(完整版)回旋加速器和质谱仪
质谱仪与回旋加速器
（3）在c中，e受洛伦兹力作用而做圆周运动，回转半径
R = mv ，代入v值得
eB2
R = 1 2U1m B2 e
4.回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得很大动能的仪器，其核心部分是 两个D形金属盒，两盒分别和一高频交流电源两极相连，以便在盒间的窄缝 中形成匀强电场，使粒子每次穿过窄缝都得到加速，两盒放在匀强磁场中， 磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近，若粒子源射出的粒子电
实际并非如此。这是因为当粒子的速率大到接近光速时，按照相对论原理， 粒子的质量将随速率增大而明显地增加，从而使粒子的回旋周期也随之变化 ，这就破坏了加速器的同步条件。
【例2】1932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( D )
荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为Rm，其运动轨迹如图所示，问：
(1)盒中有无电场？ (2)粒子在盒内做何种运动？ (3)所加交流电频率应是多大，粒子角速度为多大？ (4)粒子离开加速器时速度是多大，最大动能为多少？
(5)设两D形盒间电场的电势差为U，求加速到上述能量所需的时间。(不计
粒子在电场中运动的时间)
第一章 安培力与洛伦兹力 4.质谱仪与回旋加速器
在科学研究和工业生产中，常需要将一束
带等量电荷的粒子分开，以便知道其中所含 物质的成分。利用所学的知识，你能设计一 个方案，以便分开电荷量相同、质量不同的 带电粒子吗？
美国费米实验室的回旋加速器直径长达2km， 回旋加速器的直径为什么要这么大呢？
了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。
解析：加速：qU 1 mv2 2
偏转：R mv 1 d qB 2
R 1 d 1 2mU 2 Bq
质谱仪、回旋加速器
2r mv 根据 T 结合 r v qB 2m 可知 T qB
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
回旋加速器
问题2：在回旋加速器中，如果两个D型盒不 是分别接在高频交流电源的两极上，而是接 在直流的两极上，那么带电粒子能否被加速？ 请在图中画出粒子的运动轨迹。
回旋加速器
问题3：要使粒子每次经过电场都被加速，应在电 极上加一个 交变 电压。 根据下图，说一说为使带电粒子不断得到加 速，提供的电压应符合怎样的要求？
思考6：为什么带电粒子经回旋加速器加 速后的最终能量与加速电压无关？
解析：加速电压越高，带电粒子每次加速的动能增 量越大，回旋半径也增加越多，导致带电粒子在D形 盒中的回旋次数越少；反之，加速电压越低，粒子在 D形盒中回旋的次数越多，可见加速电压的高低只影 响带电粒子加速的总次数，并不影响引出时的速度和 相应的动能，由 2 2 2
世界上最大、能量最高的粒子加速器 ——欧洲大型强子对撞机
世界最大对撞机启动模拟宇宙大爆炸 中国参与研究
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“末日实验”的备受 争议的计划。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， 并将互相撞击，模拟宇宙 初开“大爆炸”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。 但有人担心，今次实验或 会制造小型黑洞吞噬地球， 令末日论流言四起。
n mn BR T磁 = TB 2 Bq 2U
2
2
2
2
回旋加速器
1. 粒子在匀强磁场中的运动周期不变
2m T＝ qB
2.交变电场的周期和粒子的运动周期 T相同----保证粒子每次经过交变 电场时都被加速
质谱仪与回旋加速器-高二物理课件(人教版2019选择性必修第二册)
三.回旋加速器
思考与讨论：能否让粒子加速后拐个弯，从而在 一个有限的空间里多次加速呢？如何拐弯？
