回旋加速器的五个有关问题
回旋加速器的五个主要特征
[摘要]：讨论回旋加速器的题目一般在已经学习了带电粒子在磁场中的运动规律，因此本文容在分析回旋加速器的构造的基础上，研究方便解决高考题的回旋加速器五个特征，使这类题目不再是难题
[关键字]：回旋加速器、带电粒子、D型盒
一、回旋加速器的工作原理
回旋加速器的工作原理如图所示．放在A0处的粒子源发出一个带正电的粒子，它以某一速率v0垂直进入匀强磁场，在磁场中做匀速圆周运动．经过半个周期，当它沿着半圆弧A0A1到达A1时，在A1A1′处造成一个向上的电场，使这个带电粒子在A1A1′处受到一次电场的加速，速率由v0增加到v1．然后粒子以速率v1在磁场中做匀速圆周运动．我们知道，粒子的轨道半径跟它的速率成正比，因而粒子将沿着半径增大了的圆周运动．又经过半个周期，当它沿着半圆弧A1′A
2′到达A
2
′时，在A
2
′A
2
处造
成一个向下的电场，使粒子又一
次受到电场的加速，速率增加到
v2．如此继续下去，每当粒子运
动到A1A1′、A3A3′等处时都使
它受到向上电场的加速，每当粒子运动到A2′A2、A4′A4等处时都使它受到向下电场的加速，粒子将沿着图示的螺线A0A1A1′A2′A2……回旋下去，速率将一步一步地增大．
带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期T＝2πm/qB跟运动速率和轨道半径无关，对一定的带电粒子和一定的磁感应强度来说，这个周期是恒定的．因此，尽管粒子的速率和半径一次比一次增大．运动周期T却始终不变，这样，如果在直线AA、A′A′处造成一个交变电场，使它也以相同的周期T往复变化，那就可以保证粒子每经过直线AA和A′A′时都正好赶上适合的电场方向而被加速．回旋加速器的核心部分是两个D形的金属扁盒,这两个D形盒就像是沿着直径把一个圆形的金属扁盒切成的两
半．两个D形盒之间留一个窄缝，在中心附近
放有粒子源．D形盒装在真空容器中，整个装
置放在巨大电磁铁的两极之间，磁场方向垂直
于D形盒的底面．把两个D形盒分别接在高频电源的两极上，如果高频电源的周期与带电粒子在D形盒中的运动周期相同，带电粒子就可以不断地被加速了．带电粒子在D形盒沿螺线轨道逐渐趋于盒的边缘，达到预期的速率后，用特殊装置把它们引出．
二、回旋加速器的五个主要特征
1、带电粒子在D型盒中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）
2、带电粒子在D形金属盒运动的轨道半径：不等距分布。
设正离子的质量为m，电荷量为q，狭缝间加速电压大小为U，离子从离子源飘出，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，进入左半盒的速度和半径为，。
则第k 次进入左半盒时，经电场加速(2k-1)次，进入左半盒时速度和半径为
，.可得：2(21)n k qum r Bq -= 同理可得离子第
次进入D 形盒后的轨道半径2(21)n k qum r Bq +=
所以，任意相邻两轨道半径之
比。可见带电粒子
D 形金属盒的边缘，相邻两轨道的间
距越小。
4、带电粒子在回旋加速器的运动时间
带电粒子在回旋加速器运动时间长短，与带电粒子做匀速圆周运动的周期有关，同时还与带电粒子在磁场中转动的圈数有关。设带电粒子在磁场中转动的圈数为n ，加速电压为U 。因每加速一次粒子获得能量为qU ，每圈有两次加速。
结合知，。因此
，所以带电粒子在回旋加速器运动时间
。 5、由于随着带电粒子速度的增加，当速度接近光速时，根据爱因斯坦狭义相对论可以知道，粒子质量增加，回转周期变大，而与交变
电压周期不一致，使加速器无常工作，所以回旋加速器不能无限地对带电粒子加速。
三、例题
例1、如图所示为一种获得高能粒子的装置，环形区域存在垂直纸面的匀强磁场，质量为m，电量为＋q的粒子，在环中做半径为R的圆周运动，A、B为两块中心开有小孔的极板，原来电势均为零，每当粒子飞经A板时，A板电势升高为＋U，B板电势仍保持为零，粒子在两极中得到加速．每当粒子离开时，A极电势又降为零，粒子在电场中一次一次加速下动能不断增大，而绕行半径不变．
（1）设时，粒子静止在A板小孔处，在电场作用下加速，并开始绕行第一回，求粒子绕行n圈回到A板时获得的动能．
（2）为使粒子运动半径始终不变，磁场必周期性递增，求粒子绕行第n圈时磁感强度为多少？
（3）求粒子绕行n圈所需的总时间．（设极板间距远小于R）
解析：（1）因粒子绕行一圈增加的动能为qU，所以绕行n圈获得的总动能为
（2）由（1）得绕行第n圈的速度
在磁场中由牛顿定律得：即
（3）粒子保持运动半径不变，故每转一圈的时间，所以粒子绕行第一圈所用的时间，而，绕第二圈所用时间为,……，所以绕行n圈所需总时间
