带电粒子在匀强磁场中的运动一学习教案

1、会计学1带电粒子在匀强磁场中的运动带电粒子在匀强磁场中的运动(yndng)一一第一页，共14页。一、运动电荷在磁场(cchng)中的运动规律第1页/共14页第二页，共14页。F F洛洛=0 =0 匀速直线运动匀速直线运动(yndng)(yndng)F F洛洛=Bqv=Bqv匀速圆周运动匀速圆周运动(yndng)(yndng)F F洛洛=Bqv=Bqv等距螺旋等距螺旋(luxun)(luxun)（0 09090）V/BVBv与与B成成角角mVRqB2 mTqB在在只只有有洛洛仑仑兹兹力力的的作作用用下下一、运动电荷在磁场中的运动规律第2页/共14页第三页，共14页。垂直磁场方向垂直磁场方向(fn

2、gxing)(fngxing)：R Rmvsin/qB mvsin/qB T=2m/qBT=2m/qB平行磁场方向平行磁场方向(fngxing)(fngxing)：螺距：螺距 d d2mcos/qB2mcos/qB第3页/共14页第四页，共14页。超灵敏(ln mn)小型回旋加速器二、回旋二、回旋(huxun)加速器加速器第4页/共14页第五页，共14页。. .直线直线(zhxin)(zhxin)加速器加速器二、回旋二、回旋(huxun)加速器加速器原理：带电粒子受电场力作用，当场力对粒子做正功，使其获得高能量缺点：电压不可能无限(wxin)提高，特别是装置的耐压程度有一定的限制占有得空间范围

3、大第5页/共14页第六页，共14页。回旋加速器的主要结构是在磁极间的真空(zhnkng)室内有两个半圆形的金属扁盒（D形盒）隔开相对放置，D形盒上加交变电压，其间隙处产生交变电场。置于中心的粒子源产生带电粒子射出来，受到电场加速，在D形盒内不受电场，仅受磁极间磁场的洛伦兹力，在垂直磁场平面内作圆周运动。 第6页/共14页第七页，共14页。 如果D形盒上所加的变交电压的频率恰好等于粒子在磁场中作圆周运动的频率，则粒子绕行半圈后正赶上D形盒上极性变号，粒子仍处于加速状态。由于上述粒子绕行半圈的时间与粒子的速度无关，因此粒子每绕行半圈受到一次加速，绕行半径增大(zn d)。经过很多次加速，粒子沿螺旋

4、形轨道从D形盒边缘引出，能量可达几十兆电子伏特（MeV ） 第7页/共14页第八页，共14页。那么如何使交变电压的频率(pnl)恰好等于粒子在磁场中作圆周运动的频率(pnl)就是回旋加速器要解决的主要问题运动的带电粒子在磁场中所受的洛仑兹力为：F=Bqv带电粒子做圆周运动的向心力为：F=mv2 /R将两式联立得：mv2/R=Bqv R=mv/Bq则粒子做圆周运动的周期为：T=2R/v T=2m/Bq 由此可见，粒子运动的周期与其(yq)速度、半径是无关的，我们只要每隔半个周期调整两极板间的电压方向，就可以实现对带电粒子的不断加速。这也是为什么要使用交流电的原因。第8页/共14页第九页，共14页

5、。. .工作工作(gngzu)(gngzu)原原理理第9页/共14页第十页，共14页。交变电压交变电压(diny)的周期带电粒子在磁场中运动的周期的周期带电粒子在磁场中运动的周期 T2m/Bq.设粒子被引出设粒子被引出D形盒前最后半周的轨道半径为形盒前最后半周的轨道半径为R， 则带电粒子从加速器飞出时的速度为则带电粒子从加速器飞出时的速度为Vmax=BqR/m. 引出(yn ch)速度只与磁感强度和D形盒半径有关，与加速电压无关。因为加速电压只影响带电粒子加速的总次数。 不过根据狭义相对论原理，粒子的质量随速度的增大而增大，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

6、证总被加速。上述回旋加速的理论就不再(b zi)适用了。 对于同样的动能，质量愈小的粒子速率愈大，相对论效应也愈显著。因此回旋加速器更适用于加速较重的粒子，但其速率始终不能无限制的提高。第10页/共14页第十一页，共14页。三、质谱三、质谱仪仪.电场和磁场都能对带电粒子施加影响，电场既能使带电电场和磁场都能对带电粒子施加影响，电场既能使带电粒子加速，又能使带电粒子偏转；磁场虽不能使带电粒粒子加速，又能使带电粒子偏转；磁场虽不能使带电粒子速率变化，但能使带电粒子发生偏转子速率变化，但能使带电粒子发生偏转.质谱仪：利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电质谱仪：利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量，轨道半径荷量，轨道半径(bnjng)确定其质量的仪器，叫做质谱确定其质量的仪器，叫做质谱仪仪第11页/共14页第十二页，共14页。3.3.质谱仪的构造质谱仪的构造(guzo)(guzo)带电粒子注入器带电粒子注入器加速电场（加速电场（U U）