第6节回旋加速器.ppt

六、回旋加速器,一、直线加速器,方案一：利用电场加速,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（为什么？）,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,方案二：多级电场加速,各加速区的两板间采用独立电源,电源极性不能恒定，必须及时地改变电源的极性，可采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 为了满足同步条件，在筒长不变时，高频交变电源的频率要越来越高，或电源频率不变，圆筒要相应加长,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，,【例 】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、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v1，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。,分析与解： 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 为离子在第n个圆筒内的速度，则有,点击下图观看回旋加速器原理讲解,（1）磁场的作用：带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，并在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其周期和速率、半径均无关，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中加速,（2）电场的作用：回旋加速器的两个D形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的并垂直于两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：为了保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速，使之能量不断提高，须在窄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,3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，由r=mv/qB得v= rqB/m，若D形盒的半径为R，则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,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？,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,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,