(2012)3.6回旋加速器
高中物理回旋加速器工作原理参考资料
高中物理回旋加速器工作原理参考资料高二物理“回旋加速器”工作原理参考资料2011.12.3带电粒子在电场中的运动的应用---回旋加速器(重点了解工作原理) 思考：怎样对带电粒子加速，使粒子具有较大的能量？（1）直线加速器①加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电的粒子动能增加，即qU =ΔE k②直线加速器的多级加速：书上图3．6—5所示的是多级加速装置的原理图，由动能定理可知，带电粒子经N级的电场加速后增加的动能，ΔE k=q（U1+U2+U3+U4+…U n）③直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间内制造直线加速器受到一定的限制。
（2）思考：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，即反复“转圈圈”式的被加速，而磁场正好能使带电粒子“转圈圈”！学生活动：自主阅读课本，并阅读“思考与讨论”分析回旋加速器的加速原理磁场的作用：交变电场以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，其周期在q、m、B不变的情况下与速度和轨道半径无关，带电粒子每次进入D形盒都运动相等的时间（半个周期）后平行电场方向进入电场加速。
电场的作用：回旋加速器的的两个D形盒之间的夹缝区域存在周期性变化的并垂直于两个D形盒正对截面的匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速。
交变电压的作用：为保证交变电场每次经过夹缝时都被加速，使之能量不断提高，须在在夹缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压。
带电粒子经加速后的最终能量：（运动半径最大为D形盒的半径R）由R=mv/qB 有v=qBR/m 所以最终能量为E m=mv2/2 =q2B2R2/2m,下列说法不正确的是A．电场用来加速带电粒子,磁场则使带电粒子回旋B．电场和磁场同时用来加速带电粒子C．在交流电压一定的条件下,回旋加速器的半径越大,同一带电粒子获得的动能越大D．同一带电粒子获得的最大动能只与交流电压的大小有关,而与交流电压的频率无关。
质谱仪和回旋加速器.pptx
v qBR0 m
Ek
1 2
mv2
Ek
q2 B2 R02 2m
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理论分析： （1）当v⊥B 时 ，洛伦兹力的方向与速度方向的关系?粒子运动 的轨迹平面有何特点？
（2）带电粒子仅在洛伦兹力的作用下，粒子的速率变化么？
（3）洛伦兹力在粒子运动过程中如何变化？
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q
-
o
问题讨论一：带点粒子在匀强磁场中的运动情况
思考：
1.如图，带点粒子沿磁感线 进入磁场（v∥B），则它在 磁场中怎样运动呢？
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三、回旋加速器 （一）直线加速器
1.加速原理：利用加速电场对带电粒子做正
功使带电粒子的动能增加，qU=Ek．
2.直线加速器，多级加速 如图所示是多级加速装置的原理图：
3.困难：技术上不能产生过高电压；加速设备长。
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三、回旋加速器
（一）直线加速器 （二）回旋加速器
1、轨道半径
V
带电粒子只受洛伦兹力，作圆 - F洛 周运动，洛伦兹力提供向心力：
qvB m v2 r
解得：r mv qB
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一、带电粒子在匀强磁场中的运动
沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子，在 匀强磁场中做匀速圆周运动。
1、轨道半径 r mv
qB
2、运行周期 T 2r 2m
解决上述困难 的一个途径是把加 速电场“卷起来”， 用磁场控制轨迹， 用电场进行加速。
NN
D2
O
~
D1
B
S
回旋加速器原理图
3.6 带电粒子在匀强磁场中的运动
F
洛
2R 2m 2、运行周期 T v qB
（周期跟轨道半径和运动速率均无关）
带电粒子在气泡室运动径迹的照片
（1）不同带电粒子的径迹半径为何不同？ （2）同一径迹上为什么曲率半径越来越小？
二、质谱仪
质谱仪是一种分析同位素、测定带电粒子比荷 及测定带电粒子质量的重要工具。
设导电板内运动电荷的平均定向速率为 u，它们在磁场中受到的洛仑兹力为：
f quB
当导电板的A、A’ 两侧产生电势差后， 运动电荷会受到电场力： U F Eq q b 导电板内电流的微观表达式为： 由以上各式解得： U
1 IB nq d
I nqsu nq(bd)u
其中 K
二、质谱仪
利用电场加速
s1 s2
照相底片
利用磁场偏转
................. ................ ............. .........
