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1、带电粒子在匀强磁场中运动回旋加速器第1页，本讲稿共34页如何获得高能粒子呢？如何获得高能粒子呢？通过电场使带电粒子加速 +-第2页，本讲稿共34页电场加速粒子带来的问题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。量很高，也就是说需要一个高速的粒子。由由可知所需粒子速度越高，则加速电压就越高可知所需粒子速度越高，则加速电压就越高第3页，本讲稿共34页猜想：多个电场加速猜想：多个电场加速一级一级 二级二级 三级三级 n级级+-+-+-+-第4页，本讲稿共34页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，早
2、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得体积通常都较大直线加速器直线加速器第5页，本讲稿共34页世界最大直线加速器：斯坦福大学直线加速器 第6页，本讲稿共34页2英里长的直线加速管2英里长的直线加速管第7页，本讲稿共34页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。讨论第8页，本讲稿共34页三、回旋加速器三、回旋加速器能不能建造一种加
3、速器，在较小的空间范围内让粒子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？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：直线加速器的缺点：体积通常较大，体积通常较大，占地占地占地占地面积大。面积大。面积大。面积大。第9页，本讲稿共34页第10页，本讲稿共34页回回旋旋加加速速器器第11页，本讲稿共34页构造：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回旋加速器演示第12页，本讲
4、稿共34页第13页，本讲稿共34页受力与运动分析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两盒狭缝之间不考虑磁场的影响，只考虑电场力作用，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。粒子在电场力作用下做加速运动。第14页，本讲稿共34页电场作用：给带电粒子加速；电场作用：给带电粒子加速；磁场作用：使带电粒子发生偏转；磁场作用：使带电粒子发生偏转；加速条件：加速条件：交流电的周期和带电粒子在磁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。场中的圆周运动的周期相等。原理第15页，本讲稿共34页1、带电粒子在两、带电粒子在两D形
5、盒中回旋周期等于两盒狭缝之间高频电场的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？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、设加速电压为U，粒子的电量为，粒子的电量为q，则，则每次加速增加的动能为每次加速增加的动能为 探究一：粒子在回旋加速器中运动探究一：粒子在回旋加速器中运动时间时间3、若粒子的电量为、若粒子的电量为q，最终能量为，最终能量为E，加速电压为，加速电压为U，则回旋，则回旋 圈数为圈数为4、若每次加速时的电压为、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，将带电粒子在狭缝之间的运动首尾连接起来可看成什么
6、运动？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一个初速度为零的匀加速直线运动探究探究第16页，本讲稿共34页5 5、D D形盒的半径为形盒的半径为形盒的半径为形盒的半径为R R，两盒间距为，两盒间距为，两盒间距为，两盒间距为d d，质子在电场中加，质子在电场中加，质子在电场中加，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速次数与回旋半周的次数相同，加速电压大小可视为速次数与回旋半周的次数相同，加速电压大小可视为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不变，比较：质子在电场中的加速时间与质子在不变，比较：质子在电场
7、中的加速时间与质子在不变，比较：质子在电场中的加速时间与质子在D D形形形形盒中运动时间盒中运动时间盒中运动时间盒中运动时间在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nnRt2=nT/2=vt1=2ndvndv/2t1t2=2d R由于由于R远远大于远远大于d，故可忽略粒子，故可忽略粒子在电场中运动时间在电场中运动时间比较：比较：结论：粒子在加速器中运动总时间为结论：粒子在加速器中运动总时间为 t总总=nT/2，n为加速次数为加速次数在电场中加速时间为第17页，本讲稿共34页分析；对于同一回旋加速器，其粒子回旋的最大半径是分析；对于同一回旋加速器，其粒子回旋的最大半径是相同的（相
