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《回旋加速器》课件
《回旋加速器》ppt 课件
xx年xx月xx日
• 回旋加速器简介 • 回旋加速器的工作原理 • 回旋加速器的应用 • 回旋加速器的挑战与未来发展 • 结论
目录
ห้องสมุดไป่ตู้
01
回旋加速器简介
回旋加速器的定义
01
回旋加速器是一种利用磁场和电 场对带电粒子进行加速的装置， 通常用于高能物理实验和放射性 治疗等领域。
03
回旋加速器的应用
核物理研究
核物理实验
回旋加速器是进行核物理实验的重要 工具，如研究原子核的结构、衰变等 。
探测放射性粒子的性质
利用回旋加速器产生的粒子束，可以 探测和研究放射性粒子的性质，如能 量、寿命等。
核能研究
回旋加速器在核能研究中也有广泛应 用，如研究核聚变、核裂变等。
探测暗物质
回旋加速器产生的粒子束可以用于探 测暗物质，帮助科学家更好地理解宇 宙的构成。
率和安全性。
其他应用领域
01
02
03
工业应用
回旋加速器在工业上有广 泛应用，如无损检测、材 料科学等。
环境保护
利用回旋加速器产生的粒 子束，可以对环境污染进 行监测和控制。
农业应用
在农业领域，回旋加速器 可以用于研究植物的生理 和生长过程，以及农药和 化肥的效果评估等。
04
回旋加速器的挑战与未来 发展
才储备。
国际交流
加强国际间的交流与合 作，共同推进回旋加速 器技术的发展和应用。
政策支持
政府应给予回旋加速器 领域更多的政策支持和 资金投入，促进其可持
续发展。
THANKS
感谢观看
粒子能量与加速次数
粒子的能量与加速次数密切相关 。
xx年xx月xx日
• 回旋加速器简介 • 回旋加速器的工作原理 • 回旋加速器的应用 • 回旋加速器的挑战与未来发展 • 结论
目录
ห้องสมุดไป่ตู้
01
回旋加速器简介
回旋加速器的定义
01
回旋加速器是一种利用磁场和电 场对带电粒子进行加速的装置， 通常用于高能物理实验和放射性 治疗等领域。
03
回旋加速器的应用
核物理研究
核物理实验
回旋加速器是进行核物理实验的重要 工具，如研究原子核的结构、衰变等 。
探测放射性粒子的性质
利用回旋加速器产生的粒子束，可以 探测和研究放射性粒子的性质，如能 量、寿命等。
核能研究
回旋加速器在核能研究中也有广泛应 用，如研究核聚变、核裂变等。
探测暗物质
回旋加速器产生的粒子束可以用于探 测暗物质，帮助科学家更好地理解宇 宙的构成。
率和安全性。
其他应用领域
01
02
03
工业应用
回旋加速器在工业上有广 泛应用，如无损检测、材 料科学等。
环境保护
利用回旋加速器产生的粒 子束，可以对环境污染进 行监测和控制。
农业应用
在农业领域，回旋加速器 可以用于研究植物的生理 和生长过程，以及农药和 化肥的效果评估等。
04
回旋加速器的挑战与未来 发展
才储备。
国际交流
加强国际间的交流与合 作，共同推进回旋加速 器技术的发展和应用。
政策支持
政府应给予回旋加速器 领域更多的政策支持和 资金投入，促进其可持
续发展。
THANKS
感谢观看
粒子能量与加速次数
粒子的能量与加速次数密切相关 。
回旋加速器课件
回旋加速器:(1)构造:回旋加速器的核心部件是两个D 形扁金属盒，整个装置放在真空容器中，如图所示。
①两个D形盒之间留有一个窄缝，在中心位置放有粒子源。
②两个D形盒分别接在高频交变电源的两极上，在两盒间的窄缝中形成一个方向呈周期性变化的交变电场。
(2)原理:利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子，如图所示。
①磁场的作用：带电粒子以某一速度垂直于磁场方向进入匀强磁场时，只在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其中周期与速度和半径无关，使带电粒子每次进入D形盒中都能运动相等时间(半个周期)后，平行于电场方向进入电场中加速。
②交流电压：为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被加速，使能量不断提高，要在狭缝处加一个周期与相同的交流电压。
(3)特点①带电粒子在D形盒中的回转周期等于两盒狭缝间高频电场的变化周期，与带电粒子速度无关(磁场保证带电粒子做回旋运动，如图所示)。
②带电粒子在D形金属盒内运动的轨道半径不等距分布。
设带正电粒子的质量为m，电荷量为q，狭缝间加速电压大小为U，粒子源产生的带电粒子，经电场加速第一次进入左半盒时速度和半径分别为。
第二次进入左半盒时，经电场加速3次，进人左半盒的速度和半径为第k次进入左半盒时，经电场加速(2k一1)次，进入左半盒时速度和半径为所以，任意相邻两轨道半径之比可见带电粒子在D形金属盒内运动时，越靠近D 形金属盒的边缘，相邻两轨道的间距越小。
③带电粒子在回旋加速器内运动的最终能量。
由于D形金属盒的大小一定，所以不管粒子的大小及带电荷量如何，粒子最终从加速器内射出时应具有相同的旋转半径。
由牛顿第二定律得动量大小与动能之间存在定量关系由①②两式得可见，带电粒子离开回旋加速器的动能与加速电压无关，而仅受磁感应强度B和D形盒半径的限制。
加速电压的大小只能影响带电粒子在D形盒内加速的次数。