例2、(2005天津)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，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R>>d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）。
解析：（1）核反应方程式为：
（2）设质子加速后最大速度为，由牛顿第二定律有
质子的回旋周期，高频电源的频率
质子加速后的最大动能。
设质子在电场中加速的次数为n，则又，联立以上几式可解得
（3）在电场中加速的总时间为，在D形盒中回旋的总时间为，故，即当时R>>d，t1可忽略不计。
人教版(2019)高一物理第一学期选修第二册第一章 4. 质谱仪与回旋加速器C
2020-2021学年高一第一学期物理人教版2019选修第二册第一章 4. 质谱仪与回旋加速器C 1.如图所示为回旋加速器的工作原理示意图,D形金属盒置于真空中,半径为R,两金属盒间的狭缝很小,磁感应强度大小为B的勻强磁场与金属盒盒面垂直,高频交流电的频率为f,加速电压为U,若中心粒子源处产生的初速度为0的质子(质量为m,电荷量为+e)在加速器中被加速。不考虑相对论效应,则下列说法正确的是( ) A.加速的粒子获得的最大动能随加速电压U的增大而增大 B.不改变磁感应强度B和交流电的频率f,该加速器一定可加速其他带正电荷的粒子 C.质子被加速后的最大速度不能超过2πRf D.质子第二次和第一次经过D形盒间狭缝后轨道半径之比为2:1 2.回旋加速器是加速带电粒子的装置.其核心部分是分别与高频交流电源两极相连接的两个D形金属盒,两盒间的狭缝中存在周期性变化的电场,使粒子在通过狭缝时都能得到加速,两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中,如图所示,要增大带电粒子射出时的动能,则下列说法中正确的是( )
A.减小磁场的磁感应强度 B.增大匀强电场间的加速电压 C.增大D形金属盒的半径 D.减小狭缝间的距离 3.质谱仪是测带电粒子质量和分析同位素的一种仪器,它的工作原理是带电粒子(不计重力)经同一电场加速后,垂直进入同一匀强磁场做圆周运动,然后利用相关规律计算出带电粒子质量。其工作原理如图所示。虚线为某粒子运动轨迹,由图可知( ) A.此粒子带负电 B.下极板S2比上极板S1电势高 C.若只减小加速电压U,则半径r变大 D.若只减小入射粒子的质量,则半径r变小 4.1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器,其原理如图所示,这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成,其间留有空隙,下列说法正确的是( ) A.离子从电场中获得能量 B.离子由加速器的边缘进入加速器 C.加速电场的周期随粒子速度增大而增大 D.离子从D形盒射出时的动能与加速电场的电压有关
(习题)3.9粒子速度选择器_质谱仪_回旋加速器
一 粒子速度选择器练习 如图，粒子以速度v 0，进入正交的电场和磁场，受到的电场力与洛伦兹力方向相反，若使粒子沿直线从右边孔中出去，根据qv 0B ＝qE , 得v 0=E/B ，故 若v= v 0=E/B ，粒子做直线运动，与粒子电量、电性、质量无关 若v ＜E/B ，电场力大，粒子向电场力方向偏，电场力做正功，动能增加． 若v ＞E/B ，洛伦兹力大，粒子向磁场力方向偏，电场力做负功，动能减少． 速度选择器的特点是:(1)只选速度,不选电性.即不管是带正电还是带负电,只要初速度满足一定的关系,粒子均能直线飞出. (2)单向性:粒子只能从一个方向打入,另外一个方向飞出. 1. (单) 如图，水平放置的平行金属板a 、b 带有等量异种电荷，a 板带正电，两板间有垂直于纸面向里的匀强磁场，若一个带正电的液滴在两板间做直线运动，其运动方向是：( D ) A ．沿竖直方向向下 B ．沿竖直方向向上 C ．沿水平方向向左 D ．沿水平方向向右 2(双)在图中实线框所围的区域内同时存在匀强磁场和匀强电场．一负离子（不计重力）恰好能沿直线MN 通过这一区域．则匀强磁场和匀强电场的方向不可能为下列哪种情况（ AD ） A 、匀强磁场和匀强电场的方向都水平向右 B 、匀强磁场方向竖直向上，匀强电场方向垂直于纸面向里 C 、匀强磁场方向垂直于纸面向里，匀强电场方向竖直向下 D 、匀强磁场方向垂直于纸面向外，匀强电场方向竖直向下 3(双)、一质子以速度V 穿过互相垂直的电场和 磁场区域而没有发生偏转，则 （ BD ） A 、若电子以相同速度V 射入该区域，将会发生偏转 B 、无论何种带电粒子，只要以相同速度射入都不会发生偏转 C 、若质子的速度V'
