自制粒子加速器
自制粒子加速器
大象无形
目录
一、什么是回旋加速器 (1)
二、加速器的原理及公式 (2)
三、电磁铁制作 (3)
1.概述 (3)
2.铁芯 (5)
3.磁极设计 (6)
4、励磁线圈的设计 (7)
四、真空系统 (8)
五、射频电子系统 (10)
1、射频系统驱动 (10)
2、电源要求： (10)
3.D盒电路设计: (12)
4.偏置电压 (13)
一、什么是回旋加速器
它是利用磁场使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置。是高能物理中的重要仪器。
1930年E.O.劳伦斯提出其工作原理，1932年首次研制成功。它的主要结构是在磁极间的真空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。绕行半圈的时间为t=(m π)/qB，其中q是粒子电荷，m是粒子的质量，B是磁场的磁感应强度。如果D 形盒上所加的交变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。经过很多次加速，粒子沿螺旋形轨道从D形盒边缘引出，能量可达几十兆电子伏特（MeV ）。回旋加速器的能量受制于随粒子速度增大的相对论效应，粒子的质量增大，粒子绕行周期变长，因此，为了使粒子每次穿过缝隙时仍能不断得到加速，必须使交变电场的角频率ω随着粒子的加速过程而同步降低，使之满足ω m=qB（式中q和B时不变的）。根据这个原理设计的回旋加速器叫做同步回旋加速器(Syncrocyclotron)。
二、加速器的原理及公式
磁场里带电粒子所受的力为：
这个力提供了粒子圆周运动的向心力。
利用以上公式及动能定义，粒子的动能如下：
加速器的周期定义为粒子运动一周的时间：
那么，频率为：
同时，角频率ω也是表示粒子圆周运动的一个参量。
三、电磁铁制作
1.概述
电磁铁提供了一个强大而均匀的磁场，这个磁场能够穿越真空并且弯曲被加速粒子的轨道。如下所示,标准的加速器的电磁铁都有一个具有H型开口的软铁芯，真空室处于磁铁的两极之间在内部，有两组内水冷励磁线圈来产生磁场，同时有一个磁阻很小的铁芯提供磁路，此磁铁的最大设计磁通量是1.6T。
2.铁芯
铁芯的作用是提供一个低磁阻的磁通路。铁芯的设计目的就是使磁极间磁场达到最大。
有两个途径可以增加粒子的能量：1.加到D盒的尺寸2.增大磁场的强度。如果加大D盒的尺寸，那么磁铁极面的尺寸也要随之增大.做一个尽可能大的磁场会证明你的投入会很高效。
有很多增大磁场强度的方法，一种是增加励磁线圈的安培匝数。这种方法的弱点就是需要一个适合的电源来提供尽可能大的电流。在家里面做这个加速器的话，电源是很大的问题。另一个方法就是尽量减小两极的距离（但还要考虑中间放真空室）。
上面的公式：B表示磁感应强度，u0表示真空磁导率，N表示匝数，I表示电流，g表示极的距离，事实上，真空室不能小于2"，在B=1.6T时，g=2.13" 是一个比较理想的值。
另外，铁芯的饱和度问题也必须考虑。我们的磁铁铁芯用1060块钢片组成，饱和度在1.7T 左右，超过此值后，再提供电流磁场也不会增加。为了避免磁饱和，磁通量在极臂比中心值少25%，只有1.2T，可以通过增加25%的交叉拼装面来达到此目的。
3.磁极设计
磁极的形状直接决定了空隙间磁场的分布.我们这个加速器随着磁极半径的增大,磁场
只有微小的减小,这对我们来说是非常重要的.微小的磁场变化会形成弱聚焦效应.这个效应会保持粒子束处于正确的轨道上.
像我们的加速器这样的弱聚焦加速器取决于磁场的形状.如果我们完全采用平直的磁极面,那么粒子束不可能达到我们所需的能量及半径,很少有粒子能在没有纵向分量的条件下
进入正确的轨道,当粒子从离子源发射出来后,他们会"喷"向各个方向,如果一个粒子向上运动,那么它将保持向上运动.并且很可能撞到D盒上或真空室上部.这样这个粒子就浪费掉了.所以粒子要成束,就必须在轴向有个力,力的方向同轨道的轴向,并且使粒子回到中间的圆盘.
如下图所示,沿两极的锥形使得缝隙变大,这使磁场稍有减小磁感应线不在平行,除中间外他们"向外弯曲".在中间圆盘上方,有个放射状场分量指向外侧.在中间盘下部,有一个放射状的分量指向内侧.在内部没有放射状的磁场分量,而是平行且均匀的.只是强度上有所减小.
如果粒子束正好处于两极之间,那么运行轨迹就应该是正常的.如果粒子束偏离圆盘,会有一个使其移动到中心的力,这个力引起了中间圆盘轴向谐振.即所说的纵向电子感应谐振.弱聚焦效应是设计磁极的一个重要指标.最好的导边是从极中间到边缘为0.02in,这就使沿
6in直径的极上磁场有0.8T的减小,另一个需要注意的就是避免加速器磁场共振现象.共振破坏了粒子流的平衡.关于这一点,我们还会讨论.作为真空室的一个规则,两极会比D盒大且两极边缘有个45°导角来避免直角部分的磁饱和.
4、励磁线圈的设计
做励磁线圈用的导线的截面是方形的，中间是空的，可以有冷水通过。线圈的电流是110A，电压是115V，由720圈水冷铜导线组成：每个极上有360圈，方形，搪瓷绝缘线，中空，可以由冷水通过。
720圈是由两个分布在两极上的两个360圈组成。每个360圈都是由10个“双圈层”组成。整个线圈有20层高，18层宽。
“双圈层”绕制技术允许整个线圈一部分一部分的分别绕制。绕在同一轴上的两层线的长度在拉直时长度相等：一半的线绕在小轴上，并且向‘外’绕制，然后另一半绕制在第二层上（从外往回绕制）。线圈被放置在环氧里，“双圈层”放置一层绝缘胶带，把线圈用玻璃纤维胶带包好，粘好，这个线圈就完成了。用铜块将线圈的端线连接起来后，整个线圈就做
好了。
“双圈层”绕制技术及水冷技术的优势在于水管可以平行安装（只在接头处设置一个接头），电源也可以有序安装。线圈的参数表及绕制相关参数如下；
四、真空系统
加速器的真空室用不锈钢制成，有上下两个盖，每个都用螺丝上紧并加O形衬垫密封、电线及其它连接。如冷水、氢气等均通过侧面喇叭嘴进入真空室。这些都可以买到。真空室通过标准CF法兰连接到外部喇叭嘴。
在设计真空系统时，要考虑最大吞吐量或抽真空的效率，我i类实现这一点：扩展真空室至磁铁处；直接将泵放置在室下方并用一个大的管子连接至真空室的下方。
为了减小两极间缝隙来增强磁场强度。我们应尽量将真空室做的薄一些。在我们的加速器中真空室只有2’’高，用3/16厚铝做上下盖，在大气压力下的重量，这两个盖如此薄且大，很容易被挤压变形，在室内，我们用铝支撑（如图）来防止挤压并行。（如图）
扩散泵
用抽真空系统可以使真空室的工作压力降到10-7Torr（托，相当于1mm汞柱的压力）。内装的泵是一个Varian M4 扩散泵，这种泵不能工作在大气压下，所以在此泵工作之前，先用大泵粗略的将真空室压力降到大约1/1000大气压，当真空泵的排气管里充满了氢气，氮气就被引入排气管中来稀释氢气。
五、射频电子系统
1、射频系统驱动D盒上的加速电势。加速器频率（见公式）取决于磁场强度，如下：
D盒电压与RF能量的关系决定于电路的配置。在我们这个电路里，我们用D盒与一个电感串联组成的电容而形成一个调频电路。通过一个电源放大器直接驱动非调频主电路的方式来向电感线圈供电。
当加速器处在最大磁场状态下运行时，频率是24MHz。起初，我们只运行在低强度下频率也只有13.56MHz。
2、电源要求：
理论上，穿越缝隙的电压会很小。电压决定了在粒子获得足够的能量之前它们旋转的圈数。事实上，让粒子束旋转更多的圈数是不切实际的，有下面几个原因：
第一、 保持高压的第一个原因就是允许处于加速器中间的离子源在第一圈
就清理离子源的真空管。为了避免粒子撞在真空室上。粒子必须在第一圈就获得足够的能量来超过粒子源的半径。
第二、 保持旋转圈数达到最小值的原因是这样会使粒子旋转的频移就不成问题了。引起频移的原因是微小的磁场变化引起了微小的轨道频率变化。以及运动中的粒子的相对论质量的增加。
第三、 保持路径长度最短是最小化真空室内游离粒子碰撞，粒子的路径长度应该与真空室的平均自由程处于同一水平。这些限制因数定了必要的RF电路输入能量。足够的RF输入能量也只有0.5kw，我们用能量放大器的容量是3kw。
能量放大器的选取
用于RF射频的商用设备是取得放大器的方便之门,特别是那些共振不太好需要小的修理的设备.然而一个新的3kw放大器我们需要数千美元,这已超出了我们的经济范围.
