带电粒子在电、磁场中运动-加速器

1、带电粒子在电、磁场中运动带电粒子在电、磁场中运动-加速器加速器高二物理：关义成高二物理：关义成 问题问题:为什么要制造加速器为什么要制造加速器? 在现代物理学中,为了探索原子核的结构和得到各种元素的同位素,研究人员需要大量的高能粒子去轰击原子核,由此研究制造出能在实验室里产生大量高能粒子的加速器.加速器的种类加速器的种类 1.普通加速器普通加速器 2.直线加速器直线加速器 3.回旋加速器 一一.普通加速器普通加速器k2EmV21qU= = =+U+ 带电粒子通过普通加速器能获得的能量带电粒子通过普通加速器能获得的能量EK一般只能达到几十万到几百万电子伏一般只能达到几十万到几百万电子伏(ev).

2、获得的能量获得的能量: 不论哪种加速器都不论哪种加速器都是靠电压产生的电场来是靠电压产生的电场来对带电粒子加速对带电粒子加速.221mvqU 存在反向电场存在反向电场进一步改进：进一步改进：二二.直线加速器直线加速器 直线加速器有多个加速电直线加速器有多个加速电场场,从而能使带电粒子获得更从而能使带电粒子获得更大的能量大的能量.0Um UmU/vT2TU1234靶靶+A 思考思考: 带电粒子带电粒子穿越第穿越第n个圆筒时的个圆筒时的动能为多大动能为多大?m mk kn nq qU UE E = = 应该采用应该采用交变电源交变电源，使粒子进入每一级都能继，使粒子进入每一级都能继续加速。并且续加

3、速。并且，即要满足即要满足。圆筒的长度圆筒的长度怎样变化怎样变化斯斯坦坦福福直直线线加加速速器器中中心心1932年年,美国物理学家劳仑斯发明了美国物理学家劳仑斯发明了从而使人类在获得具有较从而使人类在获得具有较高能量的粒子方面迈进了一大步为高能量的粒子方面迈进了一大步为此，劳仑斯荣获了此，劳仑斯荣获了1939年诺贝尔物理年诺贝尔物理学奖学奖 回旋加速器主要由回旋加速器主要由D形盒、强电磁铁、交变电源、形盒、强电磁铁、交变电源、粒子源、引出装置等组成粒子源、引出装置等组成. U U BU U AABBA1A1B1B1+回旋加速器的原理回旋加速器的原理思考题思考题1. 带电粒子在带电粒子在D形盒内

4、做圆周运动的周期形盒内做圆周运动的周期随半径的增大会不会发生变化随半径的增大会不会发生变化?（不会。因为（不会。因为T T22m/qBm/qB）思考题思考题2 2. .带电粒子每经一周电场加速几次？回带电粒子每经一周电场加速几次？回旋半径怎样变化？旋半径怎样变化？粒子每经过粒子每经过一个周期一个周期，被电场，被电场加速二次加速二次所有各次半径之比为：所有各次半径之比为：.321 思考题思考题3 3. .要使粒子每次经过电场都被加速，应在要使粒子每次经过电场都被加速，应在电极上加一个什么电压？电极上加一个什么电压？这个交变电场的周期和粒子在磁这个交变电场的周期和粒子在磁场中运动的周期有什么关系？

5、场中运动的周期有什么关系？T交交 T粒子粒子2m/qB f交交=f粒子粒子tU2T圆 周2T圆 周0T应加一个交变电场应加一个交变电场-运动同步运动同步思考题思考题4. 带电粒子带电粒子的最高能量与哪些的最高能量与哪些因素有关？因素有关？. ., , ,. .= = =: :. .= =, ,= =, ,: :有关有关和质量和质量以及电荷的电量以及电荷的电量强度强度磁感磁感形盒的半径形盒的半径量与量与可见带电粒子获得的能可见带电粒子获得的能量为量为那么粒子获得的最大能那么粒子获得的最大能为为粒子运动的最大速度粒子运动的最大速度根据根据形盒的半径形盒的半径半径最大只能等于半径最大只能等于带电粒子