质谱仪的示意图
s3
三、回旋加速器
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”。产生高能“炮弹”的“工厂”就是 各种各样的粒子加速器。
三、回旋加速器
（一）直线加速器
1.加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒 子的动能增加，qU=Ek． 2.直线加速器，多级加速 如图所示是多级加速装置的原理图：
3.困难：技术上不能产生过高电压；加速设备长。
三、回旋加速器
（一）直线加速器 （二）回旋加速器
解决上述困难的一个途径是把加速电场“卷起来”， 用磁场控制轨迹，用电场进行加速。
第6节回旋加速器
一二三 级级级
U U U P1 P2 P3 P4 P5 P6
n 级
U Pn Pn+1
m -q
……
方案二：多级电场加速
nqU 1 mv2 2
电源极性不能恒定，必须
-+ -+ -+
- + 及时地改变电源的极性，可采
各加速区的两板间采用独立电源 用高频交变电源且要求电源极
性变化必须与粒子运动配合默
契，步调一致，即满足同步条
vn 为离子在第n个圆筒内的速度， 则有
点击下图观看回旋加速器原理讲解
（1）磁场的作用：带电粒子以某一速度垂 直磁场方向进入匀强磁场后，并在洛伦兹 力作用下做匀速圆周运动，其周期和速率、 半径均无关，带电粒子每次进入D形盒都 运动相等的时间（半个周期）后平行电场 方向进入电场中加速．
（2）电场的作用：回旋加速器的两个D 形盒之间的窄缝区域存在周期性变化 的并垂直于两D形盒正对截面的匀强电 场，带电粒子经过该区域时被加速．
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．
小结：
回旋加速器利用两D形盒窄缝间的电场使带 电粒子加速，利用D形盒内的磁场使带电粒子 偏转，带电粒子所能获得的最终能量与B和R有 关，与U无关．
所以，要提高加速粒子的最终能量，应尽可 能增大磁感应强度B和D形盒的半径R．
例：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
回旋加速器
有什么用时，他回答说：“我要用它来轰碎原子。
许多原子核、基本粒子的性
质有关的资讯，均是利用高 能粒子轰击原子靶（atomic target）而获得的。1932年， 约翰·柯克劳夫与欧内斯 特·劳伦斯在英国制造了第一 台“原子击破器”（atom smasher）。他们乃是利用 700,000V的高电压对质子加 速，然后再拿它们轰击锂靶。
1929年，劳伦斯从一篇文献上读到两只电子管用同步的方 法给钾离子升压的报道，受到了很大的启发。他想，难道 不能用排成一列的更多的电子管同步升压，使带电粒子获 得更高的电压吗？
他非常激动，不断计算，发现直列式升压后部的电子管 体积功率都十分巨大。如果能组成一个环形，让带电粒子 在圆环的每个电子管中同步升压，将能达到几百万电子伏 的高压。如果再用电磁铁把离子束缚在圆环里，那么，这 个装置将成为物理学中前所未有的利器，什么高能粒子的 实验都可以在它中间完成了。
