帶電粒子在電、磁場中運動-加速器

1、帶電粒子在電、磁場中運動帶電粒子在電、磁場中運動-加速器加速器高二物理：關(guān)義成高二物理：關(guān)義成 問題問題:為什么要制造加速器為什么要制造加速器? 在現(xiàn)代物理學(xué)中,為了探索原子核的結(jié)構(gòu)和得到各種元素的同位素,研究人員需要大量的高能粒子去轟擊原子核,由此研究制造出能在實驗室里產(chǎn)生大量高能粒子的加速器.加速器的種類加速器的種類 1.普通加速器普通加速器 2.直線加速器直線加速器 3.回旋加速器 一一.普通加速器普通加速器k2EmV21qU= = =+U+ 帶電粒子通過普通加速器能獲得的能量帶電粒子通過普通加速器能獲得的能量EK一般只能達到幾十萬到幾百萬電子伏一般只能達到幾十萬到幾百萬電子伏(ev).

2、獲得的能量獲得的能量: 不論哪種加速器都不論哪種加速器都是靠電壓產(chǎn)生的電場來是靠電壓產(chǎn)生的電場來對帶電粒子加速對帶電粒子加速.221mvqU 存在反向電場存在反向電場進一步改進：進一步改進：二二.直線加速器直線加速器 直線加速器有多個加速電直線加速器有多個加速電場場,從而能使帶電粒子獲得更從而能使帶電粒子獲得更大的能量大的能量.0Um UmU/vT2TU1234靶靶+A 思考思考: 帶電粒子帶電粒子穿越第穿越第n個圓筒時的個圓筒時的動能為多大動能為多大?m mk kn nq qU UE E = = 應(yīng)該采用應(yīng)該采用交變電源交變電源，使粒子進入每一級都能繼，使粒子進入每一級都能繼續(xù)加速。并且續(xù)加

3、速。并且，即要滿足即要滿足。圓筒的長度圓筒的長度怎樣變化怎樣變化斯斯坦坦福福直直線線加加速速器器中中心心1932年年,美國物理學(xué)家勞侖斯發(fā)明了美國物理學(xué)家勞侖斯發(fā)明了從而使人類在獲得具有較從而使人類在獲得具有較高能量的粒子方面邁進了一大步為高能量的粒子方面邁進了一大步為此，勞侖斯榮獲了此，勞侖斯榮獲了1939年諾貝爾物理年諾貝爾物理學(xué)獎學(xué)獎 回旋加速器主要由回旋加速器主要由D形盒、強電磁鐵、交變電源、形盒、強電磁鐵、交變電源、粒子源、引出裝置等組成粒子源、引出裝置等組成. U U BU U AABBA1A1B1B1+回旋加速器的原理回旋加速器的原理思考題思考題1. 帶電粒子在帶電粒子在D形盒內(nèi)

4、做圓周運動的周期形盒內(nèi)做圓周運動的周期隨半徑的增大會不會發(fā)生變化隨半徑的增大會不會發(fā)生變化?（不會。因為（不會。因為T T22m/qBm/qB）思考題思考題2 2. .帶電粒子每經(jīng)一周電場加速幾次？回帶電粒子每經(jīng)一周電場加速幾次？回旋半徑怎樣變化？旋半徑怎樣變化？粒子每經(jīng)過粒子每經(jīng)過一個周期一個周期，被電場，被電場加速二次加速二次所有各次半徑之比為：所有各次半徑之比為：.321 思考題思考題3 3. .要使粒子每次經(jīng)過電場都被加速，應(yīng)在要使粒子每次經(jīng)過電場都被加速，應(yīng)在電極上加一個什么電壓？電極上加一個什么電壓？這個交變電場的周期和粒子在磁這個交變電場的周期和粒子在磁場中運動的周期有什么關(guān)系？

5、場中運動的周期有什么關(guān)系？T交交 T粒子粒子2m/qB f交交=f粒子粒子tU2T圓 周2T圓 周0T應(yīng)加一個交變電場應(yīng)加一個交變電場-運動同步運動同步思考題思考題4. 帶電粒子帶電粒子的最高能量與哪些的最高能量與哪些因素有關(guān)？因素有關(guān)？. ., , ,. .= = =: :. .= =, ,= =, ,: :有關(guān)有關(guān)和質(zhì)量和質(zhì)量以及電荷的電量以及電荷的電量強度強度磁感磁感形盒的半徑形盒的半徑量與量與可見帶電粒子獲得的能可見帶電粒子獲得的能量為量為那么粒子獲得的最大能那么粒子獲得的最大能為為粒子運動的最大速度粒子運動的最大速度根據(jù)根據(jù)形盒的半徑形盒的半徑半徑最大只能等于半徑最大只能等于帶電粒子