8、同的（回旋的最大半径等于回旋的最大半径等于D形盒的半径形盒的半径），设最大半），设最大半径为径为R，最终能量为，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次数，并不影响加速后的最大动能探究二：粒子最终能量探究二：粒子最终能量思考：粒子的最终能量与加速电压有关吗？思考：粒子的最终能量与加速电压有关吗？第18页，本讲稿共34页小结：回旋加速器小结：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、加速电场的周期等于回
9、旋周期（交流电源的频率等于粒子做匀速圆周运动的频率。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、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。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、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大动能只与D形盒的半径形盒的半径R和磁感应强度和磁感应强度B有关，与加速电压有关，与加速电压U无关。无关。3、粒子做匀速圆周运动的最大半径为、粒子做匀速圆周运动的最大半径为D形盒的半径形盒的半径
10、第19页，本讲稿共34页 为了把带电粒子加速到更高的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、电子对感应加速器、串列加速器、电子对撞机等。撞机等。世界著名粒子加速器世界著名粒子加速器第20页，本讲稿共34页世界最大直线加速器世界最大直线加速器世界最大直线加速器世界最大直线加速器 第21页，本讲稿共34页马马克克II号号探探测测器器 第22页，本讲稿共34页退役的斯坦福直线对撞器的臂退役的斯坦福直线对撞器的臂 第23页，本讲稿共34页对撞器实验大厅对撞器实验大厅 第24
11、页，本讲稿共34页欧欧洲洲同同步步辐辐射射加加速速器器（左左图图)第25页，本讲稿共34页大型强子对撞机(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欧洲粒子物理研究中心(CERN)(CERN)第26页，本讲稿共34页建造中的粒子加速器（左图）第27页，本讲稿共34页粒子加速器的透视图粒子加速器的透视图第28页，本讲稿共34页北京正负电子对撞机：北京正负电子对撞机：能使电子束能量达到能使电子束能量达到3GeV左右左右第29页，本讲稿共34页美国费米加速器实验室第30页，本讲稿共34页 欧洲大型强子对撞机（LHC）是世界上最大的粒
12、子加速器，建于瑞士和法国边境地区地下100米深处的环形隧道中，隧道全长26.659公里。大型强子对撞机2003年开始修建，将近80个国家和地区的2000多名科学家参与这一研究项目。第31页，本讲稿共34页 人类对于未知世界的探人类对于未知世界的探索，从未也永远不会有止境。索，从未也永远不会有止境。在浩瀚的知识海洋中，还有在浩瀚的知识海洋中，还有很多未知的岛屿等着我们。很多未知的岛屿等着我们。第32页，本讲稿共34页思考题：思考题：思考题：思考题：回旋加速器回旋加速器回旋加速器回旋加速器D D形盒中央为质子流，形盒中央为质子流，形盒中央为质子流，形盒中央为质子流，D D形盒间的交形盒间的交形盒间
13、的交形盒间的交变电压为变电压为变电压为变电压为U U2102104 4V V，静止质子经电场加速后，进入，静止质子经电场加速后，进入，静止质子经电场加速后，进入，静止质子经电场加速后，进入D D形盒，形盒，形盒，形盒，其最大轨道半径其最大轨道半径其最大轨道半径其最大轨道半径R R1m1m，磁场的磁感应强度，磁场的磁感应强度，磁场的磁感应强度，磁场的磁感应强度B B0.5T0.5T，质子的，质子的，质子的，质子的质量质量质量质量mm1.67101.67101919C C。问：。问：。问：。问：（1 1）质子经回旋加速器最后得到的动能是多大？共加速了多）质子经回旋加速器最后得到的动能是多大？共加速
14、了多）质子经回旋加速器最后得到的动能是多大？共加速了多）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？少次？少次？少次？（2 2）交变电源的频率是多大？）交变电源的频率是多大？）交变电源的频率是多大？）交变电源的频率是多大？动能：1.9210-12J次数6.0102频率：7.6106Hz第33页，本讲稿共34页 例例2：关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述，正确的是：关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述，正确的是()A、电场和磁场都对带电粒子起加速作用、电场和磁场都对带电粒子起加速作用B、电场和磁场是交替地对带电粒子做功的、电场和磁场是交替地对带电粒子做功的C、只有电场能对带电粒子起加速作用、只有电场能对带电粒子起加速作用D、磁场的作用是使带电粒子在、磁场的作用是使带电粒子在D形盒中做匀速圆周运动形盒中做匀速圆周运动CD第34页，本讲稿共34页