④带电粒子在回旋加速器内的运动时间。
带电粒子在回旋加速器内运动时间的长短，与带电粒子做匀速圆周运动的周期有关，同时还与带电粒子在磁场中转动的圈数有关。
课件：回旋加速器
1、结构：
① 两个D形盒及两个大磁极 ② D形盒间的窄缝 ③ 高频交流电
2、原理
工作原理：利用电场对带电粒子的加速作用 和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒 子，这些过程在回旋加速器的核心部件—— 两个D形盒和其间的窄缝内完成。
① 磁场：使带电粒子回旋
② 电场：使带电粒子加速
3.条件
4.运动特点
回旋加速器
背景材料
粒子加速器是一门多专业的综合性学科，它涉及到加速器物
理和许多高技术领域，其中包括射频、电磁场、电源、超高真空、 精密机械、电子学、计算机及网络、自动控制、束流诊断、辐射 防护、低温超导，等等。 粒子加速器不仅是进行高能物理、原子物理、生命科学、材 料科学等多种基础科学研究的重要实验装置，而且在工农业生产 、医疗、辐照和国防建设等方面也有广泛的应用前景。
回旋加速器的局限性
若D形盒的半径为R，则粒子所能获得的最大速度为 Vmax=BRq/m。为了使粒子获得较高的能量，通常要加 大加速电磁铁的重量和D形盒的直径。 不过由于相对论的效应，当粒子的速度太大时，m 不再是常量，从而回旋共振周期将随粒子的速率的增长 而增长，如果加于D形盒两极的交变电场频率不变的话， 粒子由于每次迟到一点而不能保证总被加速，所以粒子 不能无限被加速。 回旋加速器加速粒子能量最高仅能达到20MeV。而 对于直线多级加速器，由于粒子是在一条直线形装置上 被加速的，不存在上述困难。这种多级装置在过去没有 条件建造，现在已经建造出来，长达几公里至几十分里， 可将粒子的能量加速到2000GeV。
欧洲大型强子对撞机（LHC）是世界上最大的粒子加速器， 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。
第一章 4 《质谱仪与回旋加速器》课件ppt
2 2 m 2
度最大时,其运动半径也最大,即 rm= ,再由动能定理得 Ekm= 2 ,所以
要提高带电粒子获得的最大动能,应尽可能增大磁感应强度 B 和 D 形盒的半
径 R。
知识归纳
回旋加速器
粒子到狭缝总被加速
1.粒子被加速的条件
交流电源的周期等于粒子在磁场中运动的周期。
2.粒子最终的能量
以看作初速度为零,粒子经过电场加速后进入有界的垂直纸面向里的匀强
磁场区域,并沿着半圆周运动而达到照相底片上的P点,测得P点到入口的
距离为x,则以下说法正确的是(
)
A.粒子一定带正电
B.粒子一定带负电
C.x越大,则粒子的质量与电荷量之比一定越大
D.x越大,则粒子的质量与电荷量之比一定越小
解析 根据粒子的运动方向和洛伦兹力方向,由左手定则知粒子带正电,故 A
)
A.粒子被加速后的最大速度随磁感应强度和D形盒的半径的增大而增大
B.粒子被加速后的最大动能随高频电源的加速电压的增大而增大
C.高频电源频率由粒子的质量、电荷量和磁感应强度决定
D.粒子从磁场中获得能量
答案 AC
随堂检测
1.若速度相同的同一束列相关说法正确的是(
0
越大,D 错误。
答案 ABC
探究二
回旋加速器
情境探究
下图是回旋加速器的原理图,已知D形盒的半径为R,匀强磁场的磁感应强
度为B,交流电源的周期为T,若用该回旋加速器来加速质子,设质子的质量
为m,电荷量为q,请思考:
(1)回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用?质子每次经过狭缝时,动能
的增加量是多少?
级加速的办法。
在多级加速器中粒子做直线运动,加速装置要很长很长,占用的空间范围很
度最大时,其运动半径也最大,即 rm= ,再由动能定理得 Ekm= 2 ,所以
要提高带电粒子获得的最大动能,应尽可能增大磁感应强度 B 和 D 形盒的半
径 R。
知识归纳
回旋加速器
粒子到狭缝总被加速
1.粒子被加速的条件
交流电源的周期等于粒子在磁场中运动的周期。
2.粒子最终的能量
以看作初速度为零,粒子经过电场加速后进入有界的垂直纸面向里的匀强
磁场区域,并沿着半圆周运动而达到照相底片上的P点,测得P点到入口的
距离为x,则以下说法正确的是(
)
A.粒子一定带正电
B.粒子一定带负电
C.x越大,则粒子的质量与电荷量之比一定越大
D.x越大,则粒子的质量与电荷量之比一定越小
解析 根据粒子的运动方向和洛伦兹力方向,由左手定则知粒子带正电,故 A
)
A.粒子被加速后的最大速度随磁感应强度和D形盒的半径的增大而增大
B.粒子被加速后的最大动能随高频电源的加速电压的增大而增大
C.高频电源频率由粒子的质量、电荷量和磁感应强度决定
D.粒子从磁场中获得能量
答案 AC
随堂检测
1.若速度相同的同一束列相关说法正确的是(
0
越大,D 错误。
答案 ABC
探究二
回旋加速器
情境探究
下图是回旋加速器的原理图,已知D形盒的半径为R,匀强磁场的磁感应强
度为B,交流电源的周期为T,若用该回旋加速器来加速质子,设质子的质量
为m,电荷量为q,请思考:
(1)回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用?质子每次经过狭缝时,动能
的增加量是多少?
