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1、洛伦兹力的应用洛伦兹力的应用第1页，本讲稿共15页1 1加速原理：利用加速电场对带电粒子做加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加，正功使带电粒子的动能增加，qU=qU=E Ek k2 2直线加速器，多级加速直线加速器，多级加速如图所示是多级加速装置的原理图：如图所示是多级加速装置的原理图：二、加速器（一）、直线加速器（一）、直线加速器第2页，本讲稿共15页 由动能定理得带电粒子经由动能定理得带电粒子经n n极的电场加极的电场加速后增加的动能为：速后增加的动能为：3 3直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间范围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
2、一定的限制内制造直线加速器受到一定的限制1966年建成的美国斯坦福电子直线加速器管长年建成的美国斯坦福电子直线加速器管长3050米，电子能量高达米，电子能量高达22吉电子伏，脉冲电子流强吉电子伏，脉冲电子流强约约80毫安，平均流强为毫安，平均流强为48微安。微安。第3页，本讲稿共15页加利佛尼亚斯坦福大学的粒子加速器 直线加速器占地太大，能不能让它小一点直线加速器占地太大，能不能让它小一点直线加速器占地太大，能不能让它小一点直线加速器占地太大，能不能让它小一点第4页，本讲稿共15页1932年，美国物理学家年，美国物理学家劳仑斯劳仑斯发明了发明了回旋加速器，回旋加速器，回旋加速器，回旋加速器，从
3、而从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了一大步使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了一大步为此，劳仑斯荣获了诺贝尔物理学奖为此，劳仑斯荣获了诺贝尔物理学奖（二）（二）.回旋加速器回旋加速器第5页，本讲稿共15页如图，回旋加速器的核心部分为如图，回旋加速器的核心部分为D形盒，它的形状有如扁圆的形盒，它的形状有如扁圆的金属盒沿直径剖开的两半，每半个都象字母金属盒沿直径剖开的两半，每半个都象字母D的形状。两的形状。两D形形盒之间留有窄缝，中心附近放置离子源（如质子、氘核或盒之间留有窄缝，中心附近放置离子源（如质子、氘核或粒子源等）。在两粒子源等）。在两D形盒间接上交流电源于是在缝隙里形成一个
4、交形盒间接上交流电源于是在缝隙里形成一个交变电场。由于电屏蔽效应，在每个变电场。由于电屏蔽效应，在每个D形盒的内部电场很弱。形盒的内部电场很弱。D形盒形盒装在一个大的真空容器里，整个装置放在巨大的电磁铁两极之间装在一个大的真空容器里，整个装置放在巨大的电磁铁两极之间的强大磁场中，这磁场的方向垂直于的强大磁场中，这磁场的方向垂直于D形盒的底面。形盒的底面。第6页，本讲稿共15页组成组成组成组成:两个两个两个两个DDDD形盒形盒形盒形盒大型电磁铁大型电磁铁大型电磁铁大型电磁铁高频交流电源高频交流电源高频交流电源高频交流电源电场作用：电场作用：电场作用：电场作用：用来加速带电粒子用来加速带电粒子用来
5、加速带电粒子用来加速带电粒子磁场作用：磁场作用：磁场作用：磁场作用：用来使粒子用来使粒子用来使粒子用来使粒子回旋回旋回旋回旋从而能被反复加速从而能被反复加速从而能被反复加速从而能被反复加速第7页，本讲稿共15页回旋加速器V0V1V2V3V4V51、粒子每经过一个周期，电场、粒子每经过一个周期，电场加速几次？电场是恒定的还是周加速几次？电场是恒定的还是周期变化的？期变化的？带电粒子在两带电粒子在两D形盒中回旋周期形盒中回旋周期跟两盒狭缝之间高频电场的变化周跟两盒狭缝之间高频电场的变化周期有何关系？期有何关系？3、将带电粒子在狭缝之间的运动首尾连接起来是一个初速度为零、将带电粒子在狭缝之间的运动首
6、尾连接起来是一个初速度为零的匀加速直线运动的匀加速直线运动2、带电粒子每经电场加速一次，回旋半径就增大一次，、带电粒子每经电场加速一次，回旋半径就增大一次，每次增加的动能为：每次增加的动能为：EK=qU 所有各次半径之比为：所有各次半径之比为：1:第8页，本讲稿共15页回旋加速器V0V1V2V3V4V5 对于同一回旋对于同一回旋加速器，其粒子的加速器，其粒子的回旋的最大半径是回旋的最大半径是相同的。相同的。最大动能？回旋周数？所需时间？最大动能？回旋周数？所需时间？第9页，本讲稿共15页小结：小结：回回旋旋加加速速器器利利用用两两D D形形盒盒窄窄缝缝间间的的电电场场使使带带电电粒粒子子加加速
7、速，利利用用D D形形盒盒内内的的磁磁场场使使带带电电粒粒子子偏偏转转，带带电电粒粒子子所所能能获得的最终能量与获得的最终能量与B B和和R R有关，与有关，与U U无关无关交变电压的周期交变电压的周期交变电压的周期交变电压的周期粒子获得最大速度粒子获得最大速度粒子获得最大速度粒子获得最大速度粒子获得最大动能粒子获得最大动能粒子获得最大动能粒子获得最大动能与加速电压无关！第10页，本讲稿共15页已知D形盒的直径为D，匀强磁场的磁感应强度为B，交变电压的电压为U，求：（1）从出口射出时，粒子的动能Ek=？（2）要增大粒子的最大动能可采取哪些措施？DDV=V=？U UB B第11页，本讲稿共15页
8、 D越大，越大，EK越大，是不是只要越大，是不是只要D不断增大，不断增大，EK 就可就可以无限制增大呢？以无限制增大呢？实际并非如此例如：用这种经典的回旋加速器来加速实际并非如此例如：用这种经典的回旋加速器来加速粒子，最高能量只能达到粒子，最高能量只能达到20兆电子伏这是因为兆电子伏这是因为当粒子的当粒子的当粒子的当粒子的速率大到接近光速时，按照相对论原理，粒子的质量将随速率速率大到接近光速时，按照相对论原理，粒子的质量将随速率速率大到接近光速时，按照相对论原理，粒子的质量将随速率速率大到接近光速时，按照相对论原理，粒子的质量将随速率增大而明显地增加增大而明显地增加增大而明显地增加增大而明显地
9、增加，从而使，从而使粒子的回旋周期也随之变化粒子的回旋周期也随之变化粒子的回旋周期也随之变化粒子的回旋周期也随之变化，这就这就破坏了加速器的同步条件破坏了加速器的同步条件第12页，本讲稿共15页例：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B、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D、磁场的作用是使带电粒子在D形盒中做匀速圆周运动CD第13页，本讲稿共15页下列关于回旋加速器的说法中，正确的是（）AD形盒内既有匀强磁场，又有匀强电场 B电场和磁场交替使带电粒子加速C磁场的作用是使带电粒做圆周运动，获得多次被加速的机会D带电粒子在D形盒中运动的轨道半径不断增大，周期也不断增大C C第14页，本讲稿共15页例：一回旋加速器，可把例：一回旋加速器，可把质子质子加速到加速到v，使，使它获得动能它获得动能EK（1）能把）能把粒子粒子加速到的速度为？加速到的速度为？（2 2）能把能把粒子粒子加速到的动能为？加速到的动能为？（3 3）加速）加速粒子粒子的交变电场频率与加速质的交变电场频率与加速质子的交变电场频率之比为？子的交变电场频率之比为？第15页，本讲稿共15页