高中物理速度选择器和回旋加速器专题训练答案及解析
高中物理速度选择器和回旋加速器专题训练答案及解析 一、速度选择器和回旋加速器 1．如图所示，有一对水平放置的平行金属板，两板之间有相互垂直的匀强电场和匀强磁场，电场强度为E =200V/m ，方向竖直向下；磁感应强度大小为B 0=0.1T ，方向垂直于纸面向里。图中右边有一半径R 为0.1m 、圆心为O 的圆形区域内也存在匀强磁场，磁感应强度大小为B = 3 3 T ，方向垂直于纸面向里。一正离子沿平行于金属板面，从A 点垂直于磁场的方向射入平行金属板之间，沿直线射出平行金属板之间的区域，并沿直径CD 方向射入圆形磁场区域，最后从圆形区域边界上的F 点射出已知速度的偏向角θ=π 3 ，不计离子重力。求： （1）离子速度v 的大小； （2）离子的比荷 q m ； （3）离子在圆形磁场区域中运动时间t 。（结果可含有根号和分式） 【答案】（1）2000m/s ；（2）2×104C/kg ；（3）4310s 6 π -? 【解析】 【详解】 （1）离子在平行金属板之间做匀速直线运动，洛仑兹力与电场力相等，即： B 0qv =qE 解得： 2000m/s E v B = = （2）在圆形磁场区域，离子做匀速圆周运动，轨迹如图所示
由洛仑兹力公式和牛顿第二定律有： 2 v Bqv m r = 由几何关系有： 2 R tan r θ = 离子的比荷为： 4 210C/kg q m =? （3）弧CF 对应圆心角为θ，离子在圆形磁场区域中运动时间t ， 2t T θπ= 2m T qB π= 解得： 43106 t s π -= 2．如图，正方形ABCD 区域内存在着竖直向下的匀强电场和垂直纸面向里的匀强磁场，已知该区域的边长为L 。一个带电粒子（不计重力）从AD 中点以速度v 水平飞入，恰能匀速通过该场区；若仅撤去该区域内的磁场，使该粒子以同样的速度v 从AD 中点飞入场区，最后恰能从C 点飞出；若仅撤去该区域内的电场，该带电粒子仍从AD 中点以相同的速度v 进入场区，求： (1)该粒子最后飞出场区的位置； (2)仅存电场与仅存磁场的两种情况下，带电粒子飞出场区时速度偏向角之比是多少？
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各地方试卷集合汇编及解析(1)
高考物理速度选择器和回旋加速器各地方试卷集合汇编及解析(1) 一、速度选择器和回旋加速器 1．如图所示，水平放置的两平行金属板间存在着相互垂直的匀强电场和匀强磁场。已知两板间的电势差为U ，距离为d ；匀强磁场的磁感应强度为B ，方向垂直纸面向里。一质量为m 、电荷量为q 的带电粒子从A 点沿水平方向射入到两板之间，恰好沿直线从M 点射出；如果撤去磁场，粒子从N 点射出。M 、N 两点间的距离为h 。不计粒子的重力。求： （1）匀强电场场强的大小E ； （2）粒子从A 点射入时的速度大小v 0； （3）粒子从N 点射出时的动能E k 。 【答案】（1）电场强度U E d =；（2）0U v Bd =；（3）2 222k qUh mU E d B d =+ 【解析】 【详解】 （1）电场强度U E d = （2）粒子做匀速直线运动，电场力与洛伦兹力大小相等，方向相反，有：0qE qv B = 解得0E U v B Bd = = （3）粒子从N 点射出，由动能定理得：2012 k qE h E mv ?=- 解得2 222k qUh mU E d B d =+ 2．如图所示的直角坐标系xOy ，在其第二象限内有垂直纸面向里的匀强磁场和沿y 轴负方向的匀强电场。虚线OA 位于第一象限，与y 轴正半轴的夹角θ=60°，在此角范围内有垂直纸面向外的匀强磁场；OA 与y 轴负半轴所夹空间里存在与OA 平行的匀强电场，电场强度大小E =10N/C 。一比荷q =1×106C/kg 的带电粒子从第二象限内M 点以速度v =2.0×103m/s 沿x 轴正方向射出，M 点到x 轴距离d =1.0m ，粒子在第二象限内做直线运动；粒子进入第一象限后从直线OA 上的P 点（P 点图中未画出）离开磁场，且OP =d 。不计粒子重力。 (1)求第二象限中电场强度和磁感应强度的比值0 E B ； (2)求第一象限内磁场的磁感应强度大小B ；
高考物理最新模拟题精选训练(磁场)专题05 质谱仪与回旋加速器(含解析)