级加速的办法。
在多级加速器中粒子做直线运动,加速装置要很长很长,占用的空间范围很
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周期会随着匀速圆周运动的速度的越来越大而 变小吗？
T 2r
v
r mv qB
T 2m
qB
与粒子的运动速 度无关，对于同 一粒子周期不变!
例题
回旋加速器D形盒的半径为r，匀强磁场的磁感应强 度为B，一个质量为m，电荷量为q的粒子在加速器的中 央从速度为零开始加速，根据回旋加速器的这些数据估 算该粒子离开回旋加速器时获得的速度，及回旋加速器 的电场变化周期。
T 2m
qB
v qBr m
D形盒的半径越大，粒 子所能获得的速度越大
北京正负电子对撞机：撞出物质奥秘
大科学装置的存在和应用水 平，是一个国家科学技术发展的 具象。它如同一块巨大的磁铁， 能够集聚智慧，构成一个多学科 阵地。作为典型的大科学装置， 北京正负电子对撞机的重大改造 工程就是要再添磁力。
带电粒子在电场中的加速
+
U
+q
-
带电粒子初速度为0，将 其加速到V需要多大的电 压？
qu 1 mv2 2
v 2qu m
高压产生的问题 1、容易击穿电极板。 2、容易使周围的空气电离变成导体。
如何变高压为低压
火炬 分级传递
抗震救灾 解放军分级传递瓦砾 盖瓦 瓦片的分级传递
分级加速
直线加速器
UU U U
U
优点：各级电压独立，低压分级加速 缺点：级数太多，占用空间太大
斯坦福直线加速器中心鸟瞰图
1962年斯坦福直线加速器中心成立后， 开始建造2英里长的直线加速器和实验区
利用磁场让粒子做圆周运动！
回旋加速器
以 正
V3
粒 子
V1
为 例
+ -
《回旋加速器 》课件
03
控制系统的性能直接影响回 旋加速器的整体性能，如加 速粒子的能量、加速效率等 。
04
控制系统的维护和保养也是 非常重要的，因为控制系统 的稳定性会影响粒子的运动 轨迹，进而影响加速器的性 能。
04
回旋加速器的优缺点
优点
高能物理实验的理想工具
回旋加速器能够提供高能粒子束，是进行高能物理实验的理想工具， 有助于深入理解物质的基本结构和性质。
带电粒子在回旋加速器中沿着 环形轨道不断加速和偏转，最 终达到所需的高能状态。
03
回旋加速器的结构与特点
磁铁系统
磁铁系统是回旋加速器的重要组成部分，主要负 责产生强大的磁场，使带电粒子在回旋运动中受 到洛伦兹力的作用而加速。
磁铁系统的性能直接影响回旋加速器的整体性能 ，如加速粒子的能量、加速效率等。
THANKS
感谢观看
缺点
高成本
回旋加速器是一种复杂的大型科学装置， 其建设和运行需要耗费大量的资金和人力
资源，因此其成本较高。
占地面积大
回旋加速器是一种大型装置，其占地面积 较大，需要专门的实验场地进行建设和运
行。
高技术要求
回旋加速器的设计和制造需要高度的技术 水平，同时其运行和维护也需要专业技术 人员，因此其技术要求较高。
回旋加速器通常由两个或多个加速电 极组成，通过周期性地改变电极上的 电压来加速带电粒子。
回旋加速器的发展历程
01
回旋加速器的发展始于20世纪20 年代，最初是由荷兰物理学家塞 缪尔·范德波尔发明的。
02
随着科技的不断进步，回旋加速 器的设计和性能得到了不断改进 ，目前已经广泛应用于科研、医 疗、工业等领域。
可重复性
回旋加速器能够提供稳定、可重复的实验条件，使得科学家可以在相 同条件下进行多次实验，提高实验结果的可靠性和可比较性。
课件：回旋加速器28页PPT
课件：回旋加速器
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 3斯
40、人类法律，事物有规律，这是不 容忽视 的。— —爱献 生
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 3斯
40、人类法律，事物有规律，这是不 容忽视 的。— —爱献 生
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
《回旋加速器》课件
其他应用领域
医学成像
回旋加速器在医学成像领域也有应用，例如用于生产用于正电子发射断层扫描（PET）的放射性示踪剂。
科学研究
除了上述应用外，回旋加速器还在材料科学、化学、生物学等领域中得到广泛应用，为科学研究提供有力支持。
04
回旋加速器的挑战与未来发展
技术挑战与解决方案
技术挑战
随着科技的发展，回旋加速器的技术挑战也 在不断增加。例如，如何提高加速器的能量 效率、减小设备体积、提高粒子束质量等问 题，都是当前面临的重要挑战。
历史与发展
历史
回旋加速器最初由美国物理学家劳伦 斯于1930年代发明，最初用于研究 原子核物理。
发展
随着科技的不断进步，回旋加速器的 规模和性能不断提升，现已成为高能 物理实验的重要工具。
种类与结构
种类
根据加速粒子的种类和能量需求，回旋加速器可分为不同类 型的加速器，如质子回旋加速器、离子回旋加速器等。
磁场的变化
为了使粒子在回旋过程中保持稳定的 轨道，磁场也必须是周期性变化的。 这个周期与粒子的回旋周期同步。
