課件：回旋加速器

1、 粒子加速器是一門多專業(yè)的綜合性學(xué)科，它涉及到加速器粒子加速器是一門多專業(yè)的綜合性學(xué)科，它涉及到加速器物理和許多高技術(shù)領(lǐng)域，其中包括物理和許多高技術(shù)領(lǐng)域，其中包括射頻、電磁場、電源、超高射頻、電磁場、電源、超高真空、精密機械、電子學(xué)、計算機及網(wǎng)絡(luò)、自動控制、束流診真空、精密機械、電子學(xué)、計算機及網(wǎng)絡(luò)、自動控制、束流診斷、輻射防護(hù)、低溫超導(dǎo)，斷、輻射防護(hù)、低溫超導(dǎo)，等等。等等。 粒子加速器不僅是進(jìn)行高能物理、原子物理、生命科學(xué)、粒子加速器不僅是進(jìn)行高能物理、原子物理、生命科學(xué)、材料科學(xué)等多種基礎(chǔ)科學(xué)研究的重要實驗裝置，而且在工農(nóng)業(yè)材料科學(xué)等多種基礎(chǔ)科學(xué)研究的重要實驗裝置，而且在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療、

2、輻照和國防建設(shè)等方面也有廣泛的應(yīng)用前景生產(chǎn)、醫(yī)療、輻照和國防建設(shè)等方面也有廣泛的應(yīng)用前景。背景材料背景材料 U思考：用什么方法可以加速帶電粒子呢用什么方法可以加速帶電粒子呢? ?設(shè)加速電壓為U，電子經(jīng)加速后增加的速度是多少？可以利用電場如右圖:+-V0mqU2V=金屬圓筒內(nèi)場強為零金屬圓筒內(nèi)場強為零，粒子在圓筒內(nèi)做勻速直線運，粒子在圓筒內(nèi)做勻速直線運動，在圓筒間縫間做加速運動。動，在圓筒間縫間做加速運動。一、直線加速器一、直線加速器Why?如圖所示，直線加速器是使粒子在一條直線裝置如圖所示，直線加速器是使粒子在一條直線裝置上被加速上被加速.Umq一級二級三級UUUn級粒子獲得的能量：粒子獲得的

3、能量：E=nqU多級加速多級加速勻速直線運動勻速直線運動加速運動加速運動 電源為交流電源電源為交流電源，當(dāng)離子在各筒內(nèi)穿，當(dāng)離子在各筒內(nèi)穿過的時間都為過的時間都為t=T/2時，離子才有可能時，離子才有可能每次通過圓筒間縫隙都被加速每次通過圓筒間縫隙都被加速.思考思考早期的加速器只能使帶電粒子在高壓電場中加速一或早期的加速器只能使帶電粒子在高壓電場中加速一或兩次，因而粒子所能達(dá)到的能量受到高壓技術(shù)的限制。兩次，因而粒子所能達(dá)到的能量受到高壓技術(shù)的限制。而且為了使帶電粒子達(dá)到很高的速度，必然要經(jīng)過多而且為了使帶電粒子達(dá)到很高的速度，必然要經(jīng)過多次加速，因此直線加速器得體積通常都較大次加速，因此直線

4、加速器得體積通常都較大直線加速器直線加速器世界最大直線加速器：斯坦福大學(xué)直線加速器 2英里長的直線加速管2英里長的直線加速管二、回旋加速器二、回旋加速器1932年美國科學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加器，巧妙地應(yīng)用帶電粒子在磁場中運動特點解決了這一問題。為此，勞倫斯于1939年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。直線加速器的缺點：直線加速器的缺點：體積通常較大，體積通常較大，2 2、原理、原理工作原理：利用電場對帶電粒子的加速作用工作原理：利用電場對帶電粒子的加速作用和磁場對運動電荷的偏轉(zhuǎn)作用來獲得高能粒和磁場對運動電荷的偏轉(zhuǎn)作用來獲得高能粒子，這些過程在回旋加速器的核心部件子，這些過程在回旋加速器的核心部件兩個兩個

5、D D形盒和其間的窄縫內(nèi)完成。形盒和其間的窄縫內(nèi)完成。 磁場：使帶電粒子回旋磁場：使帶電粒子回旋電場：使帶電粒子加速電場：使帶電粒子加速D形盒內(nèi)形盒內(nèi)(電場被屏蔽）：電場被屏蔽）：粒子只受洛倫茲力作用，做勻速粒子只受洛倫茲力作用，做勻速圓周運動，運動周期不變圓周運動，運動周期不變兩盒狹縫之間：兩盒狹縫之間：粒子在電場力作用下做加速運動粒子在電場力作用下做加速運動粒子每經(jīng)過一個周期，被電場加速粒子每經(jīng)過一個周期，被電場加速2次次若每次加速時的電壓為若每次加速時的電壓為U，將帶電粒子在狹縫，將帶電粒子在狹縫之間的運動首尾連接起來可看成什么運動？之間的運動首尾連接起來可看成什么運動？一個初速度為零的