专题05 质谱仪与回旋加速器 1．（2017武汉武昌模拟）回旋加速器的核心部分是真空室中的两个相距很近的D形金属盒，把它们放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒面向下。连接好高频交流电源后，两盒间的窄缝中能形成匀强电场，带电粒子在磁场中做圆周运动，每次通过两盒间的窄缝时都能被加速，直到达到最大圆周半径时通过特殊装置引出。如果用同一回旋加速器分别加速氚核(13H)和α粒子(24He)，比较它们所需要的高频交流电源的周期和引出时的最大动能，下列说法正确的是 A．加速氚核的交流电源的周期较大；氚核获得的动能较大 B．加速氚核的交流电源的周期较小；氚核获得的动能较大 C．加速氚核的交流电源的周期较大；氚核获得的动能较小 D．加速氚核的交流电源的周期较小；氚核获得的动能较小 【参考答案】C． 【命题意图】本题考查回旋加速器、带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动、周期、动能及其相关的知识点。 【解题思路】由于氚核的比荷q/m小于α粒子的比荷，由带电粒子在匀强磁场中运动的周期公式T=2m qB 可 知加速氚核的交流电源的周期较大。粒子通过回旋加速器获得的最大速度v=qBR m ，动能 E k=1 2 mv2= 222 2 q B R m ，将氚核和α粒子的电荷量q和质量m代入比较可知，α粒子获得的动能较大，选项C 正确。
2．(2017云贵川百校大联考)图甲是回旋加速器的示意图，其核心部分是两个D形金属盒，在加速带电粒子时，两金属盒均置于匀强磁场中，并分别与高频交流电源两极相连．带电粒子在磁场中运动的动能E k随时间t的变化规律如图乙所示，若忽略带电粒子在电场中的加速时间，则下列说法正确的是（） A．（t2﹣t1）=（t3﹣t2）=…（t n﹣t n﹣1） B．高频交流电源的变化周期随粒子速度的增大而减小 C．要使得粒子获得的最大动能增大，可以减小粒子的比荷 D．要使得粒子获得的最大动能增大，可以增大匀强磁场的磁感应强度 【参考答案】AD． 3.（2016济南模拟）质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图所示。粒子源S发出两种带正电的同位素粒子甲和乙，两种粒子从S出来时速度很小，可忽略不计，粒子经过加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场(图中线框所示)，最终打到照相底片上。测得甲、乙两种粒子打在照相底片上的点到入口的距离之比为5︰4，则它们在磁场中运动的时间之比是 A．5︰4 B．4︰5 C．25︰16 D．16︰25 【参考答案】. C 【命题意图】本题考查了质谱仪、洛伦兹力和带电粒子在匀强磁场中的运动、动能定理及其相关的知识点。
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
最新高二物理综合强化训练试题
N S G 胡文2021年高二物理综合强化训练试题（八） 审稿人：胡文2021年 1、如图所示，线圈两端接在电流表上组成闭合电路，在下列情况中，电流表指针会发生偏转的是 （ ABD ） A 、线圈不动，磁铁插入线圈 B 、线圈不动，磁铁拔出线圈 C 、磁铁插在线圈内不动 D 、线圈不动，磁铁以其中心为轴，沿纸面做顺时针方向转动 2．如图所示的光控电路用发光二极管LED 模仿路灯，RG 为光敏电阻．“功能的非门，当加在它的输入端 A 的电压逐渐上升到某个值时，输出端Y 会突然从高电平跳到低电平，而当输入端A 的电压下降到另一个值时，Y 会从低电平跳到高电平．在天暗时路灯（发光二极管）会点亮，下列说法中正确的是（ BD ） A ．天暗时Y 处于高电平 B ．天暗时Y 处于低电平 C ．当R1调大时A 端的电压降低， 灯（发光二极管）点亮 D ．当R1调大时A 端的电压降低， 3、如图所示，质量为m 电量为q 的带正电物体，在磁感强度为B 、方向直纸面向里的匀强磁场中，沿动摩檫因数为μ的水平面向左运动，则CD A.物体的速度由v 减小到零所用的时间等于mv/μ(mg+qvB) B.物体的速度由。减小到零所用的时间小于mv/μ(mg+qvB) 物体做匀速 C.若另加一个电场强度为μ(mg+qvB)/q 、方向水平向左的匀强电场， 运动 。 D.若另加一个电场强度为 (mg+qvB)/q 、方向竖直向上的匀强电场，物体做匀速运动· 4、如图所示，回旋加速器D 形盒的半径为R ，用来加速质量为m ，电量为q 的质子，质子每次经过电场区时，都恰好在电压为U 时并被加速，且电场可视为匀强电场，使质子由静止加速到能量为E 后，由A 孔射出 。下列说法正确的是（ BD ） A.D 形盒半径R 、磁感应强度B 不变，若加速电压U 越高,质子的能量E 将越大 B.磁感应强度B 不变，若加速电压U 不变, D 形盒半径R 越大、质子的能量E 将越大 C.D 形盒半径R 、磁感应强度B 不变，若加速电压U 越高,质子的在加速器中的 运动时间将越长 D.D 形盒半径R 、磁感应强度B 不变，若加速电压U 越高,质子的在加速器中的运动时间将越短 5.在真空中，半径r ＝3×10－2 m 的圆形区域内有匀强磁场，方向如图所示，磁感应强度B = 0.2T 。一个带正电的粒子，以初速度v 0＝106 m/s 从磁场边界上直径ab 的一端a 射入磁场，已知该粒子的比荷q/m ＝108 C/kg ，不计粒子重力。 （1）粒子在磁场中作匀速圆周运动的半径是多少？R =0.05m （2）若要使粒子飞离磁场时有最大偏转角，求入射时v 0方向与ab 的夹角θ。θ=37 v 0 θ a O 图5 t 4 e t t 1 t 2 t 3