6、做圆周运动的带电粒子做圆周运动的答答m mq qB BR RD Dm mR RB Bq qmVmVE Em mqBRqBRV VqBqBmVmVm mR RD Dm mm mm m2212222 对于同一回旋加速器，其粒子的回旋的最大半对于同一回旋加速器，其粒子的回旋的最大半径是相同的。径是相同的。mRqBmvEqBmvmkmm221R2222最大动能最大半径：qUEnkm2回旋周数：nTt磁在磁场中运动的时间：qUKE每次经过电场增加的动能为每次经过电场增加的动能为思考题思考题5. 带点粒子运动的时间是多少？带点粒子运动的时间是多少？22mRUBt磁时间与粒子本身无关，时间与粒子本身无关，由

7、加速器决定由加速器决定 若考虑带电粒子在电场若考虑带电粒子在电场( (匀强电场匀强电场) )中运动时中运动时间，将带电粒子在间，将带电粒子在D D形盒两缝隙间的运动首尾形盒两缝隙间的运动首尾连接起来可视为是一个初速度为零的匀加速直连接起来可视为是一个初速度为零的匀加速直线运动，有：线运动，有：2122Uqndtdm电可求出电场中运动时间可求出电场中运动时间t t电电。t总= t电电+ t磁磁tv0思考：为什么回旋加速器不能无限提高思考：为什么回旋加速器不能无限提高粒子的能量？粒子的能量？答：据相对论理论知识，粒子速度被加速到接答：据相对论理论知识，粒子速度被加速到接近光速，质量明显增强，周期近

8、光速，质量明显增强，周期T2m/qB也也增加，破坏了回旋加速器的同步条件。增加，破坏了回旋加速器的同步条件。2201cvmm速度越大，质量越大速度越大，质量越大 qBmT21.使电磁铁磁场相应同步的使电磁铁磁场相应同步的增加，保证粒子的周期不变。增加，保证粒子的周期不变。2.使电场的变换周期随粒子使电场的变换周期随粒子的运动周期同步变大。的运动周期同步变大。如何解决如何解决 1、北京正负电子对撞机、北京正负电子对撞机 它始建于1984年10月7日，1988年10月建成，包括正负电子对撞机、北京谱仪（大型粒子探测器）和北京同步辐射装置。2、上海同步辐射光源、上海同步辐射光源 上海光源是一台高性能

9、的中能第三代同步辐射光源，它的英文全名为Shanghai Synchrotron Radiation facility，简称SSRF。 3、兰州重离子加速器、兰州重离子加速器 是我国自行研制的第一台重离子加速器，是世界上继法国、日本之后的第三台同类大型回旋加速器，1989年正式运行4、合肥同步辐射装置、合肥同步辐射装置 合肥国家同步辐射实验室直线加速器，是中国科技大学设计的我国最早起步的同步辐射加速器，它由200MeV电子直线加速器和800MeV储存环组成。中国四大高能物理研究装置中国四大高能物理研究装置-中国的粒子加速器中国的粒子加速器北京正负电子对撞机（BEPC：2.4亿元，BEPCII：

10、6.4亿元）Beijing Electron Position Collider上海光源 Shanghai Synchrotron Radiation facility (SSRF)能量：3.5 GeV，周长：432 m，总投资：12亿元中国散裂中子源（CSNS）（14+5亿元）装置建设包括一台强流质子直线加速器(80MeV)、一台快循环同步加速器(1.6GeV)、一个靶站、3台中子谱仪等设施和科学实验测试系统。 世界最大对撞机启动模拟宇宙大爆炸世界最大对撞机启动模拟宇宙大爆炸 （中国参与研究）（中国参与研究） 这项实验在深入地底这项实验在深入地底100米、长达米、长达27公里的环型隧道内进行

11、。公里的环型隧道内进行。科学家科学家预计，粒子互相撞击时所产生的温度，比太阳温度还要高预计，粒子互相撞击时所产生的温度，比太阳温度还要高10万倍，就好万倍，就好比比137亿年前宇宙发生大爆炸时那一剎那的情况。亿年前宇宙发生大爆炸时那一剎那的情况。 在瑞士和法国边界地区的地底实验室内，科学家在瑞士和法国边界地区的地底实验室内，科学家们正式展开了被外界形容为们正式展开了被外界形容为“末日实验末日实验”的备受争议的备受争议的计划。他们启动了全球最大型的强子对撞机的计划。他们启动了全球最大型的强子对撞机(LHC)，把次原子的粒子运行速度加快至接近光速把次原子的粒子运行速度加快至接近光速，并将互相，并将

