回旋加速器需注意的问题
《回旋加速器》教学的反思
《回旋加速器》教学的反思高中物理新课程标准将学生探究能力的培养作为物理教学的目标之一，探究性教学法是培养学生科学探究能力和创新能力的一种重要的教学方法。
在教学活动中，教师通过创设问题情景来引导学生通过分析判断、交流讨论、总结归纳及教师的点拨提示等途径。
使学生理解、掌握知识，进而产生创见并能发现问题、分析问题和解决问题。
这里，我以“回旋加速器”一节为例，谈谈探究性教学的过程及体会。
1探究性学习的阅读准备阶段先给出如下材料，让学生阅读并思考：材料1：在现代物理学中，人们要用能量很高的带电粒子去轰击原子核，来观察它们的变化情况，怎样才能在实验室里大量产生高能量的带电粒子呢?这就要用一种常用的实验设备——加速器。
思考：请你根据已学过的知识，设计一种加速器，并画出原理图。
接着将学生所画的加速器的原理图投影展示出来，如图1所示。
®I s®l!II!卜+1/6+-i--+「+4「雄二螳三跳n®2图L图再给出一段材料，进一步启发学生思考：材料2：这种加速器的原理是利用电场进行加速的，早期的加速器就是利用高压电源的电势差来加速带电粒子的。
但它受实际所能达到的电势差的限制，粒子获得的能量只能达到几十万到几兆eV。
如何改进加速器，使粒子能获得更高的能量呢?让学生汇报改进的方法：采用多级电场的加速，如图2所示。
教师评价学生的设计思想：采用这种多级直线加速器，是很合乎道理的想法，但要实现这一设想，需要建一个很长很长的实验装置，长度要达几km到几十km，其中包含多级提供加速电压的装置。
在2O世纪初，人们很难建造。
思考：能否设计一种加速器，使粒子在较小的空间内得到电场多次的加速呢?体会：在阅读准备阶段，教师在课前要精心编写材料和思考题，创设问题情景，以激发学生解决问题的动机。
在课上让学生通过阅读，驱使他们在好奇心的诱发下去思考、去探究。
2交流、讨论阶段将学生分成若干小组，先让学生各自独立思考，并在小组内交流讨论，筛选出一种小组内一致同意的方案，然后由各组代表在课堂上展示原理图并陈述自己设计的思想。
回旋加速器专题培训课件
为了把带电粒子加速到更高的 能量，人们还设计了各种类型的新 型加速器，如：同步加速器、电子 感应加速器、串列加速器、电子对 撞机等。
回旋加速器的局限性
若D形盒的半径为R，则粒子所能获得的最大速度为 Vmax=BRq/m。为了使粒子获得较高的能量，通常要加 大加速电磁铁的重量和D形盒的直径。
不过由于相对论的效应，当粒子的速度太大时，m 不再是常量，从而回旋共振周期将随粒子的速率的增长 而增长，如果加于D形盒两极的交变电场频率不变的话， 粒子由于每次迟到一点而不能保证总被加速，所以粒子 不能无限被加速。
小结：回旋加速器
1、加速电场的周期等于回旋周期（交流电源的频率 等于粒子做匀速圆周运动的频率。
2、粒子在电场中运动时间远小于在磁场中运动的时 间，故粒子在回旋加速器中运动总时间可认为等于 在磁场中运动时间。
3、粒子做匀速圆周运动的最大半径为D形盒的半径 4、在粒子的质量、电荷量确定的情节下，粒子所能 达到的最大动能只与D形盒的半径R和磁感应强度B 有关，与加速电压U无关。
粒子获得最大速度
R mv m qB
vm
qBR m
粒子获得最大动能
Ekm
1 2
mvm2
(qBR )2 2m
与加速电压无关！
回 旋 加 速 器
探究
探究一：粒子在回旋加速器中 运动时间
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，被电场加速多少次？
3.6回旋加速器课件(上课用)课件
二.直线加速器 演示
+A 1 2
U~
+
U/v
Um 0 T
—Um
直线加速器有多个加速
电场,从而能使带电粒子获得 更大的能量.
