1、回旋加速器的工作原理 .
如图1所示,在图中的真空室里有两个铜质D形盒D1、D2,其间留有一个空隙,并加以高频交变电流,且使高频电流的周期与带电粒子在D形盒中的运动周期相同。离子源处于中心O附近,匀强磁场垂直穿过D形盒表面。由于D形盒屏蔽了电场,所以带电粒子在D形盒中只受洛伦兹力的作用而做匀速圆周运动,运动半周后带电粒子到达两D形盒窄缝,并被窄缝间的电场加速,加速后的带电粒子进入另一D形盒,由粒子在洛伦兹力的作用下做圆周运动的半径公式知,它运动的半径将增大,由运动的周期公式可知,其运动周期与运动速度无关,即它运动的周期不变,它运动半个周期后又达到窄缝再次被加速,如此继续下去,带电粒子不断地被加速,在D形盒中做半径逐渐增大,但周期不变的圆周运动。[来源:高考资源网 ]
① 磁场的作用:交变电场以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后,在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动,其周期在q、m、B不变的情况下与速度和轨道半径无关,带电粒子每次进入D形盒都运动相等的时间(半个周期)后平行电场方向进入电场加速。
② 电场的作用:回旋加速器的的两个D形盒之间的夹缝区域存在周期性变化并垂直于两个D形盒正对截面的匀强电场,带电粒子经过该区域时被加速。
③ 交变电压的作用:为保证交变电场每次经过夹缝时都被加速,使之能量不断提高,须在在夹缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压,即 .
2、回旋加速器的作用 .
回旋加速器有效解决了直线加速度受空间及电压的限制,只有在粒子处在电场中运动时才被加速,磁场只对粒子起到一个改变运动方向的作用(即回旋作用),达到了使粒子能够在相对较小的空间、在同一电场中得到加速的目的。
3、带电粒子在回旋加速器中获得的能量 .
由于带电粒子在回旋加速器中被加速后,离开加速器时所做圆周运动的半径应等于D形盒的半径,若设D形盒的半径为R ,则粒子被加速后离开加速器时的速度与R间的关系为:
………… ①
而带电粒子每被电场加速一次,其获得的能量为qU ,根据动能定理qU=△EK ,设带电粒子被加速的次数为n ,则粒子在离开加速器时的总动能为
………… ②
联立①②式可解得 ,则获得的最大动能为 .
由以上分析可以得到以下两个结论:
(ⅰ)在磁感应强度B与带电粒子的质量m、电荷量q一定的前提下,带电粒子在回旋加速器中被加速的次数n与D形盒的最大半径R和电场电压U有关。
(ⅱ)在磁感应强度B与带电粒子的质量m、电荷量q一定的前提下,带电粒子在加速器中获得的最大动能Ekmax只与D形盒的半径R有关,与电场电压U无关。这是因为加速电压越大,带电粒子每次加速的动能增量越大,回旋半径也增大得越多,导致带电粒子在D形盒中的回旋次数越少;反之,加速电压越小,粒子在D形盒中的回旋的次数越多,可见加速电压只影响带电粒子加速的总次数,并不影响vmax和相应的动能Ekmax 。而D形盒中的磁场的磁感应强度B越大,轨道半径就增加得越慢,粒子在D形盒中加速的总次数就越多,在加速电压一定的条件下,带电粒子的最大动能就越大。
【例1】已知回旋加速器D形盒内匀强磁场的磁感应强度B=1.5T, D形盒的半径R=60cm ,两盒间隙d=1.0cm,两盒间电压U=2.0×104V,今将α粒子接近于间隙中心某点向D形盒内以近似于零的初速度垂直于半径的方向射入,求粒子在加速器内运行的时间。
【分析】:回旋加速器最基本的原理是电场加速和磁场偏转。由于被加速粒子做圆周运动的周期与速度无关,而且是恒定的,每一周期被加速两次,得到粒子最后的能量,即可知加速次数,进一步可知经历几个半周期,就可求出总的运行时间。
【解析】:α粒子在D形盒中运动的最大半径为R,则 [来源:
………… ①
根据动能定理,知
………… ②
联立①②式,解得 , .
则粒子在加速器重运行的总时间
代入数据,解得 t = 4.2×10-5s .
w.w.w.k.s.5.u.c.o.m
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