回旋加速器。他不久就提出了回旋加速器的原理，并且制作出一个象儿童玩具一样精致的回旋加 速器模型。他用两个D形空盒拼成一个圆形空腔，中间留一条缝隙，带电粒子在缝隙中由带正、 负电的D形盒所形成的电场来加速，进入D形盒后在磁场的作用下旋转，最后带电粒子以很高的能 量象炮弹一样从一个出射窗打出来，用来轰击靶原子。1931年劳伦斯和别人合作研制成世界上第 一台回旋加速器。1932年他又建造了一台新的回旋加速器，把质子加速到1.2百万电子伏。1936年 劳伦斯在加利福尼亚大学伯克莱分校用75吨大磁铁，缠8吨钢丝制成一个大电磁铁，建造了一台 大型回旋加速器，打出的氘核速率达每秒4万公里，每秒钟可以打出6亿个氘核粒子。1941年劳伦 斯又在伯克莱分校的宪章山上建起了一个更大的加速器，打出的粒子速率接近每秒10万公里，能 量达1亿电子伏。
回旋加速器——精选推荐
回旋加速器回旋加速器教学过程师：在现代物理学中，为了研究物质的微观结构，⼈们往往利⽤能量很⾼的带电粒⼦作为“炮弹”，去轰击各种原⼦核，以观察它们的变化规律．为了⼤量地产⽣⾼能粒⼦，就要⽤到⼀种叫做加速器的实验设备．北京正负电⼦对撞机，它就是我国于1989年初投⼊运⾏的第⼀台⾼能粒⼦加速器，它能使正负电⼦束流的能量分别达到28亿电⼦伏．加速器究竟是怎样产⽣⾼能带电粒⼦的呢？这就是今天要学习的课题．师：先请哪位同学回答：⽤什么⽅法可以加速带电粒⼦？⽣：利⽤电场可使带电粒⼦加速．师：（板画图1）根据图⽰条件，带电粒⼦加速后可获得多⼤能量？=mv2/2=qU⽣：Ek师：回答正确．由此看来，要获得⾼能量的带电粒⼦，就必须尽量提⾼加速电压．但我们知道，实际能达到的电压值总是有限的，不可能太⾼，因⽽⽤这种⽅法加速粒⼦，获得的能量也不够⼤，只能达到⼏⼗万⾄⼏兆电⼦伏．请同学们想⼀想，如何突破电压限制，使带电粒⼦获得更⼤的能量呢？甲⽣：我想是否可以再加⼏个电场，让带电粒⼦逐⼀通过它们．师：（画图⼆）有道理．这样⼀来，每个电场的电压就不必很⾼．尽管带电粒=nqU，只要增加电场⼦每次加速得到的能量不是很⼤，但最后的总能量却可达到Ek的数⽬n，就可使粒⼦获得⾜够⼤的能量．采⽤多个电场，使带电粒⼦实现多级加速，这确是突破电压限制的好⽅法，我们再仔细推敲⼀下它的可⾏性：按图2所⽰的⽅案，真能实现多级加速吗？要消除反向电压⽣：采⽤静电屏蔽．师：对．我们可⽤⾦属圆筒代替原来的极板．这样，既可以在⾦属圆筒的间隙处形成加速电场，⼜使得圆筒内部的场强为零，从⽽消除了减速电场的不利影响．①利⽤电场加速带电粒⼦；②通过多级加速获得⾼能粒⼦；③将加速电场以外的区域静电屏蔽；师：刚才讨论的这类加速器，⼈们通常称之为直线加速器．例如北京正负电⼦对撞机的注⼊器部分，就是⼀个全长200多⽶的直线加速器．这类加速器固然有其优点，但它的设备⼀字⼉排开，往往显得拖沓冗长．于是，我们⾃然会想：能否寻找⼀种既可使带电粒⼦实现多级加速，⼜不必增加设备长度的⽅法呢？⽣：……（思考、议论）师：（⾃⾔⾃语）如果只⽤⼀个电场，带电粒⼦经过加速后还会再次返回，那就好了．……⽤什么⽅法能使粒⼦⾃动返回呢？……⽣：（豁然开朗）外加磁场！利⽤带电粒⼦在匀强磁场中作圆周运动的特点，可使它重返电场，再次加速．师：下⾯就让我们按着这条思路，来具体分析⼀下⼯作原理．（板画图5）根据带电粒⼦在匀强磁场中运动的半径公式R=mv／Bq，随着粒⼦不断加速，它的速度越来越⼤，因此，半径也相应增⼤．为使带电粒⼦不断得到加速，提供加速电压的电源应符合怎样的要求？⽣：要采⽤交变电源，并且，还必须使电源极性的变化与粒⼦的运动保持同步．从刚才的分析可以看出，电场的作⽤是使粒⼦加速，磁场的作⽤则使粒⼦回旋，两者的分⼯⾮常明确，同时，它们⼜配合得⼗分默契：电源交替变化⼀周，粒⼦被加速两次，并恰好回旋⼀周，这正是确保加速器正常运⾏的同步条件．