也有一个需要考虑的是固态真空放大器.现在也有固态器件,这些器件更耐用.不需要再调谐.如果实用了这些器件,那么永远都不会坏.
然而如果SWR很高,那么变压器很容易被烧坏.真空管器件却相反.它能应付自如,并处理好阻抗的匹配,在加速器中,真空室内有很多偶发的电弧改变了电路的阻抗,这样很可能破坏固体放大器额定3kw的plasna Therm.HFS3000就可完全应付这种不匹配.这个芯片可以在ebay上买到.
3.D盒电路设计:
D盒的电容
D盒的电容可以近似为以真空为介质的平行板电容器,公式如下:C=Aε0 d 其中ε0是介电常数,为8.85×10-12F/m. 将上下两个盘半径为6in距离为0.5in 可以得到每个盘的电容为25pF.估算D盒柄的电容可以把它看成是置于真空室中心的平板.面积是1.5in2.事实上,就是一个 0.5in的杆,电容之和就得到了大约54pF的电容值.
盒电路
因为加速器工作在一个单一的频率下,这样就可以获得一个很高的品质因素Q电路来驱动D盒,D盒的电容与一个电感串联就形成了一个调谐电路(盒电路).与D盒并联一个真空可变电容器是用于调谐电路的共振频率.
另一个使用盒电路的原因是其提供了一个倍亚电路.盒电路中的电压被电路的品质因数Q所乘,因其有能量存储特性.
L1---半匝初级线圈
L2---多匝次级线圈
L3---RF抑制来保护DC电源(用于粒子提供而接于D盒上的偏置电压)
C1---高压传导电容,避免DC电压与地短路
C2---5~100pF,真空可调谐电容,用于调整LC盒电路中的电容
C3---RF滤波电容,700pF
L1与L2是绕制在1/4in长的铜质冷却管上,它们在同一轴线上,并有同一个中心点.由于次级线圈中有很大的电流,就用未电离的水进行冷却.在线圈的两端,尼龙管用swagelok连接器构成,从而形成了水流的通路,铜带焊接到线圈上,并用螺钉拧到另一端的RF信号端.
调节L1与L2直到获得最佳互感为止.它们的手动可调电感量大约为0.01,为减小主电路与辅助电路之间的电感,我们应尽量减小主电感,这是为什么L1只有半匝的原因.
4.偏置电压
为了满足提取离子的目的.我们在RF信号之外又加在D盒上一个直流电压,通用连接D盒到电源负极盒与互感其次级间串联一个防短路电容来达到D盒的偏置的目的的.直流电源与RF电压通过一个绕在G10核上的扼流圈绝缘,这个线圈对直流量成低阻抗,但对交流信号成高阻抗,可以起到很好的阻止作用.在扼流圈之后加上一个电容,以滤掉没有被扼流圈阻止的RF信号,即一个低通滤波器,最佳电压值及精确的从粒子源中提取粒子就需要在实际中摸索了.
来源物理之舞网站加速器专题：http://www.opl.me/special/accel.html
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直线加速器
医科达电子直线加速器技术参数 1、双模式的数字化加速器，提供宽范围的X线和电子线能量，充分满足放射治疗外照射的临床需要。 2、射线束能量：多能量可定制性：多至2档X射线能量(4~18 MV)和6档电子线能量(4~20 MeV) 3、主机性能及配置： （1）独特设计的滚筒式机架：高度可靠性和稳定性，开放的机架结构，便于维修，最低的等中心高度（124cm），最大的等中心到治疗头的净空间距离45cm。 （2）高效能的行波加速管：行波加速管二十年无条件保用，允许较低的电压梯度，对行波加速管的真空要求低，使电子枪等部件可快速拆卸并易于更换。 （3）大功率FasTraQ磁控管：专门的紧凑型微波功率源，5MW功率输出，具有快速调谐的能力，快速的束流切换特性<0.1秒，提供24个月的保用期。 （4）滑雪式偏转系统：完全的消色散系统，并维持射束的对称性，伺服控制的三极磁偏转系统，精确的靶点聚焦，极佳的半影。 （5）可单独拆卸更换灯丝的电子枪：电子枪伺服系统反应快速，确保束流能量的精度。（6）六通道开放式结构的电离室：最新型超薄壁陶瓷材料电离室，自动校正KTP（温度、湿度、气压），监测射线的剂量、对称性和平坦度，具有长期的高灵敏和高稳定性，适合精确的伺服控制射线束流，重复精度：+/-0.5%，线性精度：+/-1%，2-10MU时的线性精度对保证IMRT的放疗精度尤其重要，旋转（运动束流）投照时的稳定性：±1%，分辨率：0.1MU。（7）运动系统：用于操纵治疗头、机架及病人床的运动，手控盒可操纵加速器的所有动作，治疗头上有四个控制钮，可操纵治疗头的所有运动，治疗床两边各有一个控制板，可操纵床的所有运动，所有运动都是无线调速。 （8）安全连锁系统：通过硬件限位和软件防碰撞二种方式，确保病人和操作人员的安全。（9）真空系统：维持加速管和电子枪的真空状态，在加速器中有效使用离子泵，有助于减少能源消耗，保护环境，并维持高的开机率。 （10）水冷系统（内循环）：保证加速器的频率稳定，进而保证能量的稳定，用于加速器的热交换。 4、控制系统：全新的第三代全集成、全数字控制系统，确保更为平顺的流程工作方式，有效地提高治疗病人的周转率，基于Windows平台的图形用户界面，易学习和使用，模块化软件结构，配置安装各种功能模块，满足不同的临床治疗模式的需要；便利的系统可升级能力。将来可方便实现加速器的性能升级和功能扩展；兼容IMPAC放疗管理系统和第三方的记录验证系统；所有的Precise数字化加速器都可以远程连接。远程维修功能根据维修合同的协议用软件激活。 5、LCS控制柜硬件Mk3i包含：控制处理单元，英特尔中央处理器，RMX实时多任务并行处理操作系统，MLC视频处理板，显示处理单元，Windows XP操作系统，2块SCSI接口的高速硬盘，四端口XVGA图形处理卡，5端口USB PCI适配卡，DVD-R/W驱动器，3.5”软盘驱动器，LCD照射剂量显示板，操作键盘、鼠标，不间断电源，21”液晶监视器。 6、软件许可证Desktop Pro R7.01：所有加速器配置中的核心必配的软件模块。 （1）快速治疗模式：可以快速治疗临时病人，或实施无需预处方的姑息性治疗。 （2）旋转治疗模式：光子线和电子线的旋转治疗，可顺时针和逆时针旋转。 （3）自动摆位：根据病人摆位参数，实现加速器的自动摆位功能。 （4）内置的维修模式：用于系统校准和在屏幕显示故障分析，例如：快速出束；备份校准文件；帮助调节机器参数；病人的MLC（所有功能）数据库的数据备份/复原；注销机器参数的显示项目；允许临床使用超载的机器参数；禁止临床使用存储的射束数据投照；选择机器状态，配置显示监视项目；显示维修页面，编辑机器的参数项目部分。维修模式下的DICOM
回旋加速器(含详解)
