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1、带电粒子在电场磁场中的运带电粒子在电场磁场中的运动动13.5.1 13.5.1 带电粒子在电场、磁场中的运动带电粒子在电场、磁场中的运动1.运动方程运动方程 2.带电粒子在磁场中的运动带电粒子在磁场中的运动v0qFmBv0B(1)带电粒子进入轴对称的会聚磁场，它便被约束带电粒子进入轴对称的会聚磁场，它便被约束在一根磁力线附近的很小范围内，它只有纵向在一根磁力线附近的很小范围内，它只有纵向沿磁力线的运动，而沿磁力线的运动，而无横向跨越无横向跨越。或者说在横。或者说在横向输运过程中它受到很大的限制。向输运过程中它受到很大的限制。结结论论*磁镜磁镜在受控热核反应中在受控热核反应中,不仅要求引导中心受
2、到横向约束不仅要求引导中心受到横向约束,也也希望有纵向约束希望有纵向约束,用用磁镜装置磁镜装置能限制中心的纵向移动能限制中心的纵向移动.理论可以证明理论可以证明,当两端磁场足够强时当两端磁场足够强时,粒子纵向运动被抑止粒子纵向运动被抑止,而沿反方向运动而沿反方向运动.这种运动方式如同光线遇镜面反射一样这种运动方式如同光线遇镜面反射一样.线线圈圈线线圈圈B磁磁 约约 束束 装装 置置磁磁 约约 束束 装装 置置等等离离子子体体磁磁 塞塞地地磁磁场场的的磁磁感感应应线线S北极北极N南极南极1958年人造卫星的探测发现年人造卫星的探测发现,在距地面几行公里和两在距地面几行公里和两万公里的高空万公里的
3、高空,分别存在内外两个环绕地球的辐射带分别存在内外两个环绕地球的辐射带,现称现称之为之为范艾仑范艾仑辐射带辐射带。辐射带辐射带。范艾仑范艾仑辐射带辐射带(Van Allen belts)因为它具有较高的能量，曾在人造卫星的发射等空因为它具有较高的能量，曾在人造卫星的发射等空间科学中发现了它，并给予了必要的考虑。间科学中发现了它，并给予了必要的考虑。带电粒子（如宇宙射线的带电粒子）被地磁场捕获，带电粒子（如宇宙射线的带电粒子）被地磁场捕获，绕地磁感应线作螺旋线运动，在近两极处地磁场增强，绕地磁感应线作螺旋线运动，在近两极处地磁场增强，作螺旋运动的粒子被折回，结果沿磁力线来回振荡形成作螺旋运动的粒
4、子被折回，结果沿磁力线来回振荡形成范范阿仑辐射带。阿仑辐射带。当太阳黑子活动引起空间磁场的变化，使粒子在两极当太阳黑子活动引起空间磁场的变化，使粒子在两极处的磁力线引导下，在两极附近进入大气层，能引起处的磁力线引导下，在两极附近进入大气层，能引起美妙美妙的北极光的北极光。范范 艾艾 仑仑(J.A.Van Allen)辐辐 射射 带带 宇宙带电粒子被地球磁场俘获并在艾仑宇宙带电粒子被地球磁场俘获并在艾仑北极光北极光地地轴轴B增增大大SN北极北极南极南极带内作螺旋式振荡运动。带内作螺旋式振荡运动。北北 极极 光光NSD1D22 2、回旋加速器回旋加速器回旋加速器回旋加速器CyclotronCycl
5、otron、获得高能带电粒子的仪器获得高能带电粒子的仪器磁铁磁铁N,S-中间强匀磁场中间强匀磁场-常量常量D1;D2 -D型盒型盒-R D1,D2 缝隙缝隙-交变电场交变电场E 中心中心-离子源离子源结构结构结构结构:原理原理原理原理:q转方向转方向 E加速加速qq转方向转方向 高能粒子高能粒子高能粒子高能粒子qo D1D2带电粒子束带电粒子束N线圈线圈S铁铁芯芯接振荡器接振荡器电子回旋加速器电子回旋加速器环形环形真空室真空室回旋加速器真空室示意图束流线束流线高压高压电源电源真空泵真空泵测量电容测量电容离子源离子源束流束流探测器探测器D形形电极电极真空室真空室 静电静电偏转板偏转板微调微调电容
6、电容四极四极透镜透镜 束流束流探测器探测器E.O.劳伦斯劳伦斯(1901-1957)设计的设计的 世界上第一台回旋加速器世界上第一台回旋加速器中国第一台回旋加速器 中国科学院高能物理研究所中国科学院高能物理研究所 90Mev加速器加速器倍恩勃立奇倍恩勃立奇倍恩勃立奇倍恩勃立奇(Bainbridge)(Bainbridge)质谱仪质谱仪质谱仪质谱仪狭缝狭缝偏转板偏转板照相底片照相底片离子源离子源.+BR匀强磁场匀强磁场粒子径迹粒子径迹速度选择器速度选择器磁流体发电（磁流体发电（MHD）(Magnetohydrodynamics)磁流体发电原理图磁流体发电原理图磁体磁体磁力线方向磁力线方向高温气体
7、高温气体燃烧器燃烧器SN磁流体发电磁流体发电效率可达效率可达55%实验指出：实验指出：1879年霍耳发现年霍耳发现:在匀强磁场中通电的金属导体的上下在匀强磁场中通电的金属导体的上下表面出现横向电势差，这一现象称为表面出现横向电势差，这一现象称为霍耳效应霍耳效应。BI+abUH霍耳效应霍耳效应:霍耳系数霍耳系数，它是和材料的性质有关的常数，它是和材料的性质有关的常数经典电子论对霍耳效应的解释经典电子论对霍耳效应的解释abnv=eIU=HBIbneBIbne()1=n电子数密度电子数密度BEHv=BEHv=U2U1=H=aEHU=HBvaUVvfEH+12afe1neRH=根据霍耳系数的正负号可以确定半导体的类型，根据霍耳根据霍耳系数的正负号可以确定半导体的类型，根据霍耳系数的大小的测定，可以确定载流子的浓度。系数的大小的测定，可以确定载流子的浓度。霍耳系数霍耳系数:T=R2v=2 mqBR=m vqB=hT=v=f=qvBT=R2v=2 mqBR=m vqB=hT=v=