12、互相撞击，模拟宇宙初开撞击，模拟宇宙初开“大爆炸大爆炸”后的情况。科学家希后的情况。科学家希望借这次实验，有助解开宇宙间部分谜团。望借这次实验，有助解开宇宙间部分谜团。The Large Hadron Collider (LHC) sits in a circular tunnel 27 km in circumference. The tunnel is buried around 50 to 175 m. underground. It straddles the Swiss and French borders on the outskirts of Geneva. ( 6.3 bill

13、ion dollars)Aerial view of CERN and the surrounding region of Switzerland and France. Three rings are visible, the smaller (at lower right) shows the underground position of the Proton Synchrotron, the middle ring is the Super Proton Synchrotron (SPS) with a circumference of 7 km and the largest rin

14、g (27 km) is that of the former Large Electron and Positron collider (LEP) accelerator with part of Lake Geneva in the background. 例例1回旋加速器中磁场的磁感应强度为回旋加速器中磁场的磁感应强度为1T，用以加速用以加速粒子时，电极应采用多大频率的交变粒子时，电极应采用多大频率的交变电流？如果电流？如果粒子在轨道半径为粒子在轨道半径为1m时被引出，时被引出，粒子具有的能量是多少电子伏？粒子具有的能量是多少电子伏？ (粒子是氦核粒子是氦核,其质量为其质量为m = 41

15、.661027 kg.电荷量为电荷量为q = 21.61019 C.)Hz1067.7=Hz1066.1414.32106.121=m2Bq=T1=f：62719交交变变电电源源的的频频率率为为解解ev1082.4=J107.7=J1066.14211)106.12(=m2RBq=mV21=E.mqBR=V,qBmV=R712272192222m粒粒子子运运动动的的速速度度为为根根据据 练习练习1：回旋加速器中磁场的磁感应强度为：回旋加速器中磁场的磁感应强度为B，D形盒形盒的直径为的直径为d，用该回旋加速器加速质量为，用该回旋加速器加速质量为m、电量为、电量为q的的粒子，设粒子加速前的初速度为

16、零。求：粒子，设粒子加速前的初速度为零。求：（1） 粒子的回转周期是多大？粒子的回转周期是多大？（2）高频电极的周期为多大？）高频电极的周期为多大？（3） 粒子的最大动能是多大粒子的最大动能是多大？（4） 粒子在同一个粒子在同一个D形盒中相形盒中相邻两条轨道半径之比邻两条轨道半径之比qBmT2qBmT2mdBqEK8222.:：或或642531例题例题2. 一回旋加速器可把质子加速加速到一回旋加速器可把质子加速加速到V，使它获得动能为使它获得动能为EK(1)能把能把加速到的速度为多少加速到的速度为多少(2)能把能把加速到的动能为多少加速到的动能为多少（3）加速的交变电场频率与是加速质子的交）加

17、速的交变电场频率与是加速质子的交变电场频率之比为多少变电场频率之比为多少 V/2EK1/2练习练习2. 回旋加速器是用来加速带电粒子的仪器回旋加速器是用来加速带电粒子的仪器,其核其核心部分是两个心部分是两个D形盒形盒,两盒分别接在高频交流电源的两极两盒分别接在高频交流电源的两极上上,以便在盒间的窄缝中形成电场以便在盒间的窄缝中形成电场.使离子每次经过窄缝使离子每次经过窄缝时都得到加速时都得到加速.两盒放在匀强磁场中两盒放在匀强磁场中,磁感应强度方向垂磁感应强度方向垂直于盒底面直于盒底面,离子源置于盒的圆心附近离子源置于盒的圆心附近,若离子源射出的若离子源射出的离子电量为离子电量为Q,质量为质量