粒子束的形成和导
粒子束的形成
在回旋加速器中，粒子被加速并形成一个束流。这个束流通常被引导到一个实验室内，以便进行各种 实验。
粒子的导出
为了使粒子束能够用于实验，它必须被导出到实验室内。这通常通过一个特殊的出口或“靶室”来完 成。
对采集到的实验数据进行 处理，提取有用的信息。
结果分析
根据处理后的数据进行分 析，得出实验结论。
结果评估
评估实验结果是否符合预 期，并提出改进意见和建 议。
THANKS
感谢观看
VS
放射性治疗计划
通过回旋加速器，可以精确控制放射剂量 和照射范围，提高放射治疗的准确性和效 果。
课件：回旋加速器
A．若污水中正离子较多，则前表面比后表面电势高
B．若污水中负离子较多，则前表面比后表面电势高
C．污水中离子浓度越高电压表的示数将越大
D．污水流量Q与U成正比
B
b
a
Q
c
【课外练习】：图为一种获得高能粒子的装置。环行区域内存在垂直纸面 向外的、大小可调节的均匀磁场。质量为m，电量为+q的粒子在环中做半径 为R的圆周运动。A、B为两块中心开有小孔的极板。原来电势都为零，每当 粒子飞经A板时，A板电势升高为+U，B板电势仍保持为零，粒子在两板间的 电场中得到加速。每当粒子离开B板时，A板电势又降为零。粒子在电场中一 次次加速下动能不断增大，而半径不变。
5.粒子在半径一定（为R）的加速器中加速 获得的最大速度与什么因素有关？与电场的 电压、磁场的磁感应强度是否有关？
由最大半径得： R＝ mv E 1 mv 2 B2q2R2
qB
2
2m
R越大，B越大，粒子获得的能量E 越大。E与加速电压U无关
回旋加速器
扩展
1、带电粒子在两D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 几次？
磁场的几个实际应用
一、回旋加速器
• 在现代物理学中为了进一步研究物质的微 观结构，需要用能量很高的粒子来轰击原 子核。为了使带电粒子获得如此高的能量 ，就必须设计一个能给粒子加速的装置－ －加速器
问题1：用什么方法可把带电粒子加速呢？
问题2：带电粒子电荷、质量一定，要使它 获得的能量增加可采用什么方法呢？
1.结构：
2.工作原理：
（1）电场的作用：加速
（2）磁场的作用：使粒子的速度方 向改变
思考：
第2讲：回旋加速器(最新版)
1 W总 mvn 2 0 2 1 2 nqU mv n 2
这是总功
问：【回旋加速器】的原理是什么？ 答：电场加速，磁场回旋，所以叫回旋加速器
问：【回旋加速器】中的能量怎样转化？
答：电能 转化为动能
问：【回旋加速器】的关键是什么？
答：粒子偏转半个周期，电场方向刚好改变
问：【回旋加速器】的优点是什么？
v1
1
1
v2
对B点使用左手定则发现 F洛向下，所以向下偏。
U
粒子在磁场中匀速所以v2=v2
后来粒子就重复这样的运动，直到离开D形盒
问：第一次加速与第二次加速时电场方向有没有发生改变？ 答：改变了，要保证粒子继续加速，电场的方向必须改变。
第一次加速时 电场向右 第二次加速时 电场向左
问：小半圆和大半圆的时间可一样？
即：W总=n· qU
1 2 nqU mv 2
2nqU v m
回旋加速器
问：回旋加速器长什么样子？ 答：如图所示
回旋加速器的结构图
问：回旋加速器由哪些部分构成的？ 答：产生磁场的磁体、两个D形盒。
D形盒 D形盒
问：两个D形盒之间接什么电压？ 答：交变电压，一种特殊的交变电压。
答：根据
mv R盒 qB
qBR盒 v 知： m
增大磁感应强度
提高粒子最终速度的两种方式 增大D形盒的半径
问：设粒子在电场中加速了n次，请问粒子在磁场中转了多 少圈？
答：根据前面的分析，每加速1次粒子转半圈，所以 加速2次，粒子转1圈 加速3次，粒子转1.5圈 加速4次，粒子转2圈 n 所以粒子在磁场中转的圈数=
这是总功
问：【回旋加速器】的原理是什么？ 答：电场加速，磁场回旋，所以叫回旋加速器
问：【回旋加速器】中的能量怎样转化？
答：电能 转化为动能
问：【回旋加速器】的关键是什么？
答：粒子偏转半个周期，电场方向刚好改变
问：【回旋加速器】的优点是什么？
v1
1
1
v2
对B点使用左手定则发现 F洛向下，所以向下偏。
U
粒子在磁场中匀速所以v2=v2
后来粒子就重复这样的运动，直到离开D形盒
问：第一次加速与第二次加速时电场方向有没有发生改变？ 答：改变了，要保证粒子继续加速，电场的方向必须改变。
第一次加速时 电场向右 第二次加速时 电场向左
问：小半圆和大半圆的时间可一样？
即：W总=n· qU
1 2 nqU mv 2
2nqU v m
回旋加速器
问：回旋加速器长什么样子？ 答：如图所示
回旋加速器的结构图
问：回旋加速器由哪些部分构成的？ 答：产生磁场的磁体、两个D形盒。
D形盒 D形盒
问：两个D形盒之间接什么电压？ 答：交变电压，一种特殊的交变电压。
答：根据
mv R盒 qB
qBR盒 v 知： m
增大磁感应强度
提高粒子最终速度的两种方式 增大D形盒的半径
问：设粒子在电场中加速了n次，请问粒子在磁场中转了多 少圈？
