回旋加速器专题培训课件
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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 EK＝qU
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
在电场中加速时间为
t1 = nd = v/2
2nd v
在D形盒中回旋时间为
t2
= nT/2 =
nпR v
比较：
t1 t2
=
2d пR
由于R远远大于d，故可忽略粒 子在电场中运动时间
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
探究二：粒子最终能量
：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。
粒子获得最大速度
R mv m qB
vmቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
qBR m
粒子获得最大动能
Ekm
1 2
mvm2
(qBR )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？
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。
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。
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。
由最大R 半 ＝ m径 vE得 1m： 2v B2q2R2
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？
V0
V= 2 qU
m
如何使电子获得较大能量？
U
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。
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。
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。
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
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。
① D形盒内(电场被屏蔽）：粒子只受洛伦兹力作用，做匀 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
⑤粒子最后出加速器的速度大小由盒的半径决定。
多级加速
加速运动
匀速直线运动
＋ －＋ － ＋ －
＋－
· m
q
……
U
U
U
U
一级 二级
三级
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
世界最大直线加速器：斯坦福大学直线加 速器
22英英里里长长的的直线直加线速加管速管
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。
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
在电场中加速时间为
t1 = nd = v/2
2nd v
在D形盒中回旋时间为
t2
= nT/2 =
nпR v
比较：
t1 t2
=
2d пR
由于R远远大于d，故可忽略粒 子在电场中运动时间
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
探究二：粒子最终能量
：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。
粒子获得最大速度
R mv m qB
vmቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
qBR m
粒子获得最大动能
Ekm
1 2
mvm2
(qBR )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？
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。
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。
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。
由最大R 半 ＝ m径 vE得 1m： 2v B2q2R2
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？
V0
V= 2 qU
m
如何使电子获得较大能量？
U
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。
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。
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。
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
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。
① D形盒内(电场被屏蔽）：粒子只受洛伦兹力作用，做匀 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
⑤粒子最后出加速器的速度大小由盒的半径决定。
多级加速
加速运动
匀速直线运动
＋ －＋ － ＋ －
＋－
· m
q
……
U
U
U
U
一级 二级
三级
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
世界最大直线加速器：斯坦福大学直线加 速器
22英英里里长长的的直线直加线速加管速管
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。