练习八回旋加速器 一、选择题(每题6分，共48分) 1.A 关于回旋加速器中电场和磁场的说法中正确的是 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 答案：CD 2.在回旋加速器内，带电粒子在半圆形盒内经过半个周期所需的时间与下列哪个量有关 A.带电粒子运动的速度 B.带电粒子运动的轨道半径 C.带电粒子的质量和电荷量 D.带电粒子的电荷量和动量 答案：C 3.B 关于回旋加速器加速带电粒子所获得的能量，下列说法正确的是 A.与加速器的半径有关，半径越大，能量越大 B.与加速器的磁场有关，磁场越强，能量越大 C.与加速器的电场有关，电场越强，能量越大 D.与带电粒子的质量和电荷量均有关，质量和电荷量越大，能量越大 答案：AB(由带电粒子在磁场中运动的半径公式R=qB mv 可得v=m RqB ，所以粒子获得的最大动能E k =2mv 21=()2m RqB 2 4.A 加速器使某种粒子的能量达到15MeV ，这个能量是指粒子的 A.势能 B.动能 C.内能 D.电能 答案：B 5.A 下列关于回旋加速器的说法中，正确的是 A.回旋加速器一次只能加速一种带电粒子 B.回旋加速器一次最多只能加速两种带电粒子 C.回旋加速器一次可以加速多种带电粒子 D.回旋加速器可以同时加速一对电荷量和质量都相等的正离子和负离子 答案：A 6.A 用回旋加速器分别加速α粒子和质子时，若磁场相同，则加在两个D 形盒间的交变电压的频率应不同，其频率之比为 A1：1 B.1：2 C.2：1
高考物理速度选择器和回旋加速器题20套(带答案)
高考物理速度选择器和回旋加速器题20套(带答案) 一、速度选择器和回旋加速器 1．图中左边有一对水平放置的平行金属板，两板相距为d ，电压为U 0，两板之间有垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为B 0．图中右边有一半径为R 的圆形匀强磁场区域，磁感应强度大小为B 1，方向垂直于纸面朝外．一束离子垂直磁场沿如图路径穿出，并沿直径MN 方向射入磁场区域，最后从圆形区域边界上的P 点射出，已知图中θ=60o ，不计重力，求 （1）离子到达M 点时速度的大小； （2）离子的电性及比荷q m ． 【答案】（1）00U dB （2）0 0133U dB B R 【解析】 （1）离子在平行金属板之间做匀速直线运动， 由平衡条件得：qvB 0=qE 0 已知电场强度：0 0U E d = 联立解得：0 U v dB = （2）根据左手定则，离子束带负电 离子在圆形磁场区域做匀速圆周运动，轨迹如图所示： 由牛顿第二定律得：2 1mv qvB r = 由几何关系得：3r R =
01 3 3 U q m dB B R = 点睛：在复合场中做匀速直线运动，这是速度选择器的原理，由平衡条件就能得到进入复合场的速度．在圆形磁场区域内根据偏转角求出离子做匀速圆周运动的半径，从而求出离子的比荷，要注意的是离开磁场时是背向磁场区域圆心的． 2．如图所示，一束质量为m、电荷量为q的粒子，恰好沿直线从两带电平行板正中间通过，沿圆心方向进入右侧圆形匀强磁场区域，粒子经过圆形磁场区域后，其运动方向与入射方向的夹角为θ(弧度)．已知粒子的初速度为v0，两平行板间与右侧圆形区域内的磁场的磁感应强度大小均为B，方向均垂直纸面向内，两平行板间距为d，不计空气阻力及粒子重力的影响，求： (1)两平行板间的电势差U； (2)粒子在圆形磁场区域中运动的时间t； (3)圆形磁场区域的半径R． 【答案】(1)U=Bv0d；（2） m qB θ ；（3）R=0 tan 2 mv qB θ 【解析】 【分析】 （1）由粒子在平行板间做直线运动可知洛伦兹力和电场力平衡，可得两平行板间的电势差． （2）在圆形磁场区域中，洛伦兹力提供向心力，找到转过的角度和周期的关系可得粒子在圆形磁场区域中运动的时间． （3）)由几何关系求半径R． 【详解】 (1)由粒子在平行板间做直线运动可知，Bv0q=qE，平行板间的电场强度E= U d ，解得两平行板间的电势差：U=Bv0d (2)在圆形磁场区域中，由洛伦兹力提供向心力可知： Bv0q=m 2 v r 同时有T= 2r v π 粒子在圆形磁场区域中运动的时间t= 2 θ π T
回旋加速器课件
回旋加速器: (1)构造: 回旋加速器的核心部件是两个D 形扁金属盒，整个装置放在真空容器中，如图所示。 ①两个D形盒之间留有一个窄缝，在中心位置放有粒子源。 ②两个D形盒分别接在高频交变电源的两极上，在两盒间的窄缝中形成一个方向呈周期性变化的交变电场。 (2)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，如图所示。 ①磁场的作用：带电粒子以某一速度垂直于磁场方向进入匀强磁场时，只在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其中周期与速度和半径无关，使带电粒子每次进入D形盒中都能运动相等时间(半个周期)后，平行于电场方向进入电场中加速。 ②交流电压：为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被加速，使能量不断提高，要在狭缝处加 一个周期与相同的交流电压。 (3)特点
①带电粒子在D形盒中的回转周期等于两盒狭缝间高频电场的变化周期，与带电粒子速度无关(磁场保证带电粒子做回旋运动，如图所示)。 ②带电粒子在D形金属盒内运动的轨道半径不等距分布。设带正电粒子的质量为m，电荷量为q，狭缝间加速电压大小为U，粒子源产生的带电粒子，经电场加速第一次进入左半盒 时速度和半径分别为。 第二次进入左半盒时，经电场加速3次，进人左半盒的速度和半径为 第k次进入左半盒时，经电场加速(2k一1)次，进入左半盒时速度和半径为 所以，任意相邻两轨道半径之比 可见带电粒子在D形金属盒内运动时，越靠近D 形金属盒的边缘，相邻两轨道的间距越小。 ③带电粒子在回旋加速器内运动的最终能量。由于D形金属盒的大小一定，所以不管粒子的大小及带电荷量如何，粒子最终从加速器内射出时应具有相同的旋转半径。 由牛顿第二定律得 动量大小与动能之间存在定量关系 由①②两式得 可见，带电粒子离开回旋加速器的动能与加速电压无关，而仅受磁感应强度B和D形盒半
高中物理加速运动体系中液体的压强及浮力