6、做圓周運動的帶電粒子做圓周運動的答答m mq qB BR RD Dm mR RB Bq qmVmVE Em mqBRqBRV VqBqBmVmVm mR RD Dm mm mm m2212222 對于同一回旋加速器，其粒子的回旋的最大半對于同一回旋加速器，其粒子的回旋的最大半徑是相同的。徑是相同的。mRqBmvEqBmvmkmm221R2222最大動能最大半徑：qUEnkm2回旋周數(shù)：nTt磁在磁場中運動的時間：qUKE每次經(jīng)過電場增加的動能為每次經(jīng)過電場增加的動能為思考題思考題5. 帶點粒子運動的時間是多少？帶點粒子運動的時間是多少？22mRUBt磁時間與粒子本身無關(guān)，時間與粒子本身無關(guān)，由

7、加速器決定由加速器決定 若考慮帶電粒子在電場若考慮帶電粒子在電場( (勻強電場勻強電場) )中運動時中運動時間，將帶電粒子在間，將帶電粒子在D D形盒兩縫隙間的運動首尾形盒兩縫隙間的運動首尾連接起來可視為是一個初速度為零的勻加速直連接起來可視為是一個初速度為零的勻加速直線運動，有：線運動，有：2122Uqndtdm電可求出電場中運動時間可求出電場中運動時間t t電電。t總= t電電+ t磁磁tv0思考：為什么回旋加速器不能無限提高思考：為什么回旋加速器不能無限提高粒子的能量？粒子的能量？答：據(jù)相對論理論知識，粒子速度被加速到接答：據(jù)相對論理論知識，粒子速度被加速到接近光速，質(zhì)量明顯增強，周期近

8、光速，質(zhì)量明顯增強，周期T2m/qB也也增加，破壞了回旋加速器的同步條件。增加，破壞了回旋加速器的同步條件。2201cvmm速度越大，質(zhì)量越大速度越大，質(zhì)量越大 qBmT21.使電磁鐵磁場相應(yīng)同步的使電磁鐵磁場相應(yīng)同步的增加，保證粒子的周期不變。增加，保證粒子的周期不變。2.使電場的變換周期隨粒子使電場的變換周期隨粒子的運動周期同步變大。的運動周期同步變大。如何解決如何解決 1、北京正負電子對撞機、北京正負電子對撞機 它始建于1984年10月7日，1988年10月建成，包括正負電子對撞機、北京譜儀（大型粒子探測器）和北京同步輻射裝置。2、上海同步輻射光源、上海同步輻射光源 上海光源是一臺高性能

9、的中能第三代同步輻射光源，它的英文全名為Shanghai Synchrotron Radiation facility，簡稱SSRF。 3、蘭州重離子加速器、蘭州重離子加速器 是我國自行研制的第一臺重離子加速器，是世界上繼法國、日本之后的第三臺同類大型回旋加速器，1989年正式運行4、合肥同步輻射裝置、合肥同步輻射裝置 合肥國家同步輻射實驗室直線加速器，是中國科技大學(xué)設(shè)計的我國最早起步的同步輻射加速器，它由200MeV電子直線加速器和800MeV儲存環(huán)組成。中國四大高能物理研究裝置中國四大高能物理研究裝置-中國的粒子加速器中國的粒子加速器北京正負電子對撞機（BEPC：2.4億元，BEPCII：

10、6.4億元）Beijing Electron Position Collider上海光源 Shanghai Synchrotron Radiation facility (SSRF)能量：3.5 GeV，周長：432 m，總投資：12億元中國散裂中子源（CSNS）（14+5億元）裝置建設(shè)包括一臺強流質(zhì)子直線加速器(80MeV)、一臺快循環(huán)同步加速器(1.6GeV)、一個靶站、3臺中子譜儀等設(shè)施和科學(xué)實驗測試系統(tǒng)。 世界最大對撞機啟動模擬宇宙大爆炸世界最大對撞機啟動模擬宇宙大爆炸 （中國參與研究）（中國參與研究） 這項實驗在深入地底這項實驗在深入地底100米、長達米、長達27公里的環(huán)型隧道內(nèi)進行

11、。公里的環(huán)型隧道內(nèi)進行?？茖W(xué)家科學(xué)家預(yù)計，粒子互相撞擊時所產(chǎn)生的溫度，比太陽溫度還要高預(yù)計，粒子互相撞擊時所產(chǎn)生的溫度，比太陽溫度還要高10萬倍，就好萬倍，就好比比137億年前宇宙發(fā)生大爆炸時那一剎那的情況。億年前宇宙發(fā)生大爆炸時那一剎那的情況。 在瑞士和法國邊界地區(qū)的地底實驗室內(nèi)，科學(xué)家在瑞士和法國邊界地區(qū)的地底實驗室內(nèi)，科學(xué)家們正式展開了被外界形容為們正式展開了被外界形容為“末日實驗?zāi)┤諏嶒灐钡膫涫軤幾h的備受爭議的計劃。他們啟動了全球最大型的強子對撞機的計劃。他們啟動了全球最大型的強子對撞機(LHC)，把次原子的粒子運行速度加快至接近光速把次原子的粒子運行速度加快至接近光速，并將互相，并將