1.4质谱仪和回旋加速器
1.1 磁场对通电导线的作用力 【学习目标】 1．知道质谱仪的构造，会应用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的规律分析相关问题。 2．知道回旋加速器的构造和加速原理，理解粒子的回旋周期与加速电场的变化周期的关系。 【学习重点】 知道质谱仪的构造，会应用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的规律分析相关问题。 【学习难点】 知道回旋加速器的构造和加速原理，理解粒子的回旋周期与加速电场的变化周期的关系。 【学习过程】 一、自主预习 （一）、质谱仪 1．质谱仪的结构原理 （1）.质谱仪的组成 由粒子源容器、电场、磁场和底片组成。 （2）.质谱仪的用途 质谱仪最初是由汤姆孙的学生阿斯顿设计的。他用质谱仪发现了氖20和氖22,证实了的存在。质谱仪是测量带电粒子的和分析的重要工具。 （二）、回旋加速器 1.为什么要设计多级加速器?有什么缺点? 2.参照课本回旋加速器的原理图,简述回旋加速器的组成。 自我检测 1.正误判断。 (1)利用质谱仪可以测定带电粒子的质量和分析同位素。() (2)当交变电压的周期等于带电粒子在磁场中运动的周期时,回旋加速器中的粒子才能被加速。(3)回旋加速器能把粒子加速到光速。() 2.(多选)质谱仪的构造原理如图所示,从粒子源S出来时的粒子速度很小,可以看作初速度为零,粒子经过电场加速后进入有界的垂直纸面向里的匀强磁场区域,并沿着半圆周运动而达到照相底片上的P点,测得P点到入口的距离为x,则以下说法正确的是() A.粒子一定带正电
B.粒子一定带负电 C.x越大,则粒子的质量与电荷量之比一定越大 D.x越大,则粒子的质量与电荷量之比一定越小 3.关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述,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.只有电场对带电粒子起偏转作用 D.磁场的作用是使带电粒子在D形盒中做匀速圆周运动 二、探究学习 问题情境一 如图为质谱仪原理示意图。设粒子质量为m、电荷量为q,加速电场电压为U,偏转磁场的磁感应强度为B。则粒子进入磁场时的速度是多大?打在底片上的位置到S3的距离多大? 知识归纳 1.带电粒子运动分析 2.质谱仪区分同位素 实例引导 例1如图所示为质谱仪的原理图。利用这种质谱仪可以对氢元素进行测量。氢元素的各种同位素,从容器A 下方的小孔S1进入加速电压为U的加速电场,可以认为从容器出来的粒子初速度为零。粒子被加速后从小孔S2进入磁感应强度为B的匀强磁场,最后打在照相底片D上,形成a、b、c三条质谱线。关于氢的三种同位素进入磁场时速率的排列顺序和三条谱线的排列顺序,下列说法中正确的是() A.进磁场时速率从大到小的排列顺序是氕、氘、氚 B.进磁场时速率从大到小的排列顺序是氚、氘、氕 C.a、b、c三条谱线的排列顺序是氕、氘、氚 D.a、b、c三条谱线的排列顺序是氘、氚、氕 变式训练1 (多选)如图是质谱仪的工作原理示意图,带电粒子被加速电场加速后,进入速度选择器。速度选择器内相互正交的匀强磁场的磁感应强度和匀强电场的电场强度分别为B和E。平板S上有可让粒子通过
高考物理速度选择器和回旋加速器专题训练答案及解析
高考物理速度选择器和回旋加速器专题训练答案及解析 一、速度选择器和回旋加速器 1．如图所示，水平放置的两平行金属板间存在着相互垂直的匀强电场和匀强磁场。已知两板间的电势差为U ，距离为d ；匀强磁场的磁感应强度为B ，方向垂直纸面向里。一质量为m 、电荷量为q 的带电粒子从A 点沿水平方向射入到两板之间，恰好沿直线从M 点射出；如果撤去磁场，粒子从N 点射出。M 、N 两点间的距离为h 。不计粒子的重力。求： （1）匀强电场场强的大小E ； （2）粒子从A 点射入时的速度大小v 0； （3）粒子从N 点射出时的动能E k 。 