靶
3
4
思考: 带电粒 子穿越第n个圆筒 时的动能为多大?
2T
E k = nqUm
多级加速
加速运动
匀速直线运动
＋ －＋ － ＋ －
＋－
· m
q
……
U
U
U
U
一级 二级
三级
n
级
粒子获得的能量：E=nqU
则带电粒子的最终动能：
Em
q2B2R2 2m
可知，增强B和增大R可提高加速粒子的最终能量，与加
速电压高低无关．
费米实验室环形加速器
——美国伊利诺斯州
【练习1】关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙
述，正确的是C(D
)
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
(1)可使每个质子获得的最大能量。
(2)质子在D形盒中运动时间
(3)在整个加速过程中,质子在电场中运动的 时间
(4)质子在加速器运动的总时间.
练习3：加速器的D形盒半径为R,两盒间距 为d,磁场的磁感应强度B，加速电压为 u， 用它来加速质子（质量m，电量e）时 。求:
（1） 粒子的回转周期是多大？ （2）交变电场的周期为大？
22英英里里长长的的直线直加线速加管速管
二、回旋加速器
直线加速器的缺点： 体积通常较大，占 地面积大。
能不能建造一种加速器，在较小的空间范围 内让粒子受到多次加速获得所需要的能量呢？
775电子回旋加速器安全技术操作规程
Q/JHM 775—2009 Rev.0 电子回旋加速器安全技术操作规程1 范围本标准规定了电子回旋加速器安全技术操作使用要求、维护保养等方面内容。
本标准适用于本公司电子回旋加速器安全技术操作使用和维护保养。
2规范性引用文件下列文件对于本标准的应用是必不可少的。
凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本标准。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本标准。
在引用文件中，只有被本标准具体引用的条款才具有强制性。
Q/JHM 229 设备管理规定3 工作内容与要求3.1 操作者须按规定穿戴好防护用具，持证上岗。
执行该设备使用说明书中的规定。
3.2 操作者须排除作业现场不安全因素。
操作前检查设备润滑、防护、信号，机械、电器等部分，要安全、可靠。
不得带隐患进行作业。
3.3作业人员应熟悉防火、防爆、防触电知识。
必须熟悉设备的结构和性能，熟练掌握操作技能及各种故障的排除和防止方法。
非专业人员禁止拆修设备。
3.4 电子回旋加速器的操作人员，必须经有关部门专业培训，考核合格后，方可持证止岗，无证人员禁止作业。
3.5 作业前，应检查设备上电子仪器、仪表、电源、指示灯、接线是否良好。
探伤室各个防护装置是否安全可靠，检查站结果无误后，方可进行作业。
3.5 电子回旋加速器作业时，必须两个人进行作业，一人作业，一人监护。
两个人在作业过程中要密切配合，防止误操作，监护人要对安全作业负责。
3.6 作业时设备接通电源后，用钥匙打开电源开关及空气开关，电源箱灯亮。
要检查电源箱及射线发生器的冷却风扇是否正常，探伤室安全防护装置或大门是否关牢固，一切正常后方可进行作业。
3.7 准备拍片作业时，要检查拍片室人员是否离开，确定所有人员离开拍片室后，同时关好操作室大门，方可作业。
加速器作业时，要检查操作的各个开关、指示灯正常后，方可送高压开关，开始拍片工作。
不得带有隐患进行作业。
3.8 操作人员在探伤作业前，要佩戴好辐射计量仪及防护用品，工作时要严格遵守安全操作规程，不得随意操作或误操作。
新课改高中物理选修二同步专题讲义：04 A质谱仪与回旋加速器 基础版(教师版)