加速运动体系中液体的压强及浮力 湖北省恩施高中陈恩谱 一、问题及民间解法展示 【例1】向右做匀速直线运动的小车上水平放置一密封的装有水的瓶子，瓶内 有一气泡，当小车突然加速运动时，气泡相对于瓶子向______（选填“左”或“右”） 运动． 【解析】从惯性的角度去考虑瓶内的气泡和水，显然水的质量远大于气泡的质 量，故水的惯性比气泡的惯性大．当小车突然加速时，水保持原来速度的能力远大 于气泡保持原来速度的能力，于是水相对小车向后运动，水挤压气泡，使气泡相对于瓶子向前运动．【例2】如图所示，水平面上有一辆小车，车厢底部固定一根细杆，杆的上端固定一个木球（木球密度小于水），车厢内充满了水。现使小车沿水平面向右做匀加速运动，设杆对木球的作用力为F，下面图中能大致表示F方向的是图 【解析】因为加速，由于惯性，水要保持原速度不变，故水对木球有向右的推力，类似气泡；对小球受力分析，受重力、浮力、杆的弹力、水对其有向右的推力，重力和浮力的合力向上，除弹力外其余三个力的合力向右上方，根据平衡条件，杆的弹力向左下方。故选D． 【例3】在水平地面上有一辆运动的平板小车，车上固定一个盛水的烧杯，烧杯的直径为L，当小车作加速度为a的匀加速运动时，水面呈如图所示，则小车的加速度方向为______，左右液面的高度差h为______． 【解析】在水面上的某一点选取一滴小水滴为研究的对象，它受到重力和垂直于 斜面的支持力的作用，合力的方向向右，所以小水滴向右加速运动， 设斜面与水平面的夹角为θ，小水滴受到的合力：F=mg tanθ； 小水滴的加速度：a=g tanθ．方向向右． 又由几何关系，得：tanθ= h/L，所以：h=L tanθ= aL/g 故答案为：向右；aL/g 二、问题的实质与科学的分析 1、惯性力 对于加速运动的参考系，牛顿定律不再成立，但是，若引入“惯性力”，则牛顿定律继续适用。相对地面以加速度为a的运动的参考系内，质量为m的物体均受到的“惯性力”为F惯＝－m a，即大小为ma，方向与a相反。 上述三个问题中，有两个共同点，其一，小车在做水平向右的加速运动，其二，观察现象时，选的都是小车为参考系。因此，在小车参考系内，需引入一个水平向左的惯性力ma，才能用牛顿定律分析。 2、加速运动体系中液体的压强和浮力 选小车为参考系，认为液体相对小车静止时液体处于平衡状态，则液体内的压强应引入惯性力后再用平衡条件分析，如右图；选一段液柱为研究对象，将惯性力与重力合成为mg/， 设该液柱底部所受其余部分压力为F，则由平衡条件，得： F mg' -= 则该液柱底部液体的压强为 F mg Vg h Sg p g h S S S S ρρ ρ '''' '' =====，其中 h/为液柱沿mg/方向的高度。 mg ma / h
粒子加速器的基本知识
粒子加速器的基本知识 2010-10-28 | 【大中小】【打印】【关闭】 粒子加速器是用来产生和加速带电离子的装置。粒子加速器一般包括用于产生带电粒子的离子源、用于传输束流的束运线、加速装置和实验终端等。 粒子加速器的主要设备包括各类磁铁元件、电源、真空设备、高频、注入引出元件、诊断元件和控制系统等。其中，二极磁铁用于改变带电粒子的运动方向，四极磁铁用于对带电粒子束进行聚焦，通常还包括六极磁铁、八极磁铁和校正磁铁等。加速器的磁铁大都是电磁铁，需要专用电源对其供电。此外，由于带电粒子与气体分子碰撞会损失能量，受到散射而损失，带电粒子的传输需要在真空环境下进行，这就意味着从离子源经过束运线，最终到实验终端的整个传输过程都必须维持真空环境，所以加速器的真空系统往往十分庞大。很多粒子加速器都采用高频腔来产生交变电场来加速或捕获带电离子，所以高频系统是粒子加速器的重要部件之一。注入引出元件分别用于带电离子的注入和引出；诊断元件用来测量束流的位置、强度、发射度、能量和Q值等信息，是加速器调束人员和物理实验人员的“眼睛”；控制系统用于远程获取和控制加速器各设备的运行状态，在同步加速器中，由于各相关设备必须统一按照预设的运行模式同步运行，快速、可靠的控制系统就显得尤为重要。 核物理实验一般都是采用一定能量的粒子束轰击打靶，改变靶原子核的状态，通过分析靶原子核状态改变后的结果，可以了解微观物质的组成和运动的规律。早期的核物理实验所用的粒子都是由天然的钋和镭的放射性同位素产生的，深入进行核物理研究需要粒子种类可变、能量更高和束流更强的粒子束，这就对用人工的方法产生不同种类，能量可变的高能粒子束提出了迫切的要求，由此推动了粒子加速器技术的发展。随着科学技术的进步，粒子加速器所提供的离子种类越来越多，能量范围越来越高，粒子加速器已经成为人类认识微观世界的重要手段。 根据所加速粒子种类的不同，粒子加速器可以分为电子加速器和重离子加速器。其
高中物理速度选择器和回旋加速器试题经典及解析
高中物理速度选择器和回旋加速器试题经典及解析 一、速度选择器和回旋加速器 1．某一具有速度选择器的质谱仪原理如图所示，A 为粒子加速器，加速电压为U 1；B 为速度选择器，磁场与电场正交，电场方向向左，两板间的电势差为U 2，距离为d ；C 为偏转分离器，磁感应强度为B 2，方向垂直纸面向里。今有一质量为m 、电荷量为e 的正粒子（初速度忽略，不计重力），经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做匀速圆周运动，打在照相底片D 上。求： (1)磁场B 1的大小和方向 (2)现有大量的上述粒子进入加速器A ，但加速电压不稳定，在11U U -?到11U U +?范围内变化，可以通过调节速度选择器两板的电势差在一定范围内变化，使得加速后的不同速度的粒子都有机会进入C ，则打在照相底片D 上的宽度和速度选择器两板的电势差的变化范围。 【答案】（1）2112U m B d U e = 2）()()11112222m U U m U U D B e e +?-?=，()11min 1 U U U U U -?=() 11max 1 U U U U U +?=【解析】 【分析】 【详解】 （1）在加速电场中 2112 U e mv = 12U e v m = 在速度选择器B 中
2 1U eB v e d = 得 1B = 根据左手定则可知方向垂直纸面向里； （2）由可得加速电压不稳后获得的速度在一个范围内变化，最小值为 1v = 1 12 mv R eB = 最大值为 2v = 2 22 mv R eB = 打在D 上的宽度为 2122D R R =- 22D B = 若要使不同速度的粒子都有机会通过速度选择器，则对速度为v 的粒子有 1U eB v e d = 得 U=B 1vd 代入B 1 得 2U U = 再代入v 的值可得电压的最小值 min U U =最大值 max U U =
高中物理速度选择器和回旋加速器技巧(很有用)及练习题及解析
高中物理速度选择器和回旋加速器技巧(很有用)及练习题及解析 一、速度选择器和回旋加速器 1．某一具有速度选择器的质谱仪原理如图所示，A 为粒子加速器，加速电压为U 1；B 为速度选择器，磁场与电场正交，电场方向向左，两板间的电势差为U 2，距离为d ；C 为偏转分离器，磁感应强度为B 2，方向垂直纸面向里。今有一质量为m 、电荷量为e 的正粒子（初速度忽略，不计重力），经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做匀速圆周运动，打在照相底片D 上。求： (1)磁场B 1的大小和方向 (2)现有大量的上述粒子进入加速器A ，但加速电压不稳定，在11U U -?到11U U +?范围内变化，可以通过调节速度选择器两板的电势差在一定范围内变化，使得加速后的不同速度的粒子都有机会进入C ，则打在照相底片D 上的宽度和速度选择器两板的电势差的变化范围。 【答案】（1）2112U m B d U e = 2）()()11112222m U U m U U D B e e +?-?=，()11min 1 U U U U U -?=() 11max 1 U U U U U +?=【解析】 【分析】 【详解】 （1）在加速电场中 2112 U e mv = 12U e v m = 在速度选择器B 中
