95回旋加速器

河北省唐山市迁西县新集中学赵艳兴问题1.请同学回答：用什么方法可以加速带电微粒？如下图所示，真空中有一对平行金属板，两板间电压为U。两板间有一个带正电微粒，由静止开始从正极向负极板运动，当它到负极板可获得多大能量？（不考虑粒子的重力）答：利用电场可以加速带电粒子221mvqU++++U问题2.要使一个带正电微粒获得更大的速度（能量）？答：采用多个电场，使带电粒子实现多级加速。++++++一级二级三级nqU=1/2mv2北京正负电子对撞机刚才讨论的直线加速器．这类加速器固然有其优点，但它的设备成一条直线，占地面积大，造价贵，我们自然会想：能否设计一种加速器，使带电粒子在较小范围内也能得到较高的能量呢？有的同学想到了加磁场使粒子旋转，加电场使粒子加速，这个想法很好。如果让它们巧妙配合，使带电粒子边旋转边加速就好了。早在1932年，美国物理学家劳伦斯就发明了这种装置——回旋加速器。从而使人类在获得较高能量的粒子方面迈了一大步，为此，劳伦斯获得了诺贝尔物理奖。一、直线加速器二.回旋加速器它的核心结构是两个D形的金属盒，两个D形盒接在电极上。D形盒中间有一个窄缝，中心附近有一个粒子源。整个装置放在巨大的电磁铁的两极之间。加速后的粒子最后由特殊装置引出。1.粒子被加速后，运动速率和运动半径都会增加，它的运动周期会增加吗？2.要使粒子每次经过电场都被加速，应在电极上加一个什么电压？这个交变电场的周期和粒子在磁场中运动的周期有什么关系？（不会。因为T＝2лm/qB）应加一个交变电场，T0＝T＝2лm/qB回旋加速器问题3：在回旋加速器加速的带电粒子的最终能量由哪些因素决定？乙生：我同意甲的观点。因为在加速的总个过程中，由动能定理可知EK=nqU所以加速电压越高，粒子的最终能量越高。甲生：我认为电场是用来加速的，磁场是用来回旋的，最终的能量应与磁场无关。应与电场有关，加速电压越高，粒子最终能量越高。丙生：我不同意上述观点，当带电粒子的运动半径等于D形盒的半径时,运动半径最大Rm=mvm/qB,得vm=qBRm/m速度也应最大时，Em=q2B2Rm2/2m。因此要提高加速粒子的最后能量，应尽可能增大磁感应强度B和加速器最大半径Rm。思考：为什么回旋加速器不能无限提高粒子的能量？答：据相对论理论知识，粒子速度被加速到接近光速，质量明显变大，周期T＝2лm/qB也增加，破坏了回旋加速器的同步条件。三、加速器的拓展现在我国已把建设高能加速器的任务作为国家的重点项目，已取得了一定的成就如1989年投入运行的北京正负电子对撞机可以使电子束的能量达到2.8+2.8Gev。为了解决回旋加速器不同步问题，科学家制造出了同步加速器。思考：如何在回旋加速器的基础上解决不同步问题？1.使电磁铁磁场相应同步的增加，保证粒子的周期不变。四、加速器的应用加速器在科学研究，医用，农业，生产，军事等各个领域有广泛的应用2.使电场的变换周期随粒子的运动周期同步变大。人类对速度的渴望从未停止过，经过前辈们的不懈研究探索，光速幸运地成为了我们世界的极限速度。但单就目前人类的科技水平，想要在宏观世界中接近或达到光速就好比是天方夜谭、痴人说梦；不仅如此，从数量级上来讲，我们也始终难望其项背。不过在微观世界中，由于回旋加速器的出现，粒子已经能被加速到很高的速度。因此，回旋加速器被广泛应用于，科研医疗等诸多方面；且随着人们需求的增加，可以加速多种粒子的加速器也应运而生。超灵敏小型回旋加速器因此有人提出利用质子束、中子射线代替伽玛射线。它们的最大优点是吸收剂量相对集中。但不论用何种粒子，都需要回旋加速器对其进行加速。当然，无论多么先进的科学技术，只有应用于实践操作才能体现它的价值。目前回旋加速器主要被应用于医疗领域。粒子加速器技术的发展，使其造价和体积都减小，适合在医院环境下使用，利用加速器作为放疗用的射线源，尤其是电子类加速器，已经大量普及，并部分取代了60Co治疗机，它的最大优点是，能量更高而且可调，剂量率高，可开可停，安全可靠。这就是我们所熟悉的γ—刀。无论是钴源还是电子类加速器射线源，在放疗中，由于X或γ射线的性质，在杀死癌细胞的同时，都会对周围的正常细胞，产生较大的损伤。在医疗上的应用质谱仪的原理与回旋加速器相似，它可以根据粒子运动的半径比较其荷质比，进而对粒子的种类加以判断。五.课堂小结优点局限直线加速器能始终保持同步占地面积大，造价昂贵回旋加速器占地面积小，建设成本低，可操作性强速度较大时，T和T0不同步1。直线加速器（1）单级加速（2）多极加速2。回旋加速器（1）构造（2）原理（3）最终能量磁场------回旋加速器例题1.回旋加速器是用来加速带电粒子的仪器,其核心部分是两个D形盒,两盒分别接在高频交流电源的两极上,以便在盒间的窄缝中形成电场.使离子每次经过窄缝时都得到加速.两盒放在匀强磁场中,磁感应强度方向垂直于盒底面,离子源置于盒的圆心附近,若离子源射出的离子电量为Q,质量为M,离子的最大回旋半径为R,问:(1)盒内有无电场?(2)离子在盒内做什么运动?角速度多大?(3)所加交流电的频率多大?(4)离子离开加速器时的最大动能多大?(5)设D形盒间的电场的电势差为U,则离子达到上述能量需要回旋多少周?磁场------回旋加速器例题2.回旋加速器的D形盒的半径为R，用来加速质量为m，带电量为q的质子，使质子由静止加速到能量为E后，由A孔射出。求：（1）加速器中匀强磁场B的方向和大小。解：（1）由qvB=mv2/RE=1/2×mv2qRmEB2磁场------回旋加速器例题回旋加速器的D形盒的半径为R，用来加速质量为m，带电量为q的质子，使质子由静止加速到能量为E后，由A孔射出。求：（2）设两D形盒间的距离为d，其间电压为U，加速到上述能量所需回旋周数.（2）质子每加速一次，能量增加为qU，每周加速两次，所以n=E/2qU磁场------回旋加速器例题回旋加速器的D形盒的半径为R，用来加速质量为m，带电量为q的质子，使质子由静止加速到能量为E后，由A孔射出。求：（3）加速到上述能量所需时间(不计通过缝隙的时间）。（3）周期T=2πm/qB且周期与半径r及速度v都无关t=nT=E/2qU×2πm/qB=πmE/q2UB六、作业1.仔细阅读教材。2.访问有关网站，了解加速器的现状与发展。3.研究性学习课题，访问有关网站，了解加速器在某一方面（比如医学）的应用,写一篇有关加速器的小论文。4。点津练习题好了，这次课到此结束，THANKYOUCLASSISOVER