质谱仪与回旋加速器知识点：质谱仪与回旋加速器一、质谱仪1．质谱仪构造：主要构件有加速电场、偏转磁场和照相底片．2．运动过程(如图)(1)带电粒子经过电压为U的加速电场加速，qU＝12m v2.(2)垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，做匀速圆周运动，r＝m vqB，可得r＝1B2mUq.3．分析：从粒子打在底片D上的位置可以测出圆周的半径r，进而可以算出粒子的比荷．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．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．(2)磁场的特点及作用特点：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．技巧点拨一、质谱仪1．加速：带电粒子进入质谱仪的加速电场，由动能定理得qU＝12m v2①2．偏转：带电粒子进入质谱仪的偏转磁场做匀速圆周运动，由洛伦兹力提供向心力得q v B＝m v2 r ②3．由①②两式可以求出粒子运动轨迹的半径r、质量m、比荷qm等．由r＝1B2mUq可知，电荷量相同时，半径将随质量的变化而变化．二、回旋加速器回旋加速器两D形盒之间有窄缝，中心附近放置粒子源(如质子、氘核或α粒子源)，D形盒间接上交流电源，在狭缝中形成一个交变电场．D形盒上有垂直盒面的匀强磁场(如图所示)．(1)电场的特点及作用特点：周期性变化，其周期等于粒子在磁场中做圆周运动的周期．作用：对带电粒子加速，粒子的动能增大，qU＝ΔE k.(2)磁场的作用改变粒子的运动方向．粒子在一个D形盒中运动半个周期，运动至狭缝进入电场被加速．磁场中q v B＝m v2r，r＝m vqB∝v，因此加速后的轨迹半径要大于加速前的轨迹半径．(3)粒子获得的最大动能若D形盒的最大半径为R，磁感应强度为B，由r＝m vqB得粒子获得的最大速度v m＝qBRm，最大动能E km ＝12m v m 2＝q 2B 2R 22m.(4)两D 形盒窄缝所加的交流电源的周期与粒子做圆周运动的周期相同，粒子经过窄缝处均被加速，一个周期内加速两次．例题精练1．（2021•秦淮区校级一模）下列关于磁场的应用，正确的是（）A ．图甲是用来加速带电粒子的回旋加速器示意图，要使粒子获得的最大动能增大，可增大加速电场的电压UB ．图乙是磁流体发电机示意图，由此可判断A 极板是发电机的正极，B 极板是发电机的负极C ．图丙是速度选择器示意图，不考虑重力的带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是D ．图丁是磁电式电流表内部结构示意图，当有电流流过时，线圈在磁极间产生的匀强磁场中偏转【分析】回旋加速器最大动能取决于D 形盒的半径；磁流体发电机就是利用带电粒子受洛伦兹力原理，速度选择器是因为达到某一速度的粒子受力平衡做匀速直线运动，根据平衡条件即可确定带电粒子匀速通过的速度；知道磁电式仪表的工作原理，知道磁极间的磁场为幅状磁场。
回旋加速器
mv D qB 2
1 2 E K mv 2
D
V=？
U
q B D EK 8m
2
2
2
例2 ：关于回旋加速器中电场和磁场的作用 的叙述，正确的是(CD ) 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
3.下列关于回旋加速器的说法中，正确的是（ AC ） A．D形盒内既有匀强磁场，又有匀强电场 B．电场和磁场交替使带电粒子加速 C．磁场的作用是使带电粒做圆周运动，获得多次被 加速的机会 D．带电粒子在D形盒中运动的轨道半径不断增大，周 期也不动能
