 n级 + - + - + - + - 早期的加速器只能使带电粒子在高压电场中加速一或两次，因而粒子所能达到的能量受到高压技术的限制。而且为了使带电粒子达到很高的速度，必然要经过多次加速，因此直线加速器得体积通常都较大 直线加速器 世界最大直线加速器：斯坦福大学直线加速器 2英里长的直线加速管 2英里长的直线加速管 多级直线加速器 缺点： 1加速装置很长，占地面积大； 2造价很高。 三、回旋加速器 能不能建造一种加速器，在较小的空间范围内让粒子受到多次加速获得所需要的能量呢？ 1932年美国科学家劳伦斯发明了回旋加器，巧妙地应用带电粒子在磁场中运动特点解决了这一问题。为此，劳伦斯于1939年获得了诺贝尔物理学奖。 直线加速器的缺点： 体积通常较大，占地面积大。 回旋加速器 构造：D形盒、强电磁铁、交流电源、粒子源、导出装置 用途：给粒子加速获得高能粒子 回旋加速器演示 受力与运动分析 D形盒内(电场被屏蔽） 粒子只受洛伦兹力作用，做匀速圆周运动，运动周期不变 两盒狭缝之间 不考虑磁场的影响，只考虑电场力作用，粒子在电场力作用下做加速运动。 电场作用：给带电粒子加速； 磁场作用：使带电粒子发生偏转； 加速条件：交流电的周期和带电粒子在磁 场中的圆周运动的周期相等。 1、带电粒子在两D形盒中回旋周期等于两盒狭缝之间高频电场的变化周期，粒子每经过一个周期，被电场加速多少次？ 2、设加速电压为U，粒子的电量为q，则每次加速增加的动能为 探究一：粒子在回旋加速器中运动时间 3、若粒子的电量为q，最终能量为E，加速电压为U，则回旋 圈数为 4、若每次加速时的电压为U，将带电粒子在狭缝之间的运动首尾连接起来可看成什么运动？ 一个初速度为零的匀加速直线运动 探究 5、D形盒的半径为R，两盒间距为d，质子在电场中加速次数与回旋半周的次数相同，加速电压大小可视为不变，比较：质子在电场中的加速时间与质子在D形盒中运动时间 在D形盒中回旋时间为 分析：设质子最终速度为v，加速次数为n п nпR t2 = nT/2 = v t1 = = 2nd v nd v/2 t1 t2 = 2d п R п 由于R远远大于d，故可忽略粒子在电场中运动时间 比较： 结论：粒子在加速器中运动总时间为 t总 = nT/2，n为加速次数 在电场中加速时间为 分析；对于同一回旋加速器，其粒子回旋的最大半径是相同的（回旋的最大半径等于D形盒的半径），设最大半径为R，最终能量为E。 结论：粒子的最终能量与加速电压无关，与回旋的最大半径有关。加速电压的高低只会影响加速次数，并不影响加速后的最大动能 探究二：粒子最终能量 思考：粒子的最终能量与加速电压有关吗？ 小结：回旋加速器 1、加速电场的周期等于回旋周期（交流电源的频率等于粒子做匀速圆周运动的频率。 2、粒子在电场中运动时间远小于在磁场中运动的时间，故粒子在回旋加速器中运动总时间可认为等于在磁场中运动时间。 4、在粒子的质量、电荷量确定的情节下，粒子所能达到的最大动能只与D形盒的半径R和磁感应强度B有关，与加速电压U无关。 3、粒子做匀速圆周运动的最大半径为D形盒的半径 为了把带电粒子加速到更高的能量，人们还设计了各种类型的新型加速器，如：同步加速器、电子感应加速器、串列加速器、电子对撞机等。 世界著名粒子加速器 世界最大直线加速器 马克II号探测器 退役的斯坦福直线对撞器的臂 对撞器实验大厅 欧洲同步辐射加速器（左图) 大型强子对撞机(LHC)有史以来 人为的最高能量粒子位于日内 瓦郊区瑞士与法国边界地下 的27公里长环形隧道中。 欧洲粒子物理研究中心(CERN) 建造中的粒子 加速器（左图） 粒子加速器的透视图 北京正负电子对撞机：能使电子束