（板书如下）师：还有第三个问题：随着粒⼦不断加速它的速度和半径都在不断增⼤，为了满⾜同步条件，电源的频率也要相应变化吗？⽣：不需变化，因为带电粒⼦在匀强磁场中的运动周期T=2πm/Bq，它与速度⽆关．师：说得对．对于给定的带电粒⼦，它在⼀定的匀强磁场中运动的周期是恒定的．有了这⼀条，我们就可免却随时调整电源频率以求同步的⿇烦了．师：下⾯让我们来看回旋加速器的基本结构．（出⽰挂图）从图上可以看出，回旋加速器主要由下列⼏部分组成（板书）：D形盒、强电磁铁、交变电源、粒⼦源、引出装置等．带正电粒⼦以速度v0进⼊磁场，当它运动半周后到达A1时，电源极性应是“A正A′负”，粒⼦被电场加速，速率从v0增加到v1．为“A负A′正”，使粒⼦再次加速，速率从v1增加到v2……以后的情形就以此类推。
简析回旋加速器
简析回旋加速器粒子加速器是用人工方法产生快速带电粒子束的装置，它利用电磁场将带电粒子束（如电子、正电子、质子等）加速到很高的能量，所以称为加速器。
回旋加速器相较于早期的加速器，能够重复利用同一电压加速带电粒子，并且作为我们在高中物理學习中接触到的比较高端的物理设备，不仅原理较简单，而且优势明显。
本文将简要介绍回旋加速器的产生、原理和应用。
标签：回旋加速器劳伦斯高频震荡器同位素回旋加速器是现行高中物理教材中重点介绍的电学器件，它是用来加速带电粒子获得“高能炮弹”的仪器。
回旋加速器不仅仅是研究物理的利器，也是高考中常见的给同学们设置的题目背景。
了解回旋加速器，不仅仅能增进自己对物理的了解，也能够对高考有一定的帮助。
一、回旋加速器的诞生最早的加速器产生于30年代初，是物理学家们为了研究原子核和物质深层结构而制造的。
在现在我们的生活中，随处可见由纯研究引起的应用，而这些应用有了越来越广泛的利用后，回过头来又驱动研究的进步，回旋加速器也是这样的。
1932年，劳伦斯在美国的伯克利大学建造了第一台回旋加速器，这是加速器历史上的一个重大发展。
利用回旋加速器，人们可以获得中子束流，同时还发现了人工制造的放射性同位素[1]。
劳伦斯和他的兄弟很快认识到了回旋加速器在医学方面重要的应用前景，并且成功的使用了回旋加速器产生的中子治疗了自己母亲的癌症。
二、回旋加速器的构造如图所示，回旋加速器由D1、D2两个D型盒组合而成，两盒之间留了一定宽度的间隙，整个装置放置于真空之中。
装置的垂直方向上是由大型电磁铁产生的匀强磁场。
高频振荡器产生的交变电压加在两个D型盒之间。
这个电压可以在空隙中加速带电粒子，而盒内由于电磁屏蔽效应的原因电场强度趋近于零。
这样产生的结果是带电粒子在盒内仅受到洛伦兹力的作用做匀速圆周运动，等粒子运动到间隙中，电场就会加速粒子，电场根据粒子运动的周期不断变化，就能够持续给粒子加速到一个很高的程度。
不知道同学们有没有这样一个疑问，为什么交变电场要在粒子离开D型盒的时候才能改变？我们知道交变的电场会产生交变的磁场，如果电场改变的时间不能与粒子的运动周期完美符合，就会使匀强的磁场受到影响，粒子在D型盒内的运动就不能够保证是匀速圆周运动，因此必需要在粒子刚离开D型盒的时候改变电场。
回旋加速
（3）周期 ）周期T=2πm / qB 且周期与半径r及速度 及速度v 且周期与半径 及速度 都无关 t = nT = E/2qU×2πm / qB × = πm E/q2 UB
好了，这次课到此结束， THANK YOU CLASS IS OVER
回旋加速器
磁场------回旋加速器原理 回旋加速器原理 磁场 回旋加速器 用什么方法可以加速带电粒子? 用什么方法可以加速带电粒子?
