第6节回旋加速器

六、回旋加速器六、回旋加速器 涌借鼓男尽向逗夕庚澡歹杭卵谦格办盒适渡抵震去踌陷汗抱故哈菠讳掀恍第6节回旋加速器第6节回旋加速器一、直线加速器一、直线加速器方案一：利用电场加速方案一：利用电场加速 可知电压越高，粒子获得的能量越可知电压越高，粒子获得的能量越高，速度越大，但电压不可能无限制地提高，速度越大，但电压不可能无限制地提高（为什么？）高（为什么？）Umq-雅特曳喉磷笋傅朗居脑襟畴蚀如掘郁匪啮香段歧挟猜肺正酣曾机槛赞尚林第6节回旋加速器第6节回旋加速器由动能定理得带电粒子经n极的电场加速后增加的动能为：3直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制剥绒壤雨芽压旱愤往寅养祁哼楷等弦片豹番宾靖辊三田眼嘴爬帅陵历珠汕第6节回旋加速器第6节回旋加速器方案二：多级电场加速方案二：多级电场加速UmqUU-+一一级级二二级级三三级级P1P2P3P4P5P6-n级级U-+-+-+PnPn+1各加速区的两板间采用独立电源各加速区的两板间采用独立电源各加速区的两板间采用独立电源各加速区的两板间采用独立电源mq-采用一个公用电源采用一个公用电源 电源极性不能恒定，必须电源极性不能恒定，必须及时及时地改变电源的极性，可采地改变电源的极性，可采用高频交变电源且要求电源极用高频交变电源且要求电源极性变化必须与粒子运动配合默性变化必须与粒子运动配合默契，步调一致，即满足契，步调一致，即满足同步条同步条件件，这是确保加速器正常工作，这是确保加速器正常工作的关键所在的关键所在 为了满足为了满足同步条件同步条件，在筒，在筒长不变时，高频交变电源的频长不变时，高频交变电源的频率要越来越高，或电源频率不率要越来越高，或电源频率不变，圆筒要相应加长变，圆筒要相应加长屉书绦蔬茎肿铲叹爆信入追对锐涎咬几粱饲紊假恬咒悦纲尚衰主腥缺屿茵第6节回旋加速器第6节回旋加速器二、回旋加速器 11932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，实现了在较小的空间范围内进行多级加速2工作原理：利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子，这些过程在回旋加速器的核心部件两个D形盒和其间的窄缝内完成，平睡珐纶赠侵诉腹赵貉柳状咙嗜通仲阮炯徽疏睹召潍捐骗着铆舟酵坛捆羽第6节回旋加速器第6节回旋加速器【例【例】N个长度逐个增大的金属圆筒和一个靶，它们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，如图所示沿轴线排列成一串，如图所示(图中只画出了六个圆筒图中只画出了六个圆筒,作为示意作为示意)。各筒和靶相间地连接到频率为。各筒和靶相间地连接到频率为、最大电、最大电压值为压值为U的正弦交流电源的两端。整个装置放在高真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。现有一电量空容器中，圆筒的两底面中心开有小孔。现有一电量为为q、质量为、质量为m的正离子沿轴线射入圆筒，并将在圆筒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间及圆筒与靶间的缝隙处受到电场力的作用而加速(设设圆筒内部没有电场圆筒内部没有电场)。缝隙的宽度很小，离子穿过缝隙。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的时间可以不计。已知离子进入第一个圆筒左端的速度为度为v1，且此时第一、二两个圆筒间的电势差，且此时第一、二两个圆筒间的电势差U1-U2=-U。为使打到靶上的离子获得最大能量，各个圆筒的。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长度应满足什么条件?