v qBR vmax qvB m 1.速度： m R 2 2 2 qBR 2 1 2.动能：Ek max mvmax 2 2m
3.由
2
nUq Ek max
你能想到什么？
例1：已知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， 求：（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？ B
带电粒子在磁场中的运动 —回旋加速器
学习目标
• 1．知道为什么我们要获得高能 带电粒子 • 2．知道回旋加速器的基本构造 和加速原理。 • 3．知道加速器的基本用途。并 能应用其特点解决简单问题。
加速器
1.多级直线加速器 （1）构造
（2）工作原理 2.回旋加速器
3.小结
（3）所加电压与 周期的关系 （4）加速后的速度 与动能
多级直线加速器
缺点：方法可行，但所占的空 间范围大。
回旋加速器构造
组成: ①两个D形盒 ②大型电磁铁 ③高频交流电源 电场作用： 用来加速带电粒子 磁场作用： 用来使粒子回旋从而能被反复加 速
高考中的回旋加速器问题探析
化
警 ，２ ＝ （ 一 则ｑ Ｕ
整理 得 Ａ ｋ ｒ＝
．
速 度 为 ，ｑ Ｕ＝ １
｛
， ｉ 署解 ｑＢ ｖ — ，得ｒ 一
因 Ｕ、 、 Ｂ 均 为 定 值 ， ｃ＝ ｑ ｍ、 令 Ａ ｋ ｒ ｔ ｒ 一－ ＾＿ ＿
Ｄ 盒 回 的 时 为ｚ ， 一 《， 处 的 质 子 源 Ａ 能 不 断 形 中 旋 意 间 故 祭 １ 一 鲁 即
当 Ｒ》ｄ时 ， ｔ 以忽 略不计 ． 可 点 带 电粒子 在 电场 中做 匀 加速 运 动 ， 带 电粒 将 评 子在 两 盒 狭 缝 之 间 的 运 动首 尾连 起 来 是 一
一
（ ）设 ｋ（ ∈Ｎ ３ 五 ）为 同一 盒 子 中质 子 运 动 轨 道
半径 的序 数 ， 邻 的 轨 道 半 径 分 别 为 ， ＾ｔ ＜ 相 ｒ＋ （
＋
） ｒ一 ＋ － ｒ ， 相应 轨 道 上 质子 对 应 的 速度 ，Ａ 在
大小 分别 为 ， Ｄ Ｄ。 间 的 电压 为 【， 动能 ＋ ， 、 之 厂由
三量
一 盎突破 － 点
又 ￡＝ Ｔ ＝ ：
，
可得 ： ． 解 ｕ警 ‘
一 ｎ ２ｄ
．
空的 半 径 为 Ｒ 的 半 圆
金 属盒 ， 们 接 在 电压 它 在
一
（ ） 电场 中加 速 的 总时 间为 ＝ ３在
定 、 率 为 ，的 交 流 频
电 源 上 ，一 盒 中相邻 轨道 的半 径 之差 Ａ ｒ
是 增大 、 小还 是不 变 ？ 减 （） １ 核反 应方 程为 ｝ ４ Ｎ＋ｉ 一 ５ ＋； ． Ｈ Ｃ Ｈｅ
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回旋加速器是高中的重要内容,它对于研究带电粒子在磁场中运动很重要，但很多同学往往对这类问题似是
而非，认识不深，甚至束手无策、，因此在学习过程中应引起重视。笔者结合教学实际，谈谈回旋加速器
学习过程中应注意掌握的的问题。
一、回旋加速器的基本结构和原理
回旋加速器原理如图1所示。A0处带正电的粒子源发出带正电的粒子以速度
v
0垂直进入匀强磁场，在磁场中匀速转动半个周期，到达A1时，在A1 A1
/
处造成
向上的电场，粒子被加速，速率由v0增加到v1，然后粒子以
v
1
在磁场中匀速转动半个周期，到达A2/时，在A2/ A2处造成向下
的电场，粒子又一次被加速，速率由v1增加到v2，如此继续下
去，每当粒子经过A A/的交界面时都是被加速，从而速度不断
地增加。带电粒子在磁场中作匀速圆周运动的周期为T=qBm2，
为达到不断加速的目的，只要在A A/上加上周期也为T的交变
电压就可以了。即T电= qBm2
实际应用中，回旋加速是用两个D形金属盒做外壳，