2 1U eB v e d = 得 1B = 根据左手定则可知方向垂直纸面向里； （2）由可得加速电压不稳后获得的速度在一个范围内变化，最小值为 1v = 1 12 mv R eB = 最大值为 2v = 2 22 mv R eB = 打在D 上的宽度为 2122D R R =- 22D B = 若要使不同速度的粒子都有机会通过速度选择器，则对速度为v 的粒子有 1U eB v e d = 得 U=B 1vd 代入B 1 得 2U U = 再代入v 的值可得电压的最小值 min U U =最大值 max U U =
回旋加速器(答案)
回旋加速器（参考答案） 一、知识清单 1． 【答案】 二、经典习题 2． 【答案】BC ． 【解析】回旋加速器粒子在磁场中运动的周期和高频交流电的周期相等，当粒子从D 形盒中出来时，速度最大，此时运动的半径等于D 形盒的半径，再推导出动能表达式，从而即可不解． 【解答】解：A 、当粒子从D 形盒中出来时速度最大，根据qv m B=m ，得v m =，那么质子获得的最大动能E Km = ，则最大动能与交流电压U 无关．故A 错误． B 、根据T=，若只增大交变电压U ，不会改变质子在回旋加速器中运行的周期，但加速次数减少，则运行时间也会变短．故B 正确． C 、根据T= ，若磁感应强度B 增大，那么T 会减小，只有当交流电频率f 必须适当增大才能正常工作．故C 正确． D 、带电粒子在磁场中运动的周期与加速电场的周期相等，根据T=知，换用α粒子，粒子的比荷变化，周期变化，回旋加速器需改变交流电的频率才能加速α粒子．故D 错误． 3． 【答案】B 【解析】回旋加速器所加高频电源的频率与带电粒子在磁场中运动频率相同，在一个周期内，带电粒子两次通过匀强电场而加速，故高频电源的变化周期为t n －t n －2，A 错误；带电粒子在匀强磁场中运动周期与粒子速度 无关，故B 正确；粒子获得的最大动能可由最后半个圆周的偏转求得，设D 形盒的最大半径为R ，则R ＝mv m Bq ，所以最大动能E km ＝12mv 2m ＝B 2q 2R 22m ，R 越大，E km 越大，且比荷不同的粒子获得的最大动能不同，故C 、D 错误。 4． 【答案】AC 【解析】根据带电粒子在匀强磁场中运动的周期与速度无关可知，在E k -t 图中应该有t n ＋1－t n ＝t n －t n －1，选项A 正确B 错误；由于带电粒子在电场中加速，电场力做功相等，所以在E k -t 图中应该有E n ＋1－E n ＝E n －E n －1，选项C 正确D 错误。 5． 【答案】 A 【解析】 根据qvB ＝m v 2R ，得v ＝qBR m .两粒子的比荷q m 相等，所以最大速度相等．故A 正确．最大动能E k ＝12 mv 2＝q 2B 2R 22m ，两粒子的比荷q m 相等，但质量不相等，所以最大动能不相等．故B 错．带电粒子在磁场中运动的周期T ＝2πm qB ，两粒子的比荷q m 相等，所以周期相等．做圆周运动的频率相等，因为所接高频电源的频率等于粒子做圆周运动的频率，故两次所接高频电源的频率相同，故C 错误．由E k ＝q 2B 2R 22m 可知，粒子的最大动能与加速电压的频率无关，故仅增大高频电源的频率不能增大粒子的最大动能．故D 错． 6． 【答案】B 【解析】根据T ＝2πm qB ，则三种粒子在磁场中运动的周期分别为：T 1＝4πm qB 、T 2＝4πm qB 、T 3＝3πm qB ；因为加速电
物理回旋加速器练习题
回旋加速模型 1． 正电子发射计算机断层（PET ）是分子水平上的人体功能显像的国际领先技术，它为临床诊断和治疗提供全新的手段。 （1）PET 在心脏疾病诊疗中，需要使用放射正电子的同位素 氮13示踪剂，氮13是由小型回旋加速器输出的高速质子轰击氧16获得的，反应中同时还产生另一个粒子，试写出该核反应方程。 （2）PET 所用回旋加速器示意如图7.11，其中置于高真空中 的金属D 形盒的半径为R ，两盒间距为d ，在左侧D 形盒圆心处放有粒子源S ，匀强磁场的磁 感应强度为B ，方向如图所示。质子 质量为m ，电荷量为q 。设质子从粒 子源S 进入加速电场时的初速度不 计，质子在加速器中运动的总时间为t （其中已略去了质子在加速电场中的运动时间），质子在电场中的加速次数于回旋半周的次数相同，加速质子时的电压大小可视为不变。求此加速器所需的高频电源频率f 和加速电压U 。 （3）试推证当d R 时，质子在电场中加速的总时间相对于在 D 形盒中回旋的时间可忽略不计（质子在电场中运动时，
不考虑磁场的影响）。 图7.11 解析： （1）核反应方程为：He N H O 4213711168+→+ ① （2）设质子加速后最大速度为v ，由牛顿第二定律得： R v m qvB 2 = ② 质子的回旋周期为：qB m v R T ππ22== ③ 高频电源的频率为：m qB T f π21== ④ 质子加速后的最大动能为：22 1mv E k = ⑤ 设质子在电场中加速的次数为n ，则： nqU E k = ⑥ 又2T n t = ⑦ 可解得：t BR U 22 π= ⑧ （3）在电场中加速的总时间为：
高考物理速度选择器和回旋加速器解题技巧讲解及练习题
高考物理速度选择器和回旋加速器解题技巧讲解及练习题 一、速度选择器和回旋加速器 1．某一具有速度选择器的质谱仪原理如图所示，A 为粒子加速器，加速电压为U 1；B 为速度选择器，磁场与电场正交，电场方向向左，两板间的电势差为U 2，距离为d ；C 为偏转分离器，磁感应强度为B 2，方向垂直纸面向里。今有一质量为m 、电荷量为e 的正粒子（初速度忽略，不计重力），经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做匀速圆周运动，打在照相底片D 上。求： (1)磁场B 1的大小和方向 (2)现有大量的上述粒子进入加速器A ，但加速电压不稳定，在11U U -?到11U U +?范围内变化，可以通过调节速度选择器两板的电势差在一定范围内变化，使得加速后的不同速度的粒子都有机会进入C ，则打在照相底片D 上的宽度和速度选择器两板的电势差的变化范围。 【答案】（1）2112U m B d U e = 2）()()11112222m U U m U U D B e e +?-?=，()11min 1 U U U U U -?=() 11max 1 U U U U U +?=【解析】 【分析】 【详解】 （1）在加速电场中 2112 U e mv = 12U e v m = 在速度选择器B 中