【答案】（1）电场强度U E d =；（2）0U v Bd =；（3）2 222k qUh mU E d B d =+ 【解析】 【详解】 （1）电场强度U E d = （2）粒子做匀速直线运动，电场力与洛伦兹力大小相等，方向相反，有：0qE qv B = 解得0E U v B Bd = = （3）粒子从N 点射出，由动能定理得：2012 k qE h E mv ?=- 解得2 222k qUh mU E d B d =+ 2．某粒子源向周围空间辐射带电粒子，工作人员欲通过质谱仪测量粒子的比荷，如图所示，其中S 为粒子源，A 为速度选择器，当磁感应强度为B 1，两板间电压为U ，板间距离为d 时，仅有沿轴线方向射出的粒子通过挡板P 上的狭缝进入偏转磁场，磁场的方向垂直于纸面向外，磁感应强度大小为B 2，磁场右边界MN 平行于挡板，挡板与竖直方向夹角为α，最终打在胶片上离狭缝距离为L 的D 点，不计粒子重力。求： （1）射出粒子的速率； （2）射出粒子的比荷； （3）MN 与挡板之间的最小距离。
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
质谱仪专项训练卷
试卷第1页，总30页 绝密★启用前 2013-2014学年度北京师范大学万宁附属中学 质谱仪专项训练卷 考试范围：电磁场；命题人：王占国；审题人：孙炜煜 学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________ 注意事项： 1．答题前填写好自己的姓名、班级、考号等信息 2．请将答案正确填写在答题卡上 第I 卷（选择题） 请点击修改第I 卷的文字说明 一、选择题（题型注释） 1．图中所示为某种质谱仪的工作原理示意图。此质谱仪由以下几部分构成：粒子源N ；P 、Q 间的加速电场；静电分析器，即中心线半径为R 的四分之一圆形通道，通道内有均匀辐射电场，方向沿径向指向圆心O ，且与圆心O 等距的各点电场强度大小相等；磁感应强度为B 的有界匀强磁场，方向垂直纸面向外；胶片M 。由粒子源发出的不同带电粒子，经加速电场加速后进入静电分析器，某些粒子能沿中心线通过静电分析器并经小孔S 垂直磁场边界进入磁场，最终打到胶片上的某点。粒子从粒子源发出时的初速度不同，不计粒子所受重力。下列说法中正确的是 A ．从小孔S 进入磁场的粒子速度大小一定相等 B ．从小孔S 进入磁场的粒子动能一定相等 C ．打到胶片上同一点的粒子速度大小一定相等 D ．打到胶片上位置距离O 点越远的粒子，比荷越大 【答案】C 【解析】 试题分析：粒子经加速电场加速后根据动能定理22011 22 qu mv mv = -，在四分之一圆形通道内，有径向的均匀辐射电场，粒子最终经小孔S 垂直磁场边界进入磁场，说明在 圆形通道内做圆周运动，电场力提供向心力，从小孔S 进入磁场的粒子，在圆形通道内 经过的位置电场强度相同，圆周运动半径相同。根据2 v qE m R =，虽然半径相同，但是
2021届新高考物理二轮复习专题强化双击训练 专题十一 带电粒子在磁场中的运动 B卷
2021届新高考物理二轮复习专题强化双击训练专题十一带电粒子 在磁场中的运动 B卷 1.2020年爆发了新冠肺炎疫情，新冠肺炎病毒传播能力非常强，因此研究新冠肺炎病毒株的实验室必须是全程都在高度无接触物理防护性条件下操作.武汉病毒研究所是我国防护等级最高的P4实验室，在该实验室中有一种污水流量计，其原理可以简化为如图所示模型：废液内含有大量正、负离子，从直径为d的圆柱形容器右侧流入，左侧流出.流量值Q等于单位时间通过横截面的液体的体积.空间有垂直纸面向里的磁感应强度为B的匀强磁场，下列说法正确的是( ) A.带电离子所受洛伦兹力方向水平向左 B.正、负离子所受洛伦兹力方向是相同的 C.污水流量计也可以用于测量不带电的液体的流速 D.只需要测量M N 、两点间的电压就能够推算废液的流量 2.现代科技往往和电磁场联系，现代化的装备很多是在电磁场原理下制作的，如回旋加速器、质谱仪、速度选择器等.现有一种装置，原理如下：半径为R的圆内分布着磁感应强度为B的匀强磁场，CD是圆的直 径，质量为m、电荷量为q的带正电的粒子，由静止开始经加速电场加速后，沿着与直径CD平行且相距 2 R 的直线从A点进入磁场，如图所示.若带电粒子在磁场中的运动时间是π 2 m qB ，那么加速电场的加速电压是 ( )