12、互相撞擊，模擬宇宙初開撞擊，模擬宇宙初開“大爆炸大爆炸”后的情況?？茖W(xué)家希后的情況。科學(xué)家希望借這次實驗，有助解開宇宙間部分謎團。望借這次實驗，有助解開宇宙間部分謎團。The Large Hadron Collider (LHC) sits in a circular tunnel 27 km in circumference. The tunnel is buried around 50 to 175 m. underground. It straddles the Swiss and French borders on the outskirts of Geneva. ( 6.3 bill

13、ion dollars)Aerial view of CERN and the surrounding region of Switzerland and France. Three rings are visible, the smaller (at lower right) shows the underground position of the Proton Synchrotron, the middle ring is the Super Proton Synchrotron (SPS) with a circumference of 7 km and the largest rin

14、g (27 km) is that of the former Large Electron and Positron collider (LEP) accelerator with part of Lake Geneva in the background. 例例1回旋加速器中磁場的磁感應(yīng)強度為回旋加速器中磁場的磁感應(yīng)強度為1T，用以加速用以加速粒子時，電極應(yīng)采用多大頻率的交變粒子時，電極應(yīng)采用多大頻率的交變電流？如果電流？如果粒子在軌道半徑為粒子在軌道半徑為1m時被引出，時被引出，粒子具有的能量是多少電子伏？粒子具有的能量是多少電子伏？ (粒子是氦核粒子是氦核,其質(zhì)量為其質(zhì)量為m = 41

15、.661027 kg.電荷量為電荷量為q = 21.61019 C.)Hz1067.7=Hz1066.1414.32106.121=m2Bq=T1=f：62719交交變變電電源源的的頻頻率率為為解解ev1082.4=J107.7=J1066.14211)106.12(=m2RBq=mV21=E.mqBR=V,qBmV=R712272192222m粒粒子子運運動動的的速速度度為為根根據(jù)據(jù) 練習(xí)練習(xí)1：回旋加速器中磁場的磁感應(yīng)強度為：回旋加速器中磁場的磁感應(yīng)強度為B，D形盒形盒的直徑為的直徑為d，用該回旋加速器加速質(zhì)量為，用該回旋加速器加速質(zhì)量為m、電量為、電量為q的的粒子，設(shè)粒子加速前的初速度為

16、零。求：粒子，設(shè)粒子加速前的初速度為零。求：（1） 粒子的回轉(zhuǎn)周期是多大？粒子的回轉(zhuǎn)周期是多大？（2）高頻電極的周期為多大？）高頻電極的周期為多大？（3） 粒子的最大動能是多大粒子的最大動能是多大？（4） 粒子在同一個粒子在同一個D形盒中相形盒中相鄰兩條軌道半徑之比鄰兩條軌道半徑之比qBmT2qBmT2mdBqEK8222.:：或或642531例題例題2. 一回旋加速器可把質(zhì)子加速加速到一回旋加速器可把質(zhì)子加速加速到V，使它獲得動能為使它獲得動能為EK(1)能把能把加速到的速度為多少加速到的速度為多少(2)能把能把加速到的動能為多少加速到的動能為多少（3）加速的交變電場頻率與是加速質(zhì)子的交）加

17、速的交變電場頻率與是加速質(zhì)子的交變電場頻率之比為多少變電場頻率之比為多少 V/2EK1/2練習(xí)練習(xí)2. 回旋加速器是用來加速帶電粒子的儀器回旋加速器是用來加速帶電粒子的儀器,其核其核心部分是兩個心部分是兩個D形盒形盒,兩盒分別接在高頻交流電源的兩極兩盒分別接在高頻交流電源的兩極上上,以便在盒間的窄縫中形成電場以便在盒間的窄縫中形成電場.使離子每次經(jīng)過窄縫使離子每次經(jīng)過窄縫時都得到加速時都得到加速.兩盒放在勻強磁場中兩盒放在勻強磁場中,磁感應(yīng)強度方向垂磁感應(yīng)強度方向垂直于盒底面直于盒底面,離子源置于盒的圓心附近離子源置于盒的圓心附近,若離子源射出的若離子源射出的離子電量為離子電量為Q,質(zhì)量為質(zhì)量