2 1U eB v e d = 得 1B = 根据左手定则可知方向垂直纸面向里； （2）由可得加速电压不稳后获得的速度在一个范围内变化，最小值为 1v = 1 12 mv R eB = 最大值为 2v = 2 22 mv R eB = 打在D 上的宽度为 2122D R R =- 22D B = 若要使不同速度的粒子都有机会通过速度选择器，则对速度为v 的粒子有 1U eB v e d = 得 U=B 1vd 代入B 1 得 2U U = 再代入v 的值可得电压的最小值 min U U =最大值 max U U =
自制粒子加速器
自制粒子加速器 大象无形
目录 一、什么是回旋加速器 (1) 二、加速器的原理及公式 (2) 三、电磁铁制作 (3) 1.概述 (3) 2.铁芯 (5) 3.磁极设计 (6) 4、励磁线圈的设计 (7) 四、真空系统 (8) 五、射频电子系统 (10) 1、射频系统驱动 (10) 2、电源要求： (10) 3.D盒电路设计: (12) 4.偏置电压 (13)
一、什么是回旋加速器 它是利用磁场使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置。是高能物理中的重要仪器。 1930年E.O.劳伦斯提出其工作原理，1932年首次研制成功。它的主要结构是在磁极间的真空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。绕行半圈的时间为t=(m π)/qB，其中q是粒子电荷，m是粒子的质量，B是磁场的磁感应强度。如果D 形盒上所加的交变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。经过很多次加速，粒子沿螺旋形轨道从D形盒边缘引出，能量可达几十兆电子伏特（MeV ）。回旋加速器的能量受制于随粒子速度增大的相对论效应，粒子的质量增大，粒子绕行周期变长，因此，为了使粒子每次穿过缝隙时仍能不断得到加速，必须使交变电场的角频率ω随着粒子的加速过程而同步降低，使之满足ω m=qB（式中q和B时不变的）。根据这个原理设计的回旋加速器叫做同步回旋加速器(Syncrocyclotron)。
粒子加速
一、教材内容和学情分析： 1．《带电粒子在电场中的运动》是高二学习了基础教材电场、电势差、电场力做功与电势能等内容之后再学习的拓展内容。 2．通过本章节的学习，进一步理解力与运动、功与能的关系。把电场概念与运动学、力学联系起来，学习运用运动的合成与分解、牛顿定律、动能定理解题，提高分析问题的能力、综合能力、用数学方法解决物理问题的能力。 3．在高考中，是重点内容。要求学生有较高的综合解题的能力。由于本校学生的基础比较差，学习有一定难度，所以用匀强电场为例来讲解带电粒子在电场中的加速和偏转，且只选粒子初速度方向与电场方向平行和垂直两种情况。 二、课程目标 （1）知识与技能 1．理解并掌握带电粒子在电场中加速和偏转的原理。 2．能用牛顿运动定律或动能定理分析带电粒子在电场中加速和偏转。（2）过程与方法 1．分析如何利用电场使带电粒子速度大小改变即加速。 2．分析如何利用电场使带电粒子速度方向改变而发生偏转。
3．体验类比平抛运动，运用分解的方法处理曲线运动。 4．归纳用力学规律处理带电粒子在电场中运动的常用方法。 （3）情感、态度和价值观 1．感受从能的角度，用动能定理分析解答问题的优点。 2．进一步养成科学思维的方法。 三、教学思想：启发式教学 四、重点分析：初速度为零时，粒子沿场强方向做匀加速直线运动；垂直于场强方向入射时，粒子的运动为抛物线运动 五、难点分析：带电粒子在电场中的偏转中的侧移量、偏转角的掌握。归纳用力学规律处理带电粒子在电场中运动的常用方法。 六、教学策略 带电粒子在电场中加速和偏转的原理，是本节的重点。通过观察带电粒子在电场中的加速、偏转实验来增加直观性。由于带电粒子的偏转是曲线运动，比较复杂，学生理解起来有一定的困难，故作为本节的难点，通过类比重力场中的平抛运动突破难点。对以上重难点内容，通过例题来突出和突破。 七、教学过程：
回旋加速器
第六节 回旋加速器 ●教学目标 一、知识目标 1.知道回旋加速器的基本构造及工作原理. 2.知道回旋加速器的基本用途. 二、能力目标 先介绍直线加速器，然后引出回旋加速器，并对两种加速器进行对比评述，引导学生思维，开阔学生思路. 三、德育目标 1.通过介绍两种加速器的利和弊，告诉学生应辩证地去看待某一事物. 2.通过介绍回旋加速器不利的一面，希望学生掌握现在的基础知识，将来能研究出更切合实际的加速器. ●教学重点 回旋加速器的工作原理. ●教学难点 回旋加速器的基本用途. ●教学方法 阅读法、电教法、对比法 ●教学用具 实物投影仪、CAI 课件 ●课时安排 1课时 ●教学过程 ［投影］本节课的教学目标： 1.知道回旋加速器的基本构造及工作原理. 2.知道加速器的基本用途. ●学习目标完成过程 一、引入新课 在现代的物理学中，为了进一步研究物质的微观结构，需要能量很高的带电粒子去轰击原子核，为了使带电粒子获得如此高的能量，就必须设计一个能给粒子加速的装置——加速器. 二、新课教学 让学生阅读课文，然后回答以下问题： ［问题1］用什么方法可把带电粒子加速？ ［学生答］利用加速电场给带电粒子加速. ［板书］由动能定理W =ΔE k qu =22 1mv ， v =m qu /2 ［问题2］带电粒子一定，即q/m 一定，要使带电粒子获得的能量增大，可采取什么方法？ ［学生答］带电粒子一定，即q/m 一定，要使带电粒子获得的能量增大，可增大加速电场两极板间的电势差. ［问题3］实际所加的电压，能不能使带电粒子达到所需的能量？（不能）怎么办？ ［学生答］实际所加的电压，不能使带电粒子达到所需要的能量.不能，可采用高极加
直线加速器 物理师试卷