6、勻加速直線運動一個初速度為零的勻加速直線運動qBmvRmmqBRvm221mkmmvEmqBR2)(2與加速電壓無關(guān)！與加速電壓無關(guān)！粒子最后出加速器的速度大小由盒的半徑?jīng)Q定。粒子最后出加速器的速度大小由盒的半徑?jīng)Q定。回旋加速器回旋加速器1、帶電粒子在兩、帶電粒子在兩D形盒中回旋周期等于兩盒狹縫之間高頻電形盒中回旋周期等于兩盒狹縫之間高頻電場的變化周期，粒子每經(jīng)過一個周期，被電場加速多少次？場的變化周期，粒子每經(jīng)過一個周期，被電場加速多少次？2、設(shè)加速電壓為、設(shè)加速電壓為U，粒子的電量為，粒子的電量為q，則，則每次加速增加的動能為每次加速增加的動能為 qUEK 探究一：粒子在回旋加速器中探究一

7、：粒子在回旋加速器中運動時間運動時間3、若粒子的電量為、若粒子的電量為q，最終能量為，最終能量為E，加速電壓為，加速電壓為U，則回旋，則回旋 圈數(shù)為圈數(shù)為4、若每次加速時的電壓為、若每次加速時的電壓為U，將帶電粒子在狹縫之間的運動，將帶電粒子在狹縫之間的運動首尾連接起來可看成什么運動？首尾連接起來可看成什么運動？一個初速度為零的勻加速直線運動一個初速度為零的勻加速直線運動探究探究5、D形盒的半徑為R，兩盒間距為d，質(zhì)子在電場中加速次數(shù)與回旋半周的次數(shù)相同，加速電壓大小可視為不變，比較：質(zhì)子在電場中的加速時間與質(zhì)子在D形盒中運動時間在D形盒中回旋時間為分析：設(shè)質(zhì)子最終速度為v，加速次數(shù)為nnRt

8、2= nT/2 =vt1 =2ndvndv/2t1t2=2d R由于由于R遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于d，故可忽略粒，故可忽略粒子在電場中運動時間子在電場中運動時間比較：比較：結(jié)論：粒子在加速器中運動總時間為結(jié)論：粒子在加速器中運動總時間為 t總總 = nT/2，n為加速次數(shù)為加速次數(shù)在電場中加速時間為分析；對于同一回旋加速器，其粒子回旋的最大半徑分析；對于同一回旋加速器，其粒子回旋的最大半徑是相同的（是相同的（回旋的最大半徑等于回旋的最大半徑等于D形盒的半徑形盒的半徑），設(shè)），設(shè)最大半徑為最大半徑為R，最終能量為，最終能量為E。mRqBmvEqBmv221R2222由最大半徑得：結(jié)論：粒子的最終能量與加

9、速電壓無關(guān)，與結(jié)論：粒子的最終能量與加速電壓無關(guān)，與回旋的最大半徑有關(guān)。加速電壓的高低只會回旋的最大半徑有關(guān)。加速電壓的高低只會影響加速次數(shù)，并不影響加速后的最大動能影響加速次數(shù)，并不影響加速后的最大動能探究二：粒子最終能量探究二：粒子最終能量思考：粒子的最終能量與加速電壓有關(guān)嗎？思考：粒子的最終能量與加速電壓有關(guān)嗎？1、加速電場的周期等于回旋周期（交流電源的頻率、加速電場的周期等于回旋周期（交流電源的頻率等于粒子做勻速圓周運動的頻率。等于粒子做勻速圓周運動的頻率。2、粒子在電場中運動時間遠(yuǎn)小于在磁場中運動的時、粒子在電場中運動時間遠(yuǎn)小于在磁場中運動的時間，故粒子在回旋加速器中運動總時間可認(rèn)為

10、等于間，故粒子在回旋加速器中運動總時間可認(rèn)為等于在磁場中運動時間。在磁場中運動時間。4、在粒子的質(zhì)量、電荷量確定的情節(jié)下，粒子所能、在粒子的質(zhì)量、電荷量確定的情節(jié)下，粒子所能達(dá)到的最大動能只與達(dá)到的最大動能只與D形盒的半徑形盒的半徑R和磁感應(yīng)強度和磁感應(yīng)強度B有關(guān)，與加速電壓有關(guān)，與加速電壓U無關(guān)。無關(guān)。3、粒子做勻速圓周運動的最大半徑為、粒子做勻速圓周運動的最大半徑為D形盒的半徑形盒的半徑回旋加速器的局限性回旋加速器的局限性 若若D形盒的半徑為形盒的半徑為R，則粒子所能獲得的最大速度為，則粒子所能獲得的最大速度為Vmax=BRq/m。為了使粒子獲得較高的能量，通常要加。為了使粒子獲得較高的能