答：根据前面的分析，每加速1次粒子转半圈，所以 加速2次，粒子转1圈 加速3次，粒子转1.5圈 加速4次，粒子转2圈 n 所以粒子在磁场中转的圈数=
课件：回旋加速器
பைடு நூலகம்
思考： 思考：如何才能使带电粒子既实现了 多级加速，又不必增加设备的长度呢？ 多级加速，又不必增加设备的长度呢？ ★在一个电场外再加一个磁场，使经 在一个电场外再加一个磁场， 电场加速后穿出的带电粒子又重返电场， 电场加速后穿出的带电粒子又重返电场， 进行再次加速， 进行再次加速，从而使带电粒子获得更大 的速度，这样的装置叫回旋加速器 回旋加速器。 的速度，这样的装置叫回旋加速器。
例：回旋加速器D形盒中央为质子流，D形盒间的交变 电压为U＝2×104V，静止质子经电场加速后，进入D 形盒，其最大轨道半径R＝1m，磁场的磁感应强度B ＝0.5T，质子的质量m＝1.67×10－19C。问： （1）质子经回旋加速器最后得到的动能是多大？（2） 交变电源的频率是多大？
动能：1.92×10-12J 频率：7.6×106Hz
1932年,美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器 年 美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器 美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器, 1939年因为此项发明还获得了诺贝尔物理学奖 年因为此项发明还获得了诺贝尔物理学奖. 年因为此项发明还获得了诺贝尔物理学奖
二、回旋加速器： 回旋加速器：
回旋加速器的基本结构 回旋加速器的基本结构 ★回旋加 速器的基本结 形盒、 构：D形盒、 形盒 强电磁铁、 强电磁铁、交 变电源、 变电源、粒子 源、引出装置 其中， 等。其中，两 个空心的D形 个空心的 形 金属盒是它的 核心部分。 核心部分。
回旋加速器
思考1：如何才能使带电粒子加速呢？ 思考 ：如何才能使带电粒子加速呢？ 利用电场可使带电粒子加速。 ★利用电场可使带电粒子加速。
思考1： 思考 ：利用如图所示的电场给带电粒 子加速，粒子所获得的速度为多少？ 子加速，粒子所获得的速度为多少？
思考： 思考：如何才能使带电粒子既实现了 多级加速，又不必增加设备的长度呢？ 多级加速，又不必增加设备的长度呢？ ★在一个电场外再加一个磁场，使经 在一个电场外再加一个磁场， 电场加速后穿出的带电粒子又重返电场， 电场加速后穿出的带电粒子又重返电场， 进行再次加速， 进行再次加速，从而使带电粒子获得更大 的速度，这样的装置叫回旋加速器 回旋加速器。 的速度，这样的装置叫回旋加速器。
例：回旋加速器D形盒中央为质子流，D形盒间的交变 电压为U＝2×104V，静止质子经电场加速后，进入D 形盒，其最大轨道半径R＝1m，磁场的磁感应强度B ＝0.5T，质子的质量m＝1.67×10－19C。问： （1）质子经回旋加速器最后得到的动能是多大？（2） 交变电源的频率是多大？
动能：1.92×10-12J 频率：7.6×106Hz
1932年,美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器 年 美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器 美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器, 1939年因为此项发明还获得了诺贝尔物理学奖 年因为此项发明还获得了诺贝尔物理学奖. 年因为此项发明还获得了诺贝尔物理学奖
二、回旋加速器： 回旋加速器：
回旋加速器的基本结构 回旋加速器的基本结构 ★回旋加 速器的基本结 形盒、 构：D形盒、 形盒 强电磁铁、 强电磁铁、交 变电源、 变电源、粒子 源、引出装置 其中， 等。其中，两 个空心的D形 个空心的 形 金属盒是它的 核心部分。 核心部分。
回旋加速器
思考1：如何才能使带电粒子加速呢？ 思考 ：如何才能使带电粒子加速呢？ 利用电场可使带电粒子加速。 ★利用电场可使带电粒子加速。
思考1： 思考 ：利用如图所示的电场给带电粒 子加速，粒子所获得的速度为多少？ 子加速，粒子所获得的速度为多少？
洛伦兹力与现代科技回旋加速器PPT
图3－5－10 35
解析：选 AD.带电粒子在磁场中做部分圆周运动，求 所用的时间可用公式 t＝2θπT，2Tπ是恒量．所以 t 和轨 迹所对应的圆心角 θ 成正比，故 A 正确；运动时间 长，轨迹对应的圆心角 θ 大，而轨迹长度 s＝R·θ，如 果半径较小，s 也不一定就大，故 B 不正确；
36
图3－5－7
25
A．增大匀强电场间的加速电压 B．增大磁场的磁感应强度 C．减小狭缝间的距离 D．增大D形金属盒的半径
解析：选 BD.当粒子速度最大时，其运动半径
也最大，由 qvB＝mRv2，得 v＝qmBR，所以 Ekm
＝q2B2R2，要增大 2m
Ek，则应增大磁场的磁感应源自强度 B 以及 D 形金属盒的半径 R，B、D 正确．