1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器， 实现了在较小的空间范围内对带电粒子进行多级 加速。
r
1 B
2mU q
一.质谱仪
一.质谱仪
典型例题
例1.如图为质谱仪原理示意图，电荷量为q、质量为m的带正电的 粒子从静止开始经过电压为U的加速电场后进入粒子速度选择
器．选择器中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场，匀强电场的
场强为E、方向水平向右．已知带电粒子能够沿直线穿过速度选择 器，从G点垂直MN进入偏转磁场，该偏转磁场是一个以直线MN
三.回旋加速器
4.从发射到离开一共加速几次？ 每次加速获得能量qU，故加速次数：
n Ek qB2R2 qU 2mU
5.粒子在磁场中一共运动多少时间？ 每次加速后转半圈，故磁场中时间：
t磁
nT 2
BR 2
2U
6.如果要求电场中的时间呢？
法一：t电
v a
BdR U
法二：nd
1 2
at电2
t电
BdR U
； (2)E
m 2qU
方向垂直纸面向外；(3)L2
2mU q
要认识原子核内部的情况，必须把核“打开”进 行“观察”。然而，原子核被强大的核力约束， 只有用极高能量的粒子作为“炮弹”去轰击，才 能把它“打开”。产生这些高能“炮弹”的“工 厂”就是各种各样的粒子加速器。
问题：如何才能把粒子加速？
人教版物理高中选择性必修2第一章1_4 质谱仪与回旋加速器PPT教学课件
2|回旋加速器
情境 北京正负电子对撞机是世界八大高能加速器中心之一,是我国第一台高能 加速器,也是高能物理研究的重大科技基础设施。它由长202米的直线加速器、输 运线、周长240米的圆形加速器(也称储存环)、高6米重500吨的北京谱仪和围绕 储存环的同步辐射实验装置等几部分组成,外形像一只硕大的羽毛球拍。如图所 示,正、负离子由静止经过电压为U的直线加速器加速后,沿圆环切线方向注入对 撞机的真空环状空腔内,空腔内存在着与圆环平面垂直的匀强磁场,磁感应强度大 小为B。两种带电粒子将被局限在环状空腔内,沿相反方向做半径相等的匀速圆周 运动,从而在碰撞区迎面相撞。
B1
第1讲 描述运第动一的章基本概安念培力与洛伦兹力
2|回旋加速器 1.构造图:如图所示。
2.核心部件:两个金属⑤ D形盒 。
3.原理:高频交流电源的周期与带电粒子在D形盒中的运动周期⑥ 相同 ,粒子每
经过一次加速,其轨道半径就大一些,粒子做圆周运动的周期⑦ 不变 。
4.最大动能:由qvB=
mv2 R
第1讲 描述运第动一的章基本概安念培力与洛伦兹力
1|质谱仪
情境 质谱仪又称质谱计,是分离和检测不同同位素的仪器。根据带电粒子在磁 场中能够偏转的原理,质谱仪按物质原子、分子或分子碎片的质量差异将它们进 行分离或检测物质组成。质谱仪按应用范围分为同位素质谱仪、无机质谱仪和有 机质谱仪;按分辨本领分为高分辨、中分辨和低分辨质谱仪;按工作原理分为静态 仪器和动态仪器。
为U的电场加速后,由qU=
1 2
mv2可求得其从S2射出时的速度为v=
2qU 。
m
该粒子进入磁场后,在洛伦兹力作用下做圆周运动。由qvB= mv2 可求得其轨迹半
第1.4节 质谱仪与回旋加速器(教学课件)
一、质谱仪
1、质谱仪：
利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量、轨道半径确定其质量的仪器。
2、结构 ：
①电离室：使中性气体电离，产生带电粒子
②加速电场：使带电粒子获得速度
③偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离
④照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径
3、作用：
①可测粒子的质量及比荷
②与已知粒子半径对比可发现未知的元素和同位素
磁场时间与D型盒半径、
磁感应强度、电压U有关
电场时间与缝间距、D型盒半
径、磁感应强度、电压U有关
三、课堂小结
一. 质谱仪
r
1 2mU
B
q
qB 2 r 2
m
2U 0
二. 回旋加速器
T电 q2 B 2r 2
