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,回旋加速器,粒子加速器是一門(mén)多專(zhuān)業(yè)的綜合性學(xué)科，它涉及到加速器物理和許多高技術(shù)領(lǐng)域，其中包括射頻、電磁場(chǎng)、電源、超高真空、精密機(jī)械、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制、束流診斷、輻射防護(hù)、低溫超導(dǎo)，等等。粒子加速器不僅是進(jìn)行高能物理、原子物理、生命科學(xué)、材料科學(xué)等多種基礎(chǔ)科學(xué)研究的重要實(shí)驗(yàn)裝置，而且在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療、輻照和國(guó)防建設(shè)等方面也有廣泛的應(yīng)用前景。,背景材料,如何使電子獲得較大能量？,思考：用什么方法可以加速帶電粒子呢?,設(shè)加速電壓為U，電子經(jīng)加速后增加的速度是多少？,可以利用電場(chǎng),如右圖:,+,-,V0,V=,金屬圓筒內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)為零，粒子在圓筒內(nèi)做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，在圓筒間縫間做加速運(yùn)動(dòng)。,一、直線(xiàn)加速器,,Why?,如圖所示，直線(xiàn)加速器是使粒子在一條直線(xiàn)裝置上被加速.,,粒子獲得的能量：E=nqU,多級(jí)加速,,勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),,加速運(yùn)動(dòng),電源為交流電源，當(dāng)離子在各筒內(nèi)穿過(guò)的時(shí)間都為t=T/2時(shí)，離子才有可能每次通過(guò)圓筒間縫隙都被加速.,,思考,,,,早期的加速器只能使帶電粒子在高壓電場(chǎng)中加速一或兩次，因而粒子所能達(dá)到的能量受到高壓技術(shù)的限制。而且為了使帶電粒子達(dá)到很高的速度，必然要經(jīng)過(guò)多次加速，因此直線(xiàn)加速器得體積通常都較大,直線(xiàn)加速器,世界最大直線(xiàn)加速器：斯坦福大學(xué)直線(xiàn)加速器,2英里長(zhǎng)的直線(xiàn)加速管,,2英里長(zhǎng)的直線(xiàn)加速管,二、回旋加速器,,能不能建造一種加速器，在較小的空間范圍內(nèi)讓粒子受到多次加速獲得所需要的能量呢？,1932年美國(guó)科學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加器，巧妙地應(yīng)用帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)解決了這一問(wèn)題。為此，勞倫斯于1939年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,直線(xiàn)加速器的缺點(diǎn)：,體積通常較大，占地面積大。,,1、結(jié)構(gòu)：①兩個(gè)D形盒及兩個(gè)大磁極②D形盒間的窄縫③高頻交流電,,2、原理,工作原理：利用電場(chǎng)對(duì)帶電粒子的加速作用和磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的偏轉(zhuǎn)作用來(lái)獲得高能粒子，這些過(guò)程在回旋加速器的核心部件——兩個(gè)D形盒和其間的窄縫內(nèi)完成。,①磁場(chǎng)：使帶電粒子回旋②電場(chǎng)：使帶電粒子加速,,3.條件,,4.運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),①D形盒內(nèi)(電場(chǎng)被屏蔽）：粒子只受洛倫茲力作用，做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)周期不變,②兩盒狹縫之間：粒子在電場(chǎng)力作用下做加速運(yùn)動(dòng),③粒子每經(jīng)過(guò)一個(gè)周期，被電場(chǎng)加速2次,④若每次加速時(shí)的電壓為U，將帶電粒子在狹縫之間的運(yùn)動(dòng)首尾連接起來(lái)可看成什么運(yùn)動(dòng)？,一個(gè)初速度為零的勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),,粒子獲得最大速度,粒子獲得最大動(dòng)能,與加速電壓無(wú)關(guān)！,⑤粒子最后出加速器的速度大小由盒的半徑?jīng)Q定。,,回旋加速器,1、帶電粒子在兩D形盒中回旋周期等于兩盒狹縫之間高頻電場(chǎng)的變化周期，粒子每經(jīng)過(guò)一個(gè)周期，被電場(chǎng)加速多少次？,2、設(shè)加速電壓為U，粒子的電量為q，則每次加速增加的動(dòng)能為,,,,,探究一：粒子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)時(shí)間,3、若粒子的電量為q，最終能量為E，加速電壓為U，則回旋圈數(shù)為,,4、若每次加速時(shí)的電壓為U，將帶電粒子在狹縫之間的運(yùn)動(dòng)首尾連接起來(lái)可看成什么運(yùn)動(dòng)？,一個(gè)初速度為零的勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),探究,5、D形盒的半徑為R，兩盒間距為d，質(zhì)子在電場(chǎng)中加速次數(shù)與回旋半周的次數(shù)相同，加速電壓大小可視為不變，比較：質(zhì)子在電場(chǎng)中的加速時(shí)間與質(zhì)子在D形盒中運(yùn)動(dòng)時(shí)間,,在D形盒中回旋時(shí)間為,,分析：設(shè)質(zhì)子最終速度為v，加速次數(shù)為n,п,п,由于R遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于d，故可忽略粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間,比較：,結(jié)論：粒子在加速器中運(yùn)動(dòng)總時(shí)間為t總=nT/2，n為加速次數(shù),在電場(chǎng)中加速時(shí)間為,分析；對(duì)于同一回旋加速器，其粒子回旋的最大半徑是相同的（回旋的最大半徑等于D形盒的半徑），設(shè)最大半徑為R，最終能量為E。