有的同学想到了加磁场使粒子旋转，加电场使粒子加速， 这个想法很好。如果让它们巧妙配合，使带电粒子边旋 转边加速就好了。
早在1932年，美国物理学家劳伦斯就发明了这种装 置——回旋加速器。从而使人类在获得较高能量的粒子 方面迈了一大步，为此，劳伦斯获得了诺贝尔物理奖。
回旋加速器
5
二、回旋加速器
它的核心结构是两个D形的金 属盒，两个D形盒接在电极上。 D形盒中间有一个窄缝，中心 附近有一个粒子源。整个装置 放在巨大的电磁铁的两极之间。 加速后的粒子最后由特殊装置 引出。
图3－5－8
30
解析：选AD.A、C选项中粒子在电场中向下偏 转，所以粒子带正电，再进入磁场后，A图中 粒子应逆时针转，正确．C图中粒子应顺时针 转，错误．同理可以判断B错，D对．
31
课堂互动讲练
类型一 带电粒子在有界磁场中的运动 例1 如图3－5－9所示，一束电子(电荷量为e) 以速度v垂直射入磁感应强度为B、宽度为d的匀 强磁场中，穿透磁场时速度方向与原来入射方向 的夹角是30°，则电子的质量是________，穿透 磁场的时间是________．
解析：选 AD.带电粒子在磁场中做部分圆周运动，求 所用的时间可用公式 t＝2θπT，2Tπ是恒量．所以 t 和轨 迹所对应的圆心角 θ 成正比，故 A 正确；运动时间 长，轨迹对应的圆心角 θ 大，而轨迹长度 s＝R·θ，如 果半径较小，s 也不一定就大，故 B 不正确；
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图3－5－7
25
A．增大匀强电场间的加速电压 B．增大磁场的磁感应强度 C．减小狭缝间的距离 D．增大D形金属盒的半径
解析：选 BD.当粒子速度最大时，其运动半径
也最大，由 qvB＝mRv2，得 v＝qmBR，所以 Ekm
＝q2B2R2，要增大 2m
Ek，则应增大磁场的磁感应源自强度 B 以及 D 形金属盒的半径 R，B、D 正确．
有的同学想到了加磁场使粒子旋转，加电场使粒子加速， 这个想法很好。如果让它们巧妙配合，使带电粒子边旋 转边加速就好了。
早在1932年，美国物理学家劳伦斯就发明了这种装 置——回旋加速器。从而使人类在获得较高能量的粒子 方面迈了一大步，为此，劳伦斯获得了诺贝尔物理奖。
回旋加速器
5
二、回旋加速器
它的核心结构是两个D形的金 属盒，两个D形盒接在电极上。 D形盒中间有一个窄缝，中心 附近有一个粒子源。整个装置 放在巨大的电磁铁的两极之间。 加速后的粒子最后由特殊装置 引出。
图3－5－8
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解析：选AD.A、C选项中粒子在电场中向下偏 转，所以粒子带正电，再进入磁场后，A图中 粒子应逆时针转，正确．C图中粒子应顺时针 转，错误．同理可以判断B错，D对．
31
课堂互动讲练
类型一 带电粒子在有界磁场中的运动 例1 如图3－5－9所示，一束电子(电荷量为e) 以速度v垂直射入磁感应强度为B、宽度为d的匀 强磁场中，穿透磁场时速度方向与原来入射方向 的夹角是30°，则电子的质量是________，穿透 磁场的时间是________．
第二章回旋加速器20页
三、发展趋势
1.采用等时性原理 2.小型化、商品化 3.高能、超导
第二节 带电粒子在恒定磁 场中的运动
一、运动方程
1.普通运动方程
d(m v)qE eq(evB ) dt
2.柱坐标运动方程
轴向 d d(m td d)z tq ed dB r tqe r(rB d d )tqe z E
径向 辐向
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关心的是Δz与Δr
Δz = zz0 = z0 = z Δr = rr0 = rrc= x
2.轴向运动稳定条件
Br(z)B zrczB rzcz
泰勒展开
保守力场
∴
d dt
(m
dz dt
)
qeB
rr
d dt
qe B z zr d r c dt
m 2 rc B z z Bc r c
m 2 nz
此处
n
rc Bc
←Brz 磁c 场降落指数
于是
d(mdz)m2nz
dt dt
当n > 0，为简谐振动方程，稳定
（短时间内dm/dt≈0）
当n < 0，解为双曲函数，发散
故稳定条件为n
>
0，即
B z r
0
3.zB v
其中
mv2 r
Er EEZ0
2）运动方程
（忽略加速效应）
轴向 径向 辐向
d (mdz) 0 dt dt
d d(m t d d)r tm(d d r )t2qe zrd B d t
dd(tm2rdd)tqezrBd drt
3）闭轨
若粒子初速度沿辐向，则形成闭轨
此时
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（2）求粒子从静止开始加速到出口处所需的时间t； （3）实际使用中，磁感应强度和加速电场频率都有最 大值的限制。若某一加速器磁感应强度和加速电场频率 的最大值分别为Bm、fm，试讨论粒子能获得的最大动 能E㎞。
