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1、六、回旋加速器,一、直線加速器,方案一：利用電場(chǎng)加速,可知電壓越高，粒子獲得的能量越高，速度越大，但電壓不可能無限制地提高（為什么？）,由動(dòng)能定理得帶電粒子經(jīng)n極的電場(chǎng)加速后增加的動(dòng)能為：,3直線加速器占有的空間范圍大，在有限的空間范圍內(nèi)制造直線加速器受到一定的限制,方案二：多級(jí)電場(chǎng)加速,各加速區(qū)的兩板間采用獨(dú)立電源,電源極性不能恒定，必須及時(shí)地改變電源的極性，可采用高頻交變電源且要求電源極性變化必須與粒子運(yùn)動(dòng)配合默契，步調(diào)一致，即滿足同步條件，這是確保加速器正常工作的關(guān)鍵所在 為了滿足同步條件，在筒長(zhǎng)不變時(shí)，高頻交變電源的頻率要越來越高，或電源頻率不變，圓筒要相應(yīng)加長(zhǎng),二、回旋加速器,1
2、1932年美國(guó)物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，實(shí)現(xiàn)了在較小的空間范圍內(nèi)進(jìn)行多級(jí)加速 2工作原理：利用電場(chǎng)對(duì)帶電粒子的加速作用和磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的偏轉(zhuǎn)作用來獲得高能粒子，這些過程在回旋加速器的核心部件兩個(gè)D形盒和其間的窄縫內(nèi)完成，,【例 】N個(gè)長(zhǎng)度逐個(gè)增大的金屬圓筒和一個(gè)靶，它們沿軸線排列成一串，如圖所示(圖中只畫出了六個(gè)圓筒,作為示意)。各筒和靶相間地連接到頻率為、最大電壓值為U的正弦交流電源的兩端。整個(gè)裝置放在高真空容器中，圓筒的兩底面中心開有小孔?，F(xiàn)有一電量為q、質(zhì)量為m的正離子沿軸線射入圓筒，并將在圓筒間及圓筒與靶間的縫隙處受到電場(chǎng)力的作用而加速(設(shè)圓筒內(nèi)部沒有電場(chǎng))?？p隙的寬度很小，離子
3、穿過縫隙的時(shí)間可以不計(jì)。已知離子進(jìn)入第一個(gè)圓筒左端的速度為v1，且此時(shí)第一、二兩個(gè)圓筒間的電勢(shì)差U1-U2=-U。為使打到靶上的離子獲得最大能量，各個(gè)圓筒的長(zhǎng)度應(yīng)滿足什么條件?并求出在這種情況下打到靶上的離子的能量。,分析與解： 為使正離子獲得最大能量，要求離子每次穿越縫隙時(shí)，前一個(gè)圓筒的電勢(shì)比后一個(gè)圓筒的電勢(shì)高U，這就要求離子穿過每個(gè)圓筒的時(shí)間都恰好等于交流電的半個(gè)周期。由于圓筒內(nèi)無電場(chǎng)，離子在筒內(nèi)做勻速運(yùn)動(dòng)。設(shè)vn 為離子在第n個(gè)圓筒內(nèi)的速度，則有,,,,,點(diǎn)擊下圖觀看回旋加速器原理講解,（1）磁場(chǎng)的作用：帶電粒子以某一速度垂直磁場(chǎng)方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)后，并在洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，其周
4、期和速率、半徑均無關(guān)，帶電粒子每次進(jìn)入D形盒都運(yùn)動(dòng)相等的時(shí)間（半個(gè)周期）后平行電場(chǎng)方向進(jìn)入電場(chǎng)中加速,（2）電場(chǎng)的作用：回旋加速器的兩個(gè)D形盒之間的窄縫區(qū)域存在周期性變化的并垂直于兩D形盒正對(duì)截面的勻強(qiáng)電場(chǎng)，帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時(shí)被加速, （3）交變電壓：為了保證帶電粒子每次經(jīng)過窄縫時(shí)都被加速，使之能量不斷提高，須在窄縫兩側(cè)加上跟帶電粒子在D形盒中運(yùn)動(dòng)周期相同的交變電壓,3帶電粒子的最終能量,當(dāng)帶電粒子的速度最大時(shí)，其運(yùn)動(dòng)半徑也最大，由r=mv/qB得v= rqB/m，若D形盒的半徑為R，則帶電粒子的最終動(dòng)能：,所以，要提高加速粒子的最終能量，應(yīng)盡可能增大磁感應(yīng)強(qiáng)度B和D形盒的半徑R,例：為什么帶電粒子經(jīng)回旋加速器加速后的最終能量與加速電壓無關(guān)？,解析：加速電壓越高，帶電粒子每次加速的動(dòng)能增量越大，回旋半徑也增加越多，導(dǎo)致帶電粒子在D形盒中的回旋次數(shù)越少；反之，加速電壓越低，粒子在D形盒中回旋的次數(shù)越多，可見加速電壓的高低只影響帶電粒子加速的總次數(shù)，并不影響引出時(shí)的速度和相應(yīng)的動(dòng)能，由,可知，增強(qiáng)B和增大R可提高加速粒子的最終能量，與加速電壓高低無關(guān),小結(jié)：,回旋加速器利用兩D形盒窄縫間的電場(chǎng)使帶電粒子加速，利用D形盒內(nèi)的磁場(chǎng)使帶電粒子偏轉(zhuǎn)，帶電粒子所能獲得的最終能量與B和R有關(guān)，與U無關(guān),
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