Ek mv
2
2m
二、回旋加速器
2、相关计算
①磁场的作用是什么？写出粒子进入磁场后半径表达
式？周期？粒子在磁场中运动特点？
半 r mv
径
qB
周 T 2 m
期
qB
1
周期与粒子
的速度无关
②再次进入电场，怎么保证能做加速运动？
2 m
T电 T磁
qB
粒子源
狭缝
4
2
3
5
接高频
电源
0
想一想：在我们讨论带电粒子的回旋
进行多次加速。
二、回旋加速器
认识：回旋加速器由两个中空的半圆金属盒构成，两盒之间留有狭缝，
狭缝内有加速电场。粒子源产生的带电粒子，在两盒之间被电场加速。两
个半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，所以粒子在磁场中做匀速圆周运
动。经过半个圆周之后，当粒子再次到达两盒间的缝隙时，这时控制两盒
高中物理人教选择性必修第二册质谱仪与回旋加速器 完整版课件
1929年，劳伦斯发明了后来被称为回旋加速器的 “原子击破器”，1932年建成世界第一台回旋加速器 。这是一种有奇特效能的能够加速带电粒子的装置 。以后逐渐加大尺寸，在许多地方建成了一系列回 旋加速器，致使他在加利福尼亚州伯克利的辐射实 验室成为世界物理学家参观学习的基地。
在二战美国研制原子弹期间，劳伦斯从事过用电磁 法分离铀－235，以及用加速器生产钚－239的实验研 究，为探寻获取美国首批原子弹的装料途径做出了独 特的贡献。到1948年，由劳伦斯建议制造的大型回旋 加速器已能提供α粒子束、氘粒子束和质子束。同年初 ，物理学家加德西和拉蒂斯用回旋加速器的380MeV α 粒子找到了介子，不久美国即开始建造第一座π介子工 厂。从此，开创了一个高能物理的新时代。由于劳伦 斯的倡议和推动，美国加利福尼亚大学建造了一台 6GeV高能质子同步稳相加速器。物理学家们在这台巨 型加速器上进行高能物理研究，完成了一系列重大发 现。
一、质谱仪
1.质谱仪：利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量、轨道半径确定 其质量的仪器。
2.结构及作用 ：
电离室
①电离室：使中性气体电离，产生带电粒子 ②加速电场：使带电粒子获得速度 ③粒子速度选择器：以相同速度进入偏转磁场
照相底片
加速电场 速度选择器
④偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离
偏转磁场
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， 质子在加速器中的运动时间将越短
质谱仪与回旋加速器-高二理课件(2019人教版选择性必修第二册)
【答案】（1）正电；（2）
2 B
2mU q
；（3） d12
:
d22
解析：（1）由粒子在磁场中的运动轨迹根据左手定则可得出粒子带正电；
（2）粒子在电场中加速，根据动能定理
qU 1 mv2 2
粒子在磁场中做匀速圆周运动时，洛伦兹力提供向心力
联立解得
qvB m v2 R
d 2R
（3）由（2）中结论对同位数可得
图1
二、回旋加速器
1.回旋加速器的构造：两个D形盒，两D形盒接_交___流电源，D形盒
处于垂直于D形盒的匀强_磁__场_中，如图2.
2.工作原理
(1)电场的特点及作用
特点：两个D形盒之间的窄缝区域存在
_周__期__性__变__化__的电场.
作用：带电粒子经过该区域时被_加__速__.
图2
(2)磁场的特点及作用
2
r
Bq
位素电荷量 q 相同，质量不同，在质谱仪照相底片上显示的位置就不同，
故能据此区分同位素. 2.回旋加速器 (1)粒子被加速的条件 带电粒子要保障每次进入电场中能够使其运动速度方向与电场力
方向相同即可被加速，这就要求交流电压的周期等于粒子在磁场 中运动的周期.
(2)粒子最终的能量 粒子速度最大时的半径等于 D 形盒的半径，即 rm＝R，rm＝mvm，则粒
特点：D形盒处于与盒面垂直的_匀__强__磁场中.
作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做_匀__速__圆__周__运动，从而
改变运动__方__向__，__半__个__圆周后再次进入电场.