5．(22分)正电子发射计算机断层(PET)是分子水平上的人体功 能显像的国际领先技术，它为临床诊断和治疗提供全新的段。
4.（09年江苏卷）1932年，劳伦斯和利文斯设计出了 回旋加速器。回旋加速器的工作原理如图所示，置于高 真空中的D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带 电粒子穿过的时间可以忽略不计。磁感应强度为B的匀 强磁场与盒面垂直。A处粒子源产生的粒子，质量为m、 电荷量为+q ，在加速器中被加速，加速电压为U。加 速过程中不考虑相对论效应和重力作用。 （1）求粒子第2次和第1次经过 两D形盒间狭缝后轨道半径比；
2、粒子在回旋加速器中运动的时间计算
3、轨道半径的变化Байду номын сангаас律 4、回旋加速器的局限性
三、专题训练
1.（08广东卷）1930年劳伦斯制成了世界上第一台回 旋加速器，其原理如图所示，这台加速器由两个铜质D 形合D1、D2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是 () A．离子由加速器的中心附近进入加速器 B．离子由加速器的边缘进入加速器 C．离子从磁场中获得能量 D．离子从电场中获得能量
D.不改变B和f，该回旋加速器 也能用于加速α粒子
3．两个相同的回旋加速器，分别接在加速电压为U1 和U2而频率相同的高频交变电源上，且U2=2U1。有两 个相同的带电粒子分别在这两个加速器中运动，设两
个粒子在加速器中运动的时间分别为t1和t2，获得的最 大动能分别为E1和E2，则有 ( )
A．tl=t2，El=E2 B．tl=t2，E1<E2 C．t1>t2，E1=E2 D．t1>t2，E1<E2
（忽略质子在电场中的运动时间，其最大速度远小于光 速）。
（2）试推理说明：质子在回旋 加速器中运动时，随轨道半径r 的增大，同一盒中相邻轨道的
半径之差△r是装置大、减小还 是不变？
7、如图所示为一种获得高能粒子的装置，环形区域内存
在垂直纸面的匀强磁场，质量为m，电量为＋q的粒子， 在环中做半径为R的圆周运动，A、B为两块中心开有小孔 的极板，原来电势均为零，每当粒子飞经A板时，A板电 势升高为＋U，B板电势仍保持为零，粒子在两极中得到 加速．每当粒子离开时，A极电势又降为零，粒子在电场
中一次一次加速下动能不断增大，而绕行半径不变．
（1）设 t=0时，粒子静止在A板小孔处，在电场作用下 加速，并开始绕行第一回，求粒子绕行n圈回到A板时获
得的动能En ． （2）为使粒子运动半径始终不变，磁场必周期性递增，
求粒子绕行第n圈时磁感强度 Bn为多少？ （3）求粒子绕行n圈所需的总 时间 tn．（设极板间距远小于R）
2．回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分 别与高频交流电源两极相连接的两个D形金属盒两盒间
的狭缝中形成周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时 都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁 场中，如图所示．设D形盒半径为R．若用回旋加速器加 速质子时，匀强磁场的磁感应强度为B，高频交流电频 率为f则下列说法正确的是（ ） A.质子被加速后的最大速度不可能超过2πfR B.质子被加速后的最大速度与加速电场的电压大小无关 C.只要R足够大，质子的速 度可以被加速到任意值
(1)PET所用回旋加速示意如图，其中置于高真空中的金属D形 盒的半径为R，两盒问距为d，在左侧D形盒圆心处放有粒子源S， 匀强磁场的磁感应强度为B，方向如图所示。质子质量为m，电 荷量为q。设质子从粒子源s进入加速电场 时的初速度不计，质 子在加速器中运动的总时间为t(其中已略去了质子在加速电场中 的运动时间)，质子在电场中的加速次数与回旋半周的次数相同， 加速电子时的电压大小可视为不变。求此加速器所需的高频电 源频率f，和加速电压U0 (2)试推证当R>>d时，质子在电场 中加速的总时间相对于在D形盒中 回旋的总时间可忽略不计(质子在 电场中运动时，不考虑磁场的影响)。
磁场小专题研究4----回旋加速器
一、回旋加速器的工作原理 1、D型盒、强磁场， 教材图3-5-4（a）（b）
2、频率极高的交流电源（加速粒子的作用） 思考：（1）交变电流的周期与粒子做圆周运动的 周期的关系？
（2）一个周期内粒子被加速几次？
3,回旋加速器的模型
B U
B
二、回旋加速器中的基本问题 1、最大动能 思考：最大动能由那些物理量决定？
6、（1）回旋加速器的原理如图，D1和D2是两个中空的 半径为R的半圆金属盒，它们接在电压一定、频率为f的 交流电源上，位于D1圆心处的质子源A能不断产生质子 （初速度可忽略，重力不计），它们在两盒之间被电场 加速，D1、D2置于盒面垂直的磁感应强度为B的匀强磁 场中。若质子束从回旋加速器输出时的平均功率为P， 求输出时质子束的等效电流I与P、B、R、f的关系式