A.222qB R m B.22qB R m C.22 2R m D.22 R m 3.如图所示，三根长度相同的绝缘轻质细线下悬挂有相互平行的三根无限长通电直导线a b c 、、，且均处于平衡状态，三根导线在同一水平面内，导线a b c 、、中电流大小分别为12I I 、和3I ，已知a b 、间的距离大于b c 、间的距离，导线c 中电流方向垂直纸面向里.已知无限长通电直导线在其周围产生磁场的磁感应强度大小B 与电流大小I 成正比，与到导线的距离成反比，下列说法正确的是( ) A.213I I I << B.312I I I >> C.312I I I << D.213I I I >> 4.如图甲所示，一条形磁铁P 固定在水平桌面上，以P 的右端点为原点，中轴线为x 轴建立一维坐标系.将一灵敏的小磁针Q 放置在x 轴上的不同位置，设Q 与x 轴之间的夹角为θ.实验测得sin θ与x 之间的关系如图乙所示.已知该处地磁场方向水平，磁感应强度大小为0B .下列说法正确的是( ) A.P 的右端为S 极 B.P 的中轴线与地磁场方向平行 C.P 在0x 处产生的磁感应强度大小为0B D.0x 处合磁场的磁感应强度大小为02B 5.如图所示，边长为L 的正三角形abc 区域内有匀强磁场，方向垂直于纸面向里.质量为m ，电荷量为q 的三个粒子A B C 、、，以大小不等的速度沿与ab 边成30°角方向垂直射入磁场后从ac 边穿出，穿出位置距a
高考物理磁场精讲精练回旋加速器和质谱仪等仪器
回旋加速器和质谱仪等仪器 1．回旋加速器 (1)构造：如图所示，D 1、D 2是半圆形金属盒，D 形盒的缝隙处接交流电源．D 形盒处于匀强磁场中． (2)原理：交变电流的周期和粒子 做圆周运动的周期相等，粒子在圆周运动的过程中一次一次地经过D 形盒缝隙，两盒间的电势差一次一次地反向，粒子就会被一次一次地加速．由qvB ＝mv 2 R ，得E km ＝q 2B 2R 2 2m ，可见粒子获得的最大动能由磁感 应强度B 和D 形盒半径R 决定，与加速电压无关． 2．质谱仪 (1)构造：如图所示，由粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片等组成． (2)原理：粒子由静止在加速电场中被加速，根据动能定理qU ＝12 mv 2 可知进入磁场的速度v ＝ 2qU m .粒子在磁场中受洛伦兹力偏转，做匀速圆周运动，根据牛顿第二定律，qvB ＝mv 2 r .由以上几式可得出需要 研究的物理量如粒子轨道半径、粒子质量、比荷等． 判断正误 (1)经回旋加速器加速的带电粒子的最大初动能由D 形盒的最大半径决定，与加速电压无关．(√) (2)质谱仪只能区分电荷量不同的粒子．(×) 3．速度选择器 (1)平行板间电场强度E 和磁感应强度B 互相垂直．这种装置能把具有一定速度 的粒子选择出来，所以叫做速度选择器． (2)带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是
qE ＝qvB ，即v ＝E B . 4．磁流体发电机 (1)磁流体发电是一项新兴技术，它可以把内能直接转化为电能． (2)根据左手定则，如图中的B 板是发电机正极． (3)磁流体发电机两极板间的距离为d,等离子体速度为v ，磁场磁感应强度为 B ，则两极板间能达到的最大电势差U ＝ BdV 5．电磁流量计 (1)如图所示，一圆形导管直径为d ，用非磁性材料制成，其中有可以导电的液体流过导管． (2)原理：导电液体中的自由电荷(正、负离子)在洛伦兹力作用下横向偏转，a 、b 间出现电势差，形成电场．当自由电荷所受电场力和洛伦兹力平衡时，a 、b 间的电势差就保持稳定．由Bqv ＝Eq ＝U d q ，可得v ＝U Bd ，液体流量Q ＝Sv ＝πd 2 4·U Bd ＝πdU 4B . 6．霍尔效应 在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差．这个现象称为霍尔效应，所产生的电势差称为霍尔电势差或霍尔电压，其原理如图所示． 特别提示：分析带电粒子在复合场中的运动时，如果没有明确指出，则对于 微观粒子如电子、质子、α粒子、离子等其重力可忽略不计；对于实际物体，如带电小球、液滴、金属块等一般应考虑重力． 例题1．(多选)图为某磁谱仪部分构件的示意图．图中，永磁铁提供匀强磁场，硅微条径迹探测器可以探测粒子在其中运动的轨迹．宇宙射线中有大量的电子、正电子和质子．当这些粒子从上部垂直进入磁场时，下列说法正确的是( ) A ．电子与正电子的偏转方向一定不同 B ．电子与正电子在磁场中运动轨迹的半径一定相同 C ．仅依据粒子运动轨迹无法判断该粒子是质子还是正电子 D ．粒子的动能越大，它在磁场中运动轨迹的半径越小
2021届新高考物理二轮复习专题强化双击训练 专题十二 电场和磁场综合应用 A卷