02
HEXINJIEYI
>>
核心解疑
掌握要点
1.质谱仪区分同位素：由 qU＝1mv2 和 qvB＝m v2可求得 r＝1 2mU.同
质谱仪与回旋加速器_课件
回旋加速器的原理
D 形盒的直径为D，匀强磁场的磁感应强度为B，交变电压的电压为U，则: (1)从出口射出时，粒子的动能Ek=? (2)要增大粒子的最大动能可采取哪些措施?
回旋加速器原理的反思
据上问，D 越大，EK 越大，是不是只要D 不断增大，EK就可以无限制增 大呢？ E k 不能无限制地增大，按照狭义相对论，粒子的质量随速度的增加而增大， 而质量的变化会导致其回转周期的变化，从而破坏与电场变化周期的同步。
这种现象是如何发生的？
霍尔效应
当带电粒子通过磁场区域时，由于洛伦兹力的作用，正、负离子分别向哪偏？
根据左手定则，
v 正离子向上偏；负离子向下偏
导体板上下两面，哪一面电势高，哪一面电势低？ 上表面电势高，下表面电势低。
霍尔效应
试推导离子流稳定时，上下两板间形成的电场的电势差是多少？
带电粒子在复合场中运动在科技中的应用有很多。 我们先来看一下速度选择器。
速度选择器
知道速度选择器的基本构造。 掌握速度选择器的应用。
速度选择器
速度选择器如何选择出具有一定速度的粒子？ 粒子能够通过速度选择器的条件:
qE＝qvB
速度选择器能把具有某一特定速度的粒子选择出来，是质谱仪的重要组成部分。
回旋加速器的原理
带电粒子在D形盒内做圆周运动的周期随半径的增大会不会发生变化？
与v、r无关
T 不变
回旋加速器的原理
在回旋加速器中，如果两个D型盒不是分别接在高频交流电源的两极上，而 是接在直流的两极上，那么带电粒子能否被加速？请在图中画出粒子的运 动轨迹。
要使粒子每次经过电场都被加速，应 在电极上加一个交变电压。
有没有什么办法可以让带电粒子在加速后又转回来被第二次加速，如此反复“ 转圈圈”式地被加速，加速器装置所占的空间不是会大大缩小吗？
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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
C.质子第2次和第1次经过两D 形盒间狭缝后轨道半径之比为2∶1
D.不改变磁感应强度B 和交流电频率f ，该回旋加速器的最大动能不变
4.如图甲是回旋加速器的原理示意图，其核心部分是两个D 形金属盒，在加速带电粒子时，两金属盒置于匀强磁场中(磁感应强度大小恒定)，并分别与高频电源相连，加速时某带电粒子的动能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，则下列判断正确的是( )
A.高频电源的变化周期应该等于t n －t n －1
B.在E k －t 图象中t 4－t 3＝t 3－t 2＝t 2－t 1
C.粒子加速次数越多，粒子获得的最大动能一定越
大
D.不同粒子获得的最大动能都相同
5.如图所示，一束质量、速度和电荷量不全相等的离子，经过由正交的匀强电场和匀强磁场组成的速度选择器后，进入另一个匀强磁场中并分裂为A 、B 两束，下列说法中正确的是
( )
A.组成A 束和B 束的离子都带负电
B.组成A 束和B 束的离子质量一定不同
C.A 束离子的比荷大于B 束离子的比荷
D.速度选择器中的磁场方向垂直于纸面向外
6.如图所示为“用质谱仪测定带电粒子质量”的装置示意图。
速度选择器中场强E 的方向竖直向下，磁感应强度B 1的方向垂直纸面向里，分离器中磁感应强度B 2的方向垂直纸面向外。
在S 处有甲、乙、丙、丁四个一价正离子垂直于E 和B 1入射到速度选择器中，若它们的质量关系满足丁丙乙甲m m m m =<=，速度关系满足
丁丙乙甲v v v v <=<，它们的重力均可忽略，则打在P 1、P 2、P 3、P 4四点的离子分别是
A ．甲丁乙丙
B ．乙甲丙丁 S
B 2 P 1 P 2
P 3 P 4 B 1。