2007 LA物理师模拟试卷 一单选题（共120小题，每小题只有一个选项是正确的） 1 L壳层最多可容纳的电子数为多少？ A 2 B4 C6 D8 E10 2 光子能量的表达式是哪项？（C为光速，h是普朗克常数） A E=hC B E= hC/λ C E=hλ D E=hλ/C E E=Cλ 3 只有当入射X（γ）光子能量大于多少时才能发生电子对效应？ A 200Kev B 400Kev C 1.02Mev D 1.25 Mev E 1.33 Mev 4 用于放射治疗吸收剂量校准及日常监测的主要方法是： A 量热法 B 电离室法C热释光法 D 半导体法 E 胶片法 5 指形电离室壁多选用什么材料？ A 铝 B 碳C石墨 D 酚醛树脂E塑料 6 电离室的有效测量点规定在电离室中心点的哪个方向（面向电离辐射入射方向）? A 前方 B 后方 C右侧方 D左侧方 E中心点 7 如以r表示电离室的半径，则钴-60γ射线的有效测量点位于： A 0.1r B 0.3r C 0.5r D 0.75r E 几何中心 8 关于胶片在剂量学中的应用哪项描述错误？ A 检查射野的平坦度和对称性 B 获取离轴比及百分深度剂量等剂量学数据 C 验证相邻射野间剂量分布的均匀性 D 验证治疗计划系统剂量计算的精确度 E 验证低能X射线的剂量分布误差 9 以水为吸收介质，康普顿效应占优势的能量段是： A 1-10Kev B 10-30Kev C 30Kev-25Mev D 25-100Mev E 100-125Mev 10 以下哪项为天然放射性同位素？ A 镭-226 B 铯-137 C 钴-60 D 铱-192 E 碘-125 11 近距离治疗所用源位于200Kev-2Mev能量段的同位素所具有的物理特征是： A 剂量率常数不变 B 剂量率常数随能量变化 C 剂量率常数随组织结构变化 D 与生物组织的相互作用服从康普顿弹性散射规律 E 光电效应占主导地位
医用直线加速器比较表
医用直线加速器比较表 厂商Elekta VARIAN SIEMENS 说明 机型Precise Clinac EX Primus 基本结构Elekta加速器的高度集成化控制系统、性能绝佳的敞开式设 计保证可加速器的高开机率。其他厂家的产品都是封闭式设 计，常因机器设计不佳而停机，更换加速管时间长。 加速管行波驻波驻波最低的加速器使用消耗费用：驻波加速管对真空度的要求、能 量的转换、能谱的宽度等几个方面都优于驻波加速管。Elekta 保持和发展了行波管加速原理，通过独特的设计使一台加速器 可提供3档电子线。一机多用。其他厂家加速器最多产生两个 光子线。Elekta加速器具有低功耗、高效率、长寿命，自1953 年生产世界上第一台直线加速器以来，从未更换过加速管。 机架类型滚筒式中心轴承式中心轴承式Elekta滚筒机架磨损小，等中心变化小，十年精度1mm，终身 保证机架等中心精度在2mm（V和S都采用中心轴承式，十年 等中心偏差超过2mm），且为敞开式设计，散热性能好，连续 工作时间长，便于维修。 微波功率源仅用磁控管（ 5.5MW） 即可需速调管（5.5MW）加 微波驱动 需速调管（7MW）加 微波驱动 Elekta使用EEV公司的长寿命磁控管，停机时间短，运行费 用低，且无条件保修2年。 低运行费用的微波功率源：Elekta公司采用的微波功率源是 磁控管，集振荡器和放大器为一体，结构简单，不需额外的微 波振荡器（或微波驱动器）等组件，从而简化功率源的结构。 磁控管的体积小，能安装在机架上，直接把微波馈送到加速管， 不需特殊接头，且易更换，停机时间短（而速调管必须配上配 上微波振荡器才能实现磁控管的功能，磁控管的寿命比速调管 短一半，但由于振荡器的寿命与磁控管差不多，导致使用速调 管的费用为使用磁控管的4～5倍。
粒子加速器汇总
粒子加速器 particle accelerator 用人工方法产生高速带电粒子的装置。是探索原子核和粒子的性质、内部结构和相互作用的重要工具，在工农业生产、医疗卫生、科学技术等方面也都有重要而广泛的实际应用。 自从E.卢瑟福1919年用天然放射性元素放射出来的a射线轰击氮原子首次实现了元素的人工转变以后，物理学家就认识到要想认识原子核，必须用高速粒子来变革原子核。天然放射性提供的粒子能量有限，只有几兆电子伏特（MeV），天然的宇宙射线中粒子的能量虽然很高，但是粒子流极为微弱，例如能量为1014电子伏特（ eV ）的粒子每小时在 1平方米的面积上平均只降临一个，而且无法支配宇宙射线中粒子的种类、数量和能量，难于开展研究工作。因此为了开展有预期目标的实验研究，几十年来人们研制和建造了多种粒子加速器，性能不断提高。应用粒子加速器发现了绝大部分新的超铀元素和合成的上千种新的人工放射性核素，并系统深入地研究原子核的基本结构及其变化规律，促使原子核物理学迅速发展成熟起来；高能加速器的发展又使人们发现包括重子、介子、轻子和各种共振态粒子在内的几百种粒子，建立粒子物理学。近20多年来，加速器的应用已远远超出原子核物理和粒子物理领域，在诸如材料科学、表面物理、分子生物学、光化学等其它科技领域都有着重要应用。在工、农、医各个领域中加速器广泛用于同位素生产、肿瘤诊断与治疗、射线消毒、无损探伤、高分子辐照聚合、材料辐照改性、离子注入、离子束微量分析以及空间辐射模拟、核爆炸模拟等方面。迄今世界各地建造了数以千计的粒子加速器，其中一小部分用于原子核和粒子物理的基础研究，它们继续向提高能量和改善束流品质方向发展；其余绝大部分都属于以应用粒子射线技术为主的“小”型加速器。 粒子加速器的结构一般包括 3个主要部分：①粒子源，用以提供所需加速的粒子，有电子、正电子、质子、反质子以及重离子等等。②真空加速系统，其中有一定形态的加速电场，并且为了使粒子在不受空气分子散射的条件下加速，整个系统放在真空度极高的真空室内。③导引、聚焦系统，用一定形态的电磁场来引导并约束被加速的粒子束，使之沿预定轨道接受电场的加速。所有这些都要求高、精、尖技术的综合和配合。 加速器的效能指标是粒子所能达到的能量和粒子流的强度（流强）。按照粒子能量的大小，加速器可分为低能加速器（能量小于108eV）、中能加速器（能量在108～109eV）、高能加速器（能量在109～1012eV）和超高能加速器（能量在1012eV以上)。目前低能和中能加速器主要用于各种实际应用。 粒子加速器按其作用原理不同可分为静电加速器、直线加速器、回旋加速器、电子感应加速器、同步回旋加速器、对撞机等。 １９２９年，英国物理学家科克罗夫特和沃尔顿一起，设计制造出了一个“电压倍加器”，从而制造出了世界上第一台增加质子能量的装置，他们把它叫做“静电粒子加速器”。这台加速器利用高电压，能把质子加速到将近４０万电子伏的能量，便锂原子发生了核分裂，从而首次用人造粒子炮弹实现了核分裂。为经，科克罗夫特和沃尔顿一起获得了１９５１年的诺贝尔物理学奖。但是不久，人们就发现静电粒子加速器在电压太高时会产生巨大的电火花。这样，要再进一步增大粒子炮弹的能量就不可能了。 然而，正是在首创的“静电粒子加速器”的基础上，科学家们不断努力探索，后来又研制成功了直线粒子加速器、回旋粒子加速器、同瞳回旋加速器、质子同
高中物理速度选择器和回旋加速器及其解题技巧及练习题