2021届新高考物理二轮复习专题强化双击训练 专题十二 电场和磁 场综合应用 A 卷 1.磁流体发电是一项新兴技术，如图是磁流体发电机的示意图.平行金属板P Q 、间距为d 、面积为S ，两金属板和电阻R 连接.一束等离子体以恒定速度0v 垂直于磁场方向喷入磁感应强度为B 的匀强磁场中，电路稳定时电阻R 两端会产生恒定电势差U .假定等离子体在两板间均匀分布，忽略边缘效应，则等离子体的电导率δ（电阻率的倒数）的计算式是( ) A.0()Ud Bdv U RS - B.0()Ud Bdv U RS + C.0()US Bdv U Rd - D.0()US Bdv U Rd + 2.霍尔效应已经被广泛应用于科研、生产和生活中.通电导体中的自由电荷定向移动时受到洛伦兹力而发生偏转产生霍尔电势差.如图所示，一矩形薄片放置在竖直向下（垂直e f 、两面）的匀强磁场B 中，沿垂直c d 、两面的方向通以恒定电流I ，则( ) A.在c d 、两面间存在霍尔电势差 B.一定是a 面电势高于b 面电势 C.通过a b 、两面电势高低可以判断薄片中载流子的电性 D.电解液（同时存在等电荷量的正、负离子）导电也能产生霍尔效应
3.某空间存在匀强磁场和匀强电场。一个带电粒子(不计重力)以一定初速度射入该空间后,做匀速直线运动;若仅撤除电场,则该粒子做匀速圆周运动,下列因素与完成上述两类运动无关的是( ) A.磁场和电场的方向 B.磁场和电场的强弱 C.粒子的电性和电荷量 D.粒子入射时的速度 4.关于洛伦兹力的应用，下列说法正确的是（ ） A.图a 速度选择器中筛选出的粒子沿着PQ 做匀加速直线运动 B.图b 回旋加速器接入的工作电源是直流电 C.图c 是质谱仪的主要原理图.其中1 23111H H H 、、在磁场中偏转半径最大的是31H D.图d 是磁流体发电机，将一束等离子体喷入磁场，A,B 两板间会产生电压，且A 板电势高 5.现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的粒子,其示意图如图所示,其中加速电场的电压恒定.质子1 1(H)在 入口处从静止开始被加速电场加速,经匀强磁场偏转后从出口离开磁场.若换成α粒子4 2(He)在入口处从静 止开始被同一加速电场加速,为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场,则磁感应强度与原来相比,增加的倍数是( ) C.2 D.12 6.如图所示，在互相垂直的匀强电场和匀强磁场中，电荷量为q 的液滴在竖直面内做半径为R 的匀速圆周
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
(完整版)回旋加速器和质谱仪
回旋加速器、质谱仪 1.(2016湖北部分重点中学联考)物理课堂教学中的洛伦兹力演示仪由励磁线圈、玻璃泡、电子枪等部分组成。励磁线圈是一对彼此平行的共轴的圆形线圈，它能够在两线圈之间产生匀强磁场。玻璃泡内充有稀薄的气体，电子枪在加速电压下发射电子，电子束通过泡内气体时能够显示出电子运动的径迹。若电子枪垂直磁场方向发射电子，给励磁线圈通电后，能看到电子束的径迹呈圆形。若只增大电子枪的加速电压或励磁线圈中的电流，下列说法正确的是( ) A．增大电子枪的加速电压，电子束的轨道半径变大 B．增大电子枪的加速电压，电子束的轨道半径不变 C．增大励磁线圈中的电流，电子束的轨道半径变小 D．增大励磁线圈中的电流，电子束的轨道半径不变 2.回旋加速器在科学研究中得到了广泛应用，其原理如图7所示。D1和D2是两个中空的半圆形金属盒，置于与盒面垂直的匀强磁场中，它们接在电压为U、周期为T的交流电源上。位于D1圆心处的质子源A能不断产生质子(初速度可以忽略)，它们在两盒之间被电场加速。当质子被加速到最大动能E k后，再将它们引出。忽略质子在电场中的运动时间，则下列说法中正确的是( ) A.若只增大交变电压U，则质子的最大动能E k会变大 B.若只增大交变电压U，则质子在回旋加速器中运行的时间会变短 C.若只将交变电压的周期变为2T，仍可用此装置加速质子 D.质子第n次被加速前、后的轨道半径之比为n－1∶n 3．劳伦斯和利文斯设计出回旋加速器，工作原理示意图如图所示。置于真空中的D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可忽略。磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，高频交流电频率为f，加速电压为U。若A处粒子源产生的质子的质量为m、电荷量为＋q，在加速器中被加速，且加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响。则下列说法正确的是( ) A.质子被加速后的最大速度不可能超过2πRf B.质子离开回旋加速器时的最大动能与加速电压U成正比
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)。
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：；