如图2所示两个D形金属盒分别充当交流电源的两极，
同时金属盒对带电粒子可起到静电屏蔽作用，金属盒可
以屏蔽外界电场，盒内电场很弱，这样才能保证粒子在
盒内只受磁场力作用而做匀速圆周运动。
二、带电粒子在D形金属盒内运动的轨道半径是不
等距分布的
设粒子的质量为m，电荷量为q，两D形金属盒间的加速电压为U，匀强磁
场的磁感强度为B，粒子第一次进入D形金属盒Ⅱ，被电场加速1次，以后每次
进入D形金属盒Ⅱ都要被电场加速2次。粒子第n次进入D形金属盒Ⅱ时，已经
被加速（2n－1）次。
由动能定理得（2n－1）qU=12Mvn2。 ……①
第n次进入D形金属盒Ⅱ后，由牛顿第二定律得qvnB=2nnmvr …… ②
由①②两式得ｒn=2(21)nUB ……③
同理可得第ｎ＋１次进入D形金属盒Ⅱ时的轨道半径
ｒ
n＋１
=2(21)nUB ……④
～
图2
Ⅰ
Ⅱ
图1
所以带电粒子在D形金属盒内任意两个相邻的圆形轨道半径之比为
12121nnrnrn
，可见带电粒子在D形金属盒内运动时，轨道是不等距分布的，越
靠近D形金属盒的边缘，相邻两轨道的间距越小。
三、带电粒子在回旋加速器内运动，决定其最终能量的因素
由于D形金属盒的大小一定，所以不管粒子的大小及带电量如何，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qvnB=2nnmvr……①
粒子的动能和动量大小存在定量关系 m vn=2kmE…… ②
由①②两式得Ek n= 2222nqBrm……③
例1、一个回旋加速器，当外加电场的频率一定时，可以把质子的速率加速
到v，质子所能获得的能量为E，则：
（1）这一回旋加速器能把α粒子加速到多大的速度？
（2）这一回旋加速器能把α粒子加速到多大的能量？
（3）这一回旋加速器加速α粒子的磁感应强度跟加速质子的磁感应强度之
比为？
解：（1）由qvnB=2nnmvr得 vn=nqBrm……④
由周期公式T电= qBm2 得知，在外加电场的频率一定时，T为定值，结合④
式得Vα=v
（2）由③式Ek n= 2222nqBrm及T为定值得，在题设条件下，粒子最终获得动
能与粒子质量成正比。所以α粒子获得的能量为４E。
（３）由周期公式T电= qBm2 得Bα∶BH =2∶1。
四、决定带电粒子在回旋加速器内运动时间长短的因素
带电粒子在回旋加速器内运动时间长短，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Ek n= 2222nqBrm知，2nqU= 2222nqBrm，因此n= 224nqBrmU 。所以带电粒
子在回旋加速器内运动时间t =nT=224nqBrmU.qBm2 =22nBrU。
例2、一个回旋加速器，当外加磁场一定时，可以把质子的速率加速到v，
质子所能获得的能量为E，则：
（1）这一回旋加速器能把α粒子加速到多大的速度？
（2）这一回旋加速器能把α粒子加速到多大的能量？
（3）求α粒子和质子在这一回旋加速器内运动时间之比。
解：（1）由qvnB=2nnmvr得 vn=nqBrm，在磁感强度一定的情况下，
v
n
与带电粒子的核质比成正比。所以Vα=12v 。
（2）由Ek n=2222nqBrm可知，在磁感强度一定的情况下，Ek n与2qm成正比。所
以这一回旋加速器能把α粒子加速到的能量也为E 。
（3）因带电粒子在回旋加速器内运动时间t =nT=22nBrU，在磁感强度一定
的情况下，各种粒子在回旋加速器内运动时间相等。
经过上面系统的总结之后，学生对回旋加速器问题会有更深、更全面的认识，以后再遇到类似的问题就不
再感到束手无策了。
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