5．(22分)正电子发射计算机断层(PET)是分子水平上的人体功 能显像的国际领先技术，它为临床诊断和治疗提供全新的段。
4.（09年江苏卷）1932年，劳伦斯和利文斯设计出了 回旋加速器。回旋加速器的工作原理如图所示，置于高 真空中的D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带 电粒子穿过的时间可以忽略不计。磁感应强度为B的匀 强磁场与盒面垂直。A处粒子源产生的粒子，质量为m、 电荷量为+q ，在加速器中被加速，加速电压为U。加 速过程中不考虑相对论效应和重力作用。 （1）求粒子第2次和第1次经过 两D形盒间狭缝后轨道半径比；
2、粒子在回旋加速器中运动的时间计算
3、轨道半径的变化Байду номын сангаас律 4、回旋加速器的局限性
三、专题训练
1.（08广东卷）1930年劳伦斯制成了世界上第一台回 旋加速器，其原理如图所示，这台加速器由两个铜质D 形合D1、D2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是 () A．离子由加速器的中心附近进入加速器 B．离子由加速器的边缘进入加速器 C．离子从磁场中获得能量 D．离子从电场中获得能量
D.不改变B和f，该回旋加速器 也能用于加速α粒子
3．两个相同的回旋加速器，分别接在加速电压为U1 和U2而频率相同的高频交变电源上，且U2=2U1。有两 个相同的带电粒子分别在这两个加速器中运动，设两
个粒子在加速器中运动的时间分别为t1和t2，获得的最 大动能分别为E1和E2，则有 ( )
A．tl=t2，El=E2 B．tl=t2，E1<E2 C．t1>t2，E1=E2 D．t1>t2，E1<E2
（忽略质子在电场中的运动时间，其最大速度远小于光 速）。
（2）试推理说明：质子在回旋 加速器中运动时，随轨道半径r 的增大，同一盒中相邻轨道的
半径之差△r是装置大、减小还 是不变？
7、如图所示为一种获得高能粒子的装置，环形区域内存
在垂直纸面的匀强磁场，质量为m，电量为＋q的粒子， 在环中做半径为R的圆周运动，A、B为两块中心开有小孔 的极板，原来电势均为零，每当粒子飞经A板时，A板电 势升高为＋U，B板电势仍保持为零，粒子在两极中得到 加速．每当粒子离开时，A极电势又降为零，粒子在电场
中一次一次加速下动能不断增大，而绕行半径不变．
（1）设 t=0时，粒子静止在A板小孔处，在电场作用下 加速，并开始绕行第一回，求粒子绕行n圈回到A板时获
得的动能En ． （2）为使粒子运动半径始终不变，磁场必周期性递增，
求粒子绕行第n圈时磁感强度 Bn为多少？ （3）求粒子绕行n圈所需的总 时间 tn．（设极板间距远小于R）
2．回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分 别与高频交流电源两极相连接的两个D形金属盒两盒间
的狭缝中形成周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时 都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁 场中，如图所示．设D形盒半径为R．若用回旋加速器加 速质子时，匀强磁场的磁感应强度为B，高频交流电频 率为f则下列说法正确的是（ ） A.质子被加速后的最大速度不可能超过2πfR B.质子被加速后的最大速度与加速电场的电压大小无关 C.只要R足够大，质子的速 度可以被加速到任意值
(1)PET所用回旋加速示意如图，其中置于高真空中的金属D形 盒的半径为R，两盒问距为d，在左侧D形盒圆心处放有粒子源S， 匀强磁场的磁感应强度为B，方向如图所示。质子质量为m，电 荷量为q。设质子从粒子源s进入加速电场 时的初速度不计，质 子在加速器中运动的总时间为t(其中已略去了质子在加速电场中 的运动时间)，质子在电场中的加速次数与回旋半周的次数相同， 加速电子时的电压大小可视为不变。求此加速器所需的高频电 源频率f，和加速电压U0 (2)试推证当R>>d时，质子在电场 中加速的总时间相对于在D形盒中 回旋的总时间可忽略不计(质子在 电场中运动时，不考虑磁场的影响)。
磁场小专题研究4----回旋加速器
一、回旋加速器的工作原理 1、D型盒、强磁场， 教材图3-5-4（a）（b）
2、频率极高的交流电源（加速粒子的作用） 思考：（1）交变电流的周期与粒子做圆周运动的 周期的关系？
（2）一个周期内粒子被加速几次？
3,回旋加速器的模型
B U
B
二、回旋加速器中的基本问题 1、最大动能 思考：最大动能由那些物理量决定？
6、（1）回旋加速器的原理如图，D1和D2是两个中空的 半径为R的半圆金属盒，它们接在电压一定、频率为f的 交流电源上，位于D1圆心处的质子源A能不断产生质子 （初速度可忽略，重力不计），它们在两盒之间被电场 加速，D1、D2置于盒面垂直的磁感应强度为B的匀强磁 场中。若质子束从回旋加速器输出时的平均功率为P， 求输出时质子束的等效电流I与P、B、R、f的关系式