18、为M,离子的最大回旋半径为离子的最大回旋半径为R,问问: (1)盒内有无电场盒内有无电场? (2)离子在盒内做什么运动离子在盒内做什么运动?角速度多大角速度多大? (3)所加交流电的频率多大所加交流电的频率多大? (4)离子离开加速器时的最大动能多大离子离开加速器时的最大动能多大? (5)设设D形盒间的电场的电势差为形盒间的电场的电势差为U,则离子达到上述则离子达到上述能量需要回旋多少周能量需要回旋多少周?1.在直线加速器中在直线加速器中,带电粒子获得的能量带电粒子获得的能量: Ek=nqU.2.回旋加速器的主要构造：回旋加速器的主要构造：D形盒、强电磁铁、交变形盒、强电磁铁、交变电源、粒子源

19、、引出装置电源、粒子源、引出装置.3.回旋加速器的加速条件：交流电源的周期与带电粒回旋加速器的加速条件：交流电源的周期与带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期相同子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期相同.4.在回旋加速器中，带电粒子的最高能量为在回旋加速器中，带电粒子的最高能量为:m2RqBE222m= = 在带电粒子一定的条件下，在带电粒子一定的条件下，Em决定于决定于D形盒的形盒的最大半径和磁感应强度最大半径和磁感应强度.课堂小结课堂小结带电粒子带电粒子：电子（e-）、正电子（e+）、质子（p）、重离子（12C6+，238U92+，H-like，He-like heavy ions：Ta

20、U ）等。电子加速器：电子，正电子。强子加速器：包含至少一个原子核在内的带电粒子，外层电子部分被剥离或全剥离的单原子、吸附一个电子的单原子、失去一个电子的分子或团簇等，如质子、反质子、重离子等。时变电磁场的频率时变电磁场的频率：一般为0.1GHz几十GHz。参考资料参考资料电子的静止质量：电子的静止质量：9.1093897 10-31 kg， 静止能量：静止能量：0.51099906 MeV；质子的静止质量：质子的静止质量：1.6726231 10-27 kg， 静止能量：静止能量：938.27231 MeV。在加速器中，粒子的能量通常指的是粒子的动能，例如在加速器中，粒子的能量通常指的是粒子

21、的动能，例如CSNS直线加速器所提供的直线加速器所提供的H-的能量为的能量为80 MeV，储存环质，储存环质子的引出能量为子的引出能量为1.6 GeV。在高能电子加速器中，电子静。在高能电子加速器中，电子静止能量与动能相比，常常相差很大，例如止能量与动能相比，常常相差很大，例如BEPC直线加速直线加速器提供的电子能量最高可达器提供的电子能量最高可达2.5 GeV左右，上海光源的运左右，上海光源的运行能量为行能量为3.5 GeV，合肥光源的运行能量为，合肥光源的运行能量为800 MeV。200cmEEEk常用的能量单位：常用的能量单位：eV、keV、MeV、GeV、TeV103 eV、 106

22、eV、 109 eV、 1012 eV2011天津（天津（20分）回旋加速器在核科学、核技术、核医分）回旋加速器在核科学、核技术、核医学等高新技术领域得到了广泛应用，有力地推动了现代学等高新技术领域得到了广泛应用，有力地推动了现代科学技术的发展。科学技术的发展。（2）回旋加速器的原理如图，）回旋加速器的原理如图，D1和和D2是两个中空的半径是两个中空的半径为为R的半圆金属盒，它们接在电压一定、频率为的半圆金属盒，它们接在电压一定、频率为f的交流的交流电源上，位于电源上，位于D1圆心处的质子源圆心处的质子源A能不断产生质子（初能不断产生质子（初速度可以忽略，重力不计），它们在两盒之间被电场加速度可以忽略，重力不计），它们在两盒之间被电场加速，速，D1、D2置于与盒面垂直的磁感应强度为置于与盒面垂直的磁感应强度为B的匀强磁的匀强磁场中。若质子束从回旋加速器输出时的平均功率为场中。若质子束从回旋加速器输出时的平均功率为P，求，求输出时质子束的等效电流输出时质子束的等效电流I与与P、B、R、f的关系式（忽略的关系式（忽略质子在电场中运动的时间，其最大速度远小于光速）质子在电场中运动的时间，其最大速度远小于光速） r（3