并求出在这种情况下打到靶上的并求出在这种情况下打到靶上的离子的能量。离子的能量。分析与解：分析与解：为使正离子获得最大为使正离子获得最大能量，要求离子每次穿越缝隙时，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前一个圆筒的电势比后一个圆筒的电势高的电势高U，这就要求离子穿过，这就要求离子穿过每个圆筒的时间都恰好等于交流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。设场，离子在筒内做匀速运动。设vn 为离子在第为离子在第n个圆筒内的速度，个圆筒内的速度，则有则有草穗梭取谴俩仟沈栋寺氢浸躺感乐嘿半鸽狂笋染钮钨开颇孟于粤尖澈施牵第6节回旋加速器第6节回旋加速器点击下图观看回旋加速器原理讲解坐煮槛酌友晶茁驴洒邑吃次彦猪阉姜茅乳迪淋囤狞熙生芭刃芳问椅必职攀第6节回旋加速器第6节回旋加速器（1 1）磁磁场场的的作作用用：带带电电粒粒子子以以某某一一速速度度垂垂直直磁磁场场方方向向进进入入匀匀强强磁磁场场后后，并并在在洛洛伦伦兹兹力力作作用用下下做做匀匀速速圆圆周周运运动动，其其周周期期和和速速率率、半半径径均均无无关关，带带电电粒粒子子每每次次进进入入D形形盒盒都都运运动动相相等等的的时时间间（半半个个周周期期）后后平平行行电电场场方向进入电场中加速方向进入电场中加速泛泅吴帆露撂杯铁储兴绎圆急赞埋塔敞舷间方赶秉医梨唯鸣鲸橇厩秦弦哨第6节回旋加速器第6节回旋加速器（2 2）电电场场的的作作用用：回回旋旋加加速速器器的的两两个个D形形盒盒之之间间的的窄窄缝缝区区域域存存在在周周期期性性变变化化的的并并垂垂直直于于两两D形形盒盒正正对对截截面面的的匀匀强强电电场，带电粒子经过该区域时被加速场，带电粒子经过该区域时被加速孵红纳哨酒场铂皇煞食恿抗谎霉腺判汪失联议症痘贮亦当呸颠震蘑凝漳戌第6节回旋加速器第6节回旋加速器（3 3）交交变变电电压压：为为了了保保证证带带电电粒粒子子每每次次经经过过窄窄缝缝时时都都被被加加速速，使使之之能能量量不不断断提提高高，须须在在窄窄缝缝两两侧侧加加上上跟跟带带电电粒粒子子在在D形盒中运动周期相同的交变电压形盒中运动周期相同的交变电压抑翰碌霸爵贵帆唤薯篡搀晶枕迫启沿菲狼踢各洱还璃逝偷辑撼她赋馆首治第6节回旋加速器第6节回旋加速器3 3带电粒子的最终能量带电粒子的最终能量当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由由r=mv/qB得得v=rqB/m，若若D形盒的半径为形盒的半径为R，则，则带电粒子的最终动能：带电粒子的最终动能：所以，要提高加速粒子的最终能量，应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R 派窥降膳邢好哮迹伟幽惧绳檬吊第泥讶郎运勒联雕训剖痴休珊鬼吓卖崇捍第6节回旋加速器第6节回旋加速器例：为什么带电粒子经回旋加速器加速后的最例：为什么带电粒子经回旋加速器加速后的最终能量与加速电压无关？终能量与加速电压无关？解析解析：加速电压越高，带电粒子每次加速的动能增量越大，回旋半径也增加越多，导致带电粒子在D形盒中的回旋次数越少；反之，加速电压越低，粒子在D形盒中回旋的次数越多，可见加速电压的高低只影响带电粒子加速的总次数，并不影响引出时的速度和相应的动能，由 可知，增强B和增大R可提高加速粒子的最终能量，与加速电压高低无关自哪孽唇卫蘸顷逗逾兄向弊焚裳孜箩痒夜瘫詹裂咏键浮共酌这垃霹孵贺挤第6节回旋加速器第6节回旋加速器小结：小结：回旋加速器利用两D形盒窄缝间的电场使带电粒子加速，利用D形盒内的磁场使带电粒子偏转，带电粒子所能获得的最终能量与B和R有关，与U无关夜拎增其诬春租捍寇豁末萎逆惕祝振篙璃庞晨然冉钳惦她能枷涕眉侗缝湾第6节回旋加速器第6节回旋加速器