课件：回旋加速器

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。
着我们。
思考题：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？共 加速了多少次？
（2）交变电源的频率是多大？
动能：1.92×10-12J
次数6.0×102
频率：7.6×106Hz
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( CD ) 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
圆周运动，运动周期不变 ②两盒狭缝之间：粒子在电场力作用下做加速运动 ③粒子每经过一个周期，被电场加速2次 ④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
① D形盒内(电场被屏蔽）：粒子只受洛伦兹力作用，做匀
⑤粒子最后出加速器的速度大小由盒的半径决定。
世界最大直线加速器：斯坦福大学直线加 速器
22 英里长的直线加速管 英里长的直线加速管
二、回旋加速器
直线加速器的缺点： 体积通常较大，占 地面积大。
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？
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。
K
3、若粒子的电量为q，最终能量为E，加速电压为U，则回旋 圈数为
4、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
5、D形盒的半径为R，两盒间距为d，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 视为不变，比较：质子在电场中的加速时间与质子 在D形盒中运动时间 分析：设质子最终速度为v，加速次数为n nd 2nd = 在电场中加速时间为 t1 = v v/2 在D形盒中回旋时间为 t2 = nT/2 = nпR v 由于R远远大于d，故可忽略粒 比较： t1 = 2d t2 子在电场中运动时间 пR 结论：粒子在加速器中运动总时间为 t总 = nT/2，n 为加速次数
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。
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
解：设碳离子到达b处时的速度为v1 从c端射出时的速度为v2， 由动能定理得： eU = mv12/2， neU = mv22/2 －mv12/2， 进入磁场后，碳离子做圆周运动， R=mv2/Bne，得 加速管
b 加速管
a
a
b
C
cwk.baidu.com
1 2m Un 1 R 0.75m Bn e
加速管
加速管
例1：串列加速器是用来产生高能离子的装置。图中虚线框 内为其主体的原理示意图，其中加速管的中部b处有很高的正电 势U，a、c两端均有电极接地（电势为零）。现将速度很低的负 一价碳离子从a端输入，当离子到达ｂ处时，可被设在ｂ处的特 殊装置将其电子剥离，成为n价正离子，而不改变其速度大小。 这些正n价碳离子从c端飞出后进入一与其速度方向垂直的、磁 感应强度为B的匀强磁场中，在磁场中做半径为R的圆周运动。 已知碳离子的质量为m=2.0×10-26kg，U=7.5×105V，B=0.50T， n=2，基元电荷e=1.6×10-19C，求R。
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。
3、粒子做匀速圆周运动的最大半径为D形盒的半径 4、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D形盒的半径R和磁感应强度B 有关，与加速电压U无关。
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 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 撞机等。
世界著名粒子加速器
北京正负电子对撞 机：能使电子束能 量达到3GeV左右
美国费米加速器实验室，环形管道的半径 为2公里。产生的高能粒子能量为5000亿 电子伏特。
粒子获得最大速度
mvm R qB
qBR vm m
2
粒子获得最大动能
Ekm
1 2 (qBR) mv m 2 2m
与加速电压无关！
回 旋 加 速 器
探究
探究一：粒子在回旋加速器中 运动时间
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，被电场加速多少次？ 2、设加速电压为U，粒子的电量为q，则 每次加速增加的动能为 E ＝qU
多级加速
加速运动
＋ －
匀速直线运动
＋
－
＋
－
＋
－
m q
·
U 一级
……
U 二级
U 三级
U n 级
粒子获得的能量：E=nqU
思考
电源为交流电源，当离子在各筒内穿 过的时间都为t=T/2时，离子才有可能 每次通过圆筒间缝隙都被加速.
直线加速器
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，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，因此直线加速器得体积通常都较大
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。
人类对于未知世界的 探索，从未也永远不会有 止境。在浩瀚的知识海洋 中，还有很多未知的岛屿等
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？ 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（回旋的最大半径等于D形盒的半径），设 最大半径为R，最终能量为E。
mv 1 2 B 2q 2 R 2 由最大半径得： R＝ E mv qB 2 2m
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 影响加速次数，并不影响加速后的最大动能
思考：用什么方法可以加速带电粒子呢?
可以利用电场
如右图: 设加速电压为U，电子经 加速后增加的速度是多少？
V=
2qU m
U
+
V0
如何使电子获得较大能量？
一、直线加速器
如图所示，直线加速器是使粒子在一条直线装置 上被加速.
Why? 金属圆筒内场强为零，粒子在圆筒内做匀速直线运 动，在圆筒间缝间做加速运动。