高中物理速度选择器和回旋加速器及其解题技巧及练习题 一、速度选择器和回旋加速器 1．如图所示，在直角坐标系xOy 平面内有一个电场强度大小为E 、方向沿-y 方向的匀强电场，同时在以坐标原点O 为圆心、半径为R 的圆形区域内，有垂直于xOy 平面的匀强磁场，该圆周与x 轴的交点分别为P 点和Q 点，M 点和N 点也是圆周上的两点，OM 和ON 的连线与+x 方向的夹角均为θ=60°。现让一个α粒子从P 点沿+x 方向以初速度v 0射入，α粒子恰好做匀速直线运动，不计α粒子的重力。 (1)求匀强磁场的磁感应强度的大小和方向； (2)若只是把匀强电场撤去，α粒子仍从P 点以同样的速度射入，从M 点离开圆形区域，求α 粒子的比荷 q m ； (3) 若把匀强磁场撤去，α粒子的比荷 q m 不变，α粒子仍从P 点沿+x 方向射入，从N 点离开圆形区域，求α粒子在P 点的速度大小。 【答案】(1)0E v ，方向垂直纸面向里(2)03BR (3)3v 0 【解析】 【详解】 （1）由题可知电场力与洛伦兹力平衡，即 qE =Bqv 0 解得 B = E v 由左手定则可知磁感应强度的方向垂直纸面向里。 （2）粒子在磁场中的运动轨迹如图所示， 设带电粒子在磁场中的轨迹半径为r ，根据洛伦兹力充当向心力得 Bqv 0=m 20 v r
由几何关系可知 r=3R，联立得 q m =0 3BR （3）粒子从P到N做类平抛运动，根据几何关系可得 x=3 2 R=vt y= 3 2 R= 1 2 × qE m t2 又 qE=Bqv0联立解得 v=3 2 3 Bqv R m = 3 v0 2．如图所示，一束质量为m、电荷量为q的粒子，恰好沿直线从两带电平行板正中间通过，沿圆心方向进入右侧圆形匀强磁场区域，粒子经过圆形磁场区域后，其运动方向与入射方向的夹角为θ(弧度)．已知粒子的初速度为v0，两平行板间与右侧圆形区域内的磁场的磁感应强度大小均为B，方向均垂直纸面向内，两平行板间距为d，不计空气阻力及粒子重力的影响，求： (1)两平行板间的电势差U； (2)粒子在圆形磁场区域中运动的时间t； (3)圆形磁场区域的半径R． 【答案】(1)U=Bv0d；（2） m qB θ ；（3）R=0 tan 2 mv qB θ 【解析】 【分析】 （1）由粒子在平行板间做直线运动可知洛伦兹力和电场力平衡，可得两平行板间的电势差． （2）在圆形磁场区域中，洛伦兹力提供向心力，找到转过的角度和周期的关系可得粒子在圆形磁场区域中运动的时间． （3）)由几何关系求半径R． 【详解】
回旋加速器与高考物理讲解
回旋加速器与高考物理 河南省信阳高级中学陈庆威 2015.12.08 一、命题分析 无论是2008广东物理卷第4题、2009年江苏物理第14题、2010年山东第25题、2011天津理综物理第12题，还是2015年我们刚经历过的浙江高考物理第25题。回旋加速器这个名字总是熟悉地出现在我们的高考试卷中。 回旋加速器是教材中带电粒子在电磁场中的运动的重要实例，也是近代物理的重要实验装置，是高考考查的重点和热点，高考试题中它可能为选择题，也可能为计算题，一旦出现在计算题中，多半要成为压轴题。这种题的综合性强、难度大、分值高、区分度大，因此也成为我们学习的重点，备考的热点。 二、工作原理 回旋加速器的工作原理如图所示，设离子源中放出的是带正电的粒子，带正电的粒子以一定的初速度v 进入下方D形盒中的匀强磁场做匀速圆周运动，运动 半周后回到窄缝的边缘，这时在A 1、A 1 '间加一向上的电场，粒子将在电场作用下 被加速，速率由v 0变为v 1 ，然后粒子在上方D形盒的匀强磁场中做圆周运动，经 过半个周期后到达窄缝的边缘A 2'，这时在A 2 、A 2 ′间加一向下的电场，使粒子又 一次得到加速，速率变为v 2 ，这样使带电粒子每通过窄缝时被加速，又通过盒内磁场的作用使粒子回旋到窄缝，通过反复加速使粒子达到很高的能量。 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，被电场加速二次。 2、将带电粒子在狭缝之间的运动首尾连接起来是一个初速度为零的匀加速直线运动。 3、带电粒子每经电场加速一次，回旋半径就增大一次，每次增加的动能为；所有各次半径之比为：； 4、对于同一回旋加速器，其粒子的回旋的最大半径是相同的。 5、由最大半径得：；
粒子加速器的分类共10页word资料
粒子加速器的分类 粒子加速器按其作用原理不同可分为静电加速器、直线加速器、回旋加速器、电子感应加速器、同步回旋加速器、对撞机等。利用直线加速器加速带电粒子时，粒子是沿着一条近于直线的轨道运动和被逐级加速的，因此当需要很高的能量时，加速器的直线距离会很长。有什么办法来大幅度地减小加速器的尺寸吗?办法说起来也很简单，如果把直线轨道改成圆形轨道或者螺旋形轨道，一圈一圈地反复加速，这样也可以逐级谐振加速到很高的能量，而加速器的尺寸也可以大大地缩减。1930年E.O.劳伦斯在直线加速器谐振加速工作原理的启发下，提出了研制回旋加速器的建议。劳伦斯建议在回旋加速器里采用一个轴向磁场，使带电粒子不再沿着直线运动，而沿着近似于平面螺旋线的轨道运动。1931年建成了第一台回旋加速器，磁极直径约10厘米，用2千伏的加速电压工作，把氘核加速到80keV，证实了回旋加速器的工作原理是可行的。在1932年又建成了磁极直径为27厘米的回旋加速器，可以把质子加速到1MeV。回旋加速器的电磁铁的磁极是圆柱形的，两个磁极之间形成接近均匀分布的主导磁场。磁场是恒定的，不随时间而变化。在磁场作用下，带电粒子沿着圆弧轨道运动，粒子能量不断地提高，轨道的曲率半径也不断地提高，运动轨道近似于一条平面螺旋线。两个磁极之间是真空室。里面装有两个半圆形空盒状的金属电极，通称为"D形电极"。D形电极接在高频电源的输出端上，2个D形电极之间的空隙(加速间隙)有高频电场产生。粒子源安装在真空室中心的加速间隙中。D形电极内部没有高频电场，粒子进入D形电极之内就不再被加速，在恒定的主导磁场作用下做圆周运动。只要粒子回旋半圆的时间等于加速电压半周期的奇整数倍，就能够得到谐振加速。用一个表达式可以表示成：Tc=KTrt式中Tc是粒子的回旋周期，Trt是加速电压的周期，K应该是奇整数。这类利用轴向磁场使带电粒子做回旋运动，周期性地通过高频电场加速粒子的回旋加速器又可以分为两类：第一类是没有自动稳相机制的。等时性回旋加速器就是属于这一类。D形电极间加有频率固定的高频加速电场，粒子能量低时，回旋频率能保持与高频电场谐振，而当能量高时，粒子的回旋频率会随着能量的提高而越来越低于高频电场频率，最终不能再被谐振加速。为了克服这个困难，可以使磁场沿半径方向逐步增加，以保持粒子的回旋频率恒定。然而磁场沿半径方向递增却又导致粒子束流轴向散开。为解决这一矛盾，60年代初研制成功了扇形聚焦回旋加速器，在磁极上巧妙地装上边界弯曲成螺旋状的扇形铁板，它可以产生沿方位角变化的磁场，即使加速粒子轴向聚焦，又使磁场随半径增大而提高，保证粒子的旋转频率不变，即旋转一周的时间不变，