1 2 Ek = mv = qU 2
磁场------回旋加速器 回旋加速器 磁场
磁场------回旋加速器 回旋加速器 磁场
获得高能粒子的一台加速器应具备条件 获得高能粒子的一台加速器应具备条件
磁场------回旋加速器 回旋加速器 磁场
北京正负电子对撞机
磁场------回旋加速器 回旋加速器 磁场
磁场------回旋加速器历史与发展 回旋加速器历史与发展 磁场 回旋加速器
1929年 劳伦斯发明了后来被称为回旋加速器的“ 1929年，劳伦斯发明了后来被称为回旋加速器的“原子击破 1932年建成世界第一台回旋加速器 年建成世界第一台回旋加速器。 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， 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， 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。 为世界物理学家参观学习的基地。 劳伦斯还大力宣传推广用加速器中产生的放射性同位素或中子 来治疗癌症等疑难病。由于在回旋加速器及其应用技术方面的成就， 来治疗癌症等疑难病。由于在回旋加速器及其应用技术方面的成就， 劳伦斯获得1939年度诺贝尔物理奖。 1939年度诺贝尔物理奖 劳伦斯获得1939年度诺贝尔物理奖。 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－ 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 235，以及用加速器生产钚－239的实验研究， 的实验研究 原子弹的装料途径做出了独特的贡献。 1948年 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。 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 物理学家加德西和拉蒂斯用回旋加速器的380MeV 初，物理学家加德西和拉蒂斯用回旋加速器的380MeV 的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， 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 一个高能物理的新时代。由于劳伦斯的倡议和推动， 亚大学建造了一台6GeV高能质子同步稳相加速器。 6GeV高能质子同步稳相加速器 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。 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。
回旋加速器上课用
第六节 回旋加速器
问题:为什么要制造加速器?
在现代物理学中,为了探索原子核的结构 和得到各种元素的同位素,研究人员需要大量 的高能粒子去轰击原子核,由此研究制造出能 在实验室里产生大量高能粒子的加速器.
××××××××
第六节 回旋加速器
思考题1. 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?
答
: 由公式T
=
2m qB
可知,
粒子做圆周运
动的周期与粒子运动的速度和半径无关， 所
以不会发生变化.
第六节 回旋加速器
思考题2. 带电粒子在D形盒内做圆周运动的周期 与两D形盒所连接的高频交流电源的周期有什么关系?
答: 因为带电粒子在磁场中每运动半周加速一次, 加在两D形盒间的电压要与带电粒子的运动同步,所 以带电粒子运动的周期与高频交流电源的频率相等.
第六节 回旋加速器
思考题3. 带电 粒子的最高能量与 哪些因素有关？
答 : 带电粒子做圆周运动的 半径最大只能等于 D
形盒的半径 ,
根据R =
mV qB
,
粒子运动的最大速度
qBR 为Vm = m . 那么粒子获得的最大能 量为 :
Em
=
1 2
mV
m2
=
q2B2R2 2m
.
可见带电粒子获得的能 量与D形盒的半径 R, 磁感
强度B, 以及电荷的电量 q和质量 m有关.
仪器二36应用质谱仪和回旋加速器 优质课件
(3)f＝2qπBm，ω＝qmB (4)qBmRm，q2B2m2R2m
U
-U
t
(5)πB2UR2m
【精讲精析】 (1)D 形盒由金属导体制成，具有屏蔽 外电场作用，故盒内无电场． (2)带电粒子在盒内做匀速圆周运动，每次加速之后， 半径变大．
(3)粒子在电场中运动时间极短，因此高频交流电频率
要等于粒子回旋频率，因为 T＝2qπBm，回旋频率 f＝T1
两式可以求出粒子的半径 r、________、
．其中由 r＝B1 将随_____变化． 的应用：
2mqU可知电荷量相同
带电粒子的质量和分析________.
选择速度：
E v=
B0 r mv
Bq
圆周运动 选择速度
r E m 加速 B0B q
粒子源
粒子源发出粒子初速度略有不同，可以增加速度选择器
例：如图所示是质谱仪的示意图。已知速度选择器中
的磁场B1=0.40T，电场E=1.00×105N/C；偏转分离器
中的匀强磁场B2=0.50T。现有带一个基元电荷电量的
两种铜离子，在感光底片上得到两个感光点A1、A2，
测得SA1=0.658m，SA2=0.679m。求两种铜离子的质量
数。（已知e=1.60×10-19C，mp=1.67×10-27kg）
【答案】 m＝qB8U2d2
【思路点拨】 粒子先在电场中做加速运动， 粒子再在磁场中做圆周运动，经半个周期打 到感光片上．
【自主解答】 对分子离子在加速电场中的加
速过程应用动能定理12mv2＝qU. 粒子进入匀强磁场后，做匀速圆周运动，洛伦 兹力提供向心力，即 qvB＝mvR2， 又由几何关系 d＝2R 解得
m＝qB8U2d2.