18、為M,離子的最大回旋半徑為離子的最大回旋半徑為R,問問: (1)盒內(nèi)有無電場盒內(nèi)有無電場? (2)離子在盒內(nèi)做什么運動離子在盒內(nèi)做什么運動?角速度多大角速度多大? (3)所加交流電的頻率多大所加交流電的頻率多大? (4)離子離開加速器時的最大動能多大離子離開加速器時的最大動能多大? (5)設(shè)設(shè)D形盒間的電場的電勢差為形盒間的電場的電勢差為U,則離子達到上述則離子達到上述能量需要回旋多少周能量需要回旋多少周?1.在直線加速器中在直線加速器中,帶電粒子獲得的能量帶電粒子獲得的能量: Ek=nqU.2.回旋加速器的主要構(gòu)造：回旋加速器的主要構(gòu)造：D形盒、強電磁鐵、交變形盒、強電磁鐵、交變電源、粒子源

19、、引出裝置電源、粒子源、引出裝置.3.回旋加速器的加速條件：交流電源的周期與帶電?；匦铀倨鞯募铀贄l件：交流電源的周期與帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的周期相同子在勻強磁場中做勻速圓周運動的周期相同.4.在回旋加速器中，帶電粒子的最高能量為在回旋加速器中，帶電粒子的最高能量為:m2RqBE222m= = 在帶電粒子一定的條件下，在帶電粒子一定的條件下，Em決定于決定于D形盒的形盒的最大半徑和磁感應(yīng)強度最大半徑和磁感應(yīng)強度.課堂小結(jié)課堂小結(jié)帶電粒子帶電粒子：電子（e-）、正電子（e+）、質(zhì)子（p）、重離子（12C6+，238U92+，H-like，He-like heavy ions：Ta

20、U ）等。電子加速器：電子，正電子。強子加速器：包含至少一個原子核在內(nèi)的帶電粒子，外層電子部分被剝離或全剝離的單原子、吸附一個電子的單原子、失去一個電子的分子或團簇等，如質(zhì)子、反質(zhì)子、重離子等。時變電磁場的頻率時變電磁場的頻率：一般為0.1GHz幾十GHz。參考資料參考資料電子的靜止質(zhì)量：電子的靜止質(zhì)量：9.1093897 10-31 kg， 靜止能量：靜止能量：0.51099906 MeV；質(zhì)子的靜止質(zhì)量：質(zhì)子的靜止質(zhì)量：1.6726231 10-27 kg， 靜止能量：靜止能量：938.27231 MeV。在加速器中，粒子的能量通常指的是粒子的動能，例如在加速器中，粒子的能量通常指的是粒子

21、的動能，例如CSNS直線加速器所提供的直線加速器所提供的H-的能量為的能量為80 MeV，儲存環(huán)質(zhì)，儲存環(huán)質(zhì)子的引出能量為子的引出能量為1.6 GeV。在高能電子加速器中，電子靜。在高能電子加速器中，電子靜止能量與動能相比，常常相差很大，例如止能量與動能相比，常常相差很大，例如BEPC直線加速直線加速器提供的電子能量最高可達器提供的電子能量最高可達2.5 GeV左右，上海光源的運左右，上海光源的運行能量為行能量為3.5 GeV，合肥光源的運行能量為，合肥光源的運行能量為800 MeV。200cmEEEk常用的能量單位：常用的能量單位：eV、keV、MeV、GeV、TeV103 eV、 106

22、eV、 109 eV、 1012 eV2011天津（天津（20分）回旋加速器在核科學(xué)、核技術(shù)、核醫(yī)分）回旋加速器在核科學(xué)、核技術(shù)、核醫(yī)學(xué)等高新技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，有力地推動了現(xiàn)代學(xué)等高新技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，有力地推動了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。（2）回旋加速器的原理如圖，）回旋加速器的原理如圖，D1和和D2是兩個中空的半徑是兩個中空的半徑為為R的半圓金屬盒，它們接在電壓一定、頻率為的半圓金屬盒，它們接在電壓一定、頻率為f的交流的交流電源上，位于電源上，位于D1圓心處的質(zhì)子源圓心處的質(zhì)子源A能不斷產(chǎn)生質(zhì)子（初能不斷產(chǎn)生質(zhì)子（初速度可以忽略，重力不計），它們在兩盒之間被電場加速度可以忽略，重力不計），它們在兩盒之間被電場加速，速，D1、D2置于與盒面垂直的磁感應(yīng)強度為置于與盒面垂直的磁感應(yīng)強度為B的勻強磁的勻強磁場中。若質(zhì)子束從回旋加速器輸出時的平均功率為場中。若質(zhì)子束從回旋加速器輸出時的平均功率為P，求，求輸出時質(zhì)子束的等效電流輸出時質(zhì)子束的等效電流I與與P、B、R、f的關(guān)系式（忽略的關(guān)系式（忽略質(zhì)子在電場中運動的時間，其最大速度遠小于光速）質(zhì)子在電場中運動的時間，其最大速度遠小于光速） r（3