11、量，通常要加大加速電磁鐵的重量和大加速電磁鐵的重量和D形盒的直徑。形盒的直徑。 不過由于相對論的效應(yīng)，當(dāng)粒子的速度太大時，不過由于相對論的效應(yīng)，當(dāng)粒子的速度太大時，m不再是常量，從而回旋共振周期將隨粒子的速率的增長不再是常量，從而回旋共振周期將隨粒子的速率的增長而增長，如果加于而增長，如果加于D形盒兩極的交變電場頻率不變的話，形盒兩極的交變電場頻率不變的話，粒子由于每次遲到一點而不能保證總被加速，所以粒子粒子由于每次遲到一點而不能保證總被加速，所以粒子不能無限被加速。不能無限被加速。 回旋加速器加速粒子能量最高僅能達(dá)到回旋加速器加速粒子能量最高僅能達(dá)到20MeV。而。而對于直線多級加速器，由于

12、粒子是在一條直線形裝置上對于直線多級加速器，由于粒子是在一條直線形裝置上被加速的，不存在上述困難。這種多級裝置在過去沒有被加速的，不存在上述困難。這種多級裝置在過去沒有條件建造，現(xiàn)在已經(jīng)建造出來，長達(dá)幾公里至幾十分里，條件建造，現(xiàn)在已經(jīng)建造出來，長達(dá)幾公里至幾十分里，可將粒子的能量加速到可將粒子的能量加速到2000GeV。 為了把帶電粒子加速到更高的為了把帶電粒子加速到更高的能量，人們還設(shè)計了各種類型的新能量，人們還設(shè)計了各種類型的新型加速器，如：同步加速器、電子型加速器，如：同步加速器、電子感應(yīng)加速器、串列加速器、電子對感應(yīng)加速器、串列加速器、電子對撞機等。撞機等。世界著名粒子加速器世界著名

13、粒子加速器北京正負(fù)電子對撞北京正負(fù)電子對撞機：能使電子束能機：能使電子束能量達(dá)到量達(dá)到3GeV左右左右美國費米加速器實驗室美國費米加速器實驗室，環(huán)形管道的半徑環(huán)形管道的半徑為為2 2公里。產(chǎn)生的高能粒子能量為公里。產(chǎn)生的高能粒子能量為50005000億億電子伏特。電子伏特。 歐洲大型強子對撞機（LHC）是世界上最大的粒子加速器，建于瑞士和法國邊境地區(qū)地下100米深處的環(huán)形隧道中，隧道全長26.659公里。大型強子對撞機2003年開始修建，將近80個國家和地區(qū)的2000多名科學(xué)家參與這一研究項目。 人類對于未知世界的人類對于未知世界的探索，從未也永遠(yuǎn)不會有探索，從未也永遠(yuǎn)不會有止境。在浩瀚的知識

14、海洋止境。在浩瀚的知識海洋中，還有中，還有很多未知的島嶼等很多未知的島嶼等著我們。著我們。思考題：回旋加速器D形盒中央為質(zhì)子流，D形盒間的交變電壓為U2104V，靜止質(zhì)子經(jīng)電場加速后，進(jìn)入D形盒，其最大軌道半徑R1m，磁場的磁感應(yīng)強度B0.5T，質(zhì)子的質(zhì)量m1.671019C。問：（1）質(zhì)子經(jīng)回旋加速器最后得到的動能是多大？共加速了多少次？（2）交變電源的頻率是多大？動能：1.9210-12J次數(shù)6.0102頻率：7.6106Hz 例例2：關(guān)于回旋加速器中電場和磁場的作用的敘述，正：關(guān)于回旋加速器中電場和磁場的作用的敘述，正確的是確的是( )A、電場和磁場都對帶電粒子起加速作用、電場和磁場都對

15、帶電粒子起加速作用B、電場和磁場是交替地對帶電粒子做功的、電場和磁場是交替地對帶電粒子做功的C、只有電場能對帶電粒子起加速作用、只有電場能對帶電粒子起加速作用D、磁場的作用是使帶電粒子在、磁場的作用是使帶電粒子在D形盒中做勻速圓周運動形盒中做勻速圓周運動CD 例例1：串列加速器是用來產(chǎn)生高能離子的裝置。圖中虛線框：串列加速器是用來產(chǎn)生高能離子的裝置。圖中虛線框內(nèi)為其主體的原理示意圖，其中加速管的中部內(nèi)為其主體的原理示意圖，其中加速管的中部b處有很高的正電處有很高的正電勢勢U，a、c兩端均有電極接地（電勢為零）?，F(xiàn)將速度很低的負(fù)兩端均有電極接地（電勢為零）?，F(xiàn)將速度很低的負(fù)一價碳離子從一價碳離子從a端輸入，當(dāng)離子到達(dá)端輸入，當(dāng)離子到達(dá)處時，可被設(shè)在處時，可被設(shè)在處的特處的特殊裝置將其電子剝離，成為殊裝置將其電子剝離，成為n價正離子，而不改變其速度大小。價正離子，而不改變其速度大小。這些正這些正n價碳離子從價碳離子從c端飛出后進(jìn)入一與其速度方向垂直的、磁端飛出后進(jìn)入一與其速度方向垂直的、磁感應(yīng)強度為感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，在磁場中做半徑為的勻強磁場中，在磁場中做半徑為R的圓周運動。的圓周運動。已知碳離子的質(zhì)量為已知碳離子的