,結(jié)論：粒子的最終能量與加速電壓無(wú)關(guān)，與回旋的最大半徑有關(guān)。加速電壓的高低只會(huì)影響加速次數(shù)，并不影響加速后的最大動(dòng)能,,,探究二：粒子最終能量,思考：粒子的最終能量與加速電壓有關(guān)嗎？,小結(jié)：回旋加速器,1、加速電場(chǎng)的周期等于回旋周期（交流電源的頻率等于粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的頻率。,2、粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間遠(yuǎn)小于在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，故粒子在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)總時(shí)間可認(rèn)為等于在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間。,4、在粒子的質(zhì)量、電荷量確定的情節(jié)下，粒子所能達(dá)到的最大動(dòng)能只與D形盒的半徑R和磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)，與加速電壓U無(wú)關(guān)。,3、粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的最大半徑為D形盒的半徑,,,回旋加速器的局限性,若D形盒的半徑為R，則粒子所能獲得的最大速度為Vmax=BRq/m。為了使粒子獲得較高的能量，通常要加大加速電磁鐵的重量和D形盒的直徑。不過(guò)由于相對(duì)論的效應(yīng)，當(dāng)粒子的速度太大時(shí)，m不再是常量，從而回旋共振周期將隨粒子的速率的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，如果加于D形盒兩極的交變電場(chǎng)頻率不變的話(huà)，粒子由于每次遲到一點(diǎn)而不能保證總被加速，所以粒子不能無(wú)限被加速。,回旋加速器加速粒子能量最高僅能達(dá)到20MeV。而對(duì)于直線(xiàn)多級(jí)加速器，由于粒子是在一條直線(xiàn)形裝置上被加速的，不存在上述困難。這種多級(jí)裝置在過(guò)去沒(méi)有條件建造，現(xiàn)在已經(jīng)建造出來(lái)，長(zhǎng)達(dá)幾公里至幾十分里，可將粒子的能量加速到2000GeV。,為了把帶電粒子加速到更高的能量，人們還設(shè)計(jì)了各種類(lèi)型的新型加速器，如：同步加速器、電子感應(yīng)加速器、串列加速器、電子對(duì)撞機(jī)等。,世界著名粒子加速器,北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)：能使電子束能量達(dá)到3GeV左右,美國(guó)費(fèi)米加速器實(shí)驗(yàn)室，環(huán)形管道的半徑為2公里。產(chǎn)生的高能粒子能量為5000億電子伏特。,歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）是世界上最大的粒子加速器，建于瑞士和法國(guó)邊境地區(qū)地下100米深處的環(huán)形隧道中，隧道全長(zhǎng)26.659公里。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)2003年開(kāi)始修建，將近80個(gè)國(guó)家和地區(qū)的2000多名科學(xué)家參與這一研究項(xiàng)目。,,人類(lèi)對(duì)于未知世界的探索，從未也永遠(yuǎn)不會(huì)有止境。在浩瀚的知識(shí)海洋中，還有很多未知的島嶼等著我們。,思考題：回旋加速器D形盒中央為質(zhì)子流，D形盒間的交變電壓為U＝2104V，靜止質(zhì)子經(jīng)電場(chǎng)加速后，進(jìn)入D形盒，其最大軌道半徑R＝1m，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B＝0.5T，質(zhì)子的質(zhì)量m＝1.6710－19C。問(wèn)：（1）質(zhì)子經(jīng)回旋加速器最后得到的動(dòng)能是多大？共加速了多少次？（2）交變電源的頻率是多大？,動(dòng)能：1.9210-12J次數(shù)6.0102頻率：7.6106Hz,例2：關(guān)于回旋加速器中電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用的敘述，正確的是()A、電場(chǎng)和磁場(chǎng)都對(duì)帶電粒子起加速作用B、電場(chǎng)和磁場(chǎng)是交替地對(duì)帶電粒子做功的C、只有電場(chǎng)能對(duì)帶電粒子起加速作用D、磁場(chǎng)的作用是使帶電粒子在D形盒中做勻速圓周運(yùn)動(dòng),CD,例1：串列加速器是用來(lái)產(chǎn)生高能離子的裝置。圖中虛線(xiàn)框內(nèi)為其主體的原理示意圖，其中加速管的中部b處有很高的正電勢(shì)U，a、c兩端均有電極接地（電勢(shì)為零）。現(xiàn)將速度很低的負(fù)一價(jià)碳離子從a端輸入，當(dāng)離子到達(dá)ｂ處時(shí)，可被設(shè)在ｂ處的特殊裝置將其電子剝離，成為n價(jià)正離子，而不改變其速度大小。這些正n價(jià)碳離子從c端飛出后進(jìn)入一與其速度方向垂直的、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，在磁場(chǎng)中做半徑為R的圓周運(yùn)動(dòng)。已知碳離子的質(zhì)量為m=2.010-26kg，U=7.5105V，B=0.50T，n=2，基元電荷e=1.610-19C，求R。,解：設(shè)碳離子到達(dá)b處時(shí)的速度為v1從c端射出時(shí)的速度為v2，由動(dòng)能定理得：eU=mv12/2，neU=mv22/2－mv12/2，進(jìn)入磁場(chǎng)后，碳離子做圓周運(yùn)動(dòng)，R=mv2/Bne，得,=0.75m],,