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在高能物理研究中,粒子加速器起著重要作用,而早期的加速器只能使帶電粒子在高壓電場中加速一次,因而粒子所能達到的能量受到高壓技術的限制.1930年,Earnest O.Lawrence博士提出了回旋加速器的理論,他設想用磁場使帶電粒子沿圓弧形軌道旋轉,多次反復地通過高頻加速電場,直至達到高能量,圖甲為他設計的回旋加速器的示意圖.它由兩個鋁制D型金屬扁盒組成,兩個D形盒正中間開有一條狹縫,兩個D型盒處在勻強磁場中并接有高頻交變電壓.圖乙為俯視圖,在D型盒上半面中心S處有一正離子源,它發(fā)出的正離子,經狹縫電壓加速后,進入D型盒中,在磁場力作用下運動半周,再經狹縫電壓加速;為保證粒子每次經過狹縫都被加速,應設法使交變電壓的周期與粒子在狹縫及磁場中運動的周期一致.如此周而復始,最后到達D型盒的邊緣,獲得最大速度后被束流提取裝置提。O被加速的粒子為質子,質子的電荷量為q,質量為m,加速時電極間電壓大小恒為U,磁場的磁感應強度為B,D型盒的半徑為R,狹縫之間的距離為d,質子從離子源出發(fā)時的初速度為零,分析時不考慮相對論效應.

(1)求質子經第1次加速后進入一個D形盒中的回旋半徑與第2次加速后進入另一個D形盒后的回旋半徑之比;
(2)若考慮質子在狹縫中的運動時間,求質子從離開離子源到被第n次加速結束時所經歷的時間;
(3)若要提高質子被此回旋加速器加速后的最大動能,可采取什么措施?
(4)若使用此回旋加速器加速氘核,要想使氘核獲得與質子相同的最大動能,請你通過分析,提出一個簡單可行的辦法.
分析:(1)根據動能定理求出粒子被第一次加速后的速度,根據洛倫茲力提供向心力,利用牛頓第二定律求出軌道的半徑.
(2)回旋加速器是利用電場加速和磁場偏轉來加速粒子,根據動能定理求出n次加速后的速度,根據勻變速直線運動的速度時間公式求出加速的時間,再求出粒子偏轉的次數,從而得出在磁場中偏轉的時間,兩個時間之和即為離開離子源到被第n次加速結束時所經歷的時間.
(3)根據回旋加速器的半徑,利用洛倫茲力提供向心力,求出最大速度,看最大速度有什么因素決定.
(4)若加速氘核,氘核從D盒邊緣離開時的動能與質子的動能相同.
解答:解:(1)設質子經過窄縫被第n次加速后速度為vn,由動能定理  nqU=
1
2
m
v
2
n
   ①
第n次加速后質子在磁場中做勻速圓周運動的半徑為Rn,由牛頓第二定律 Bqvn=
m
v
2
n
Rn
  ②
由以上兩式解得 Rn=
mvn
qB
=
n?mqU
qB

則 
R1
R2
=
1
2
=
2
2
       
(2)由牛頓第二定律  
qU
d
=ma
    ③
質子在狹縫中經n次加速的總時間  t1=
vn
a
        ④
聯立①③④解得電場對質子加速的時間  t1=
2nm
qU

質子在磁場中做勻速圓周運動的周期 T=
2πm
qB
    ⑤
粒子在磁場中運動的時間  t2=(n-1)
T
2
    ⑥
聯立⑤⑥解得  t2=
(n-1)πm
qB

故質子從離開離子源到被第n次加速結束時所經歷的時間
t=t1+t2=
2nm
qU
+
(n-1)πm
qB

(3)設質子從D盒邊緣離開時速度為vm 則:Bqvm=
m
v
2
m
R
     ⑦
質子獲得的最大動能為  EKm=
1
2
m
v
2
m
=
q2B2R2
2m
      ⑧
所以,要提高質子被此回旋加速器加速后的最大動能,可以增大加速器中的磁感應強度B. 
(4)若加速氘核,氘核從D盒邊緣離開時的動能為Ek′則:Ek′=
q2
B
2
1
R2
2×2m
=Ekm
    ⑨
聯立⑧⑨解得  B1=
2
B    即磁感應強度需增大為原來的
2
倍                      
高頻交流電源的周期T=
2πm
qB
,由質子換為氘核時,交流電源的周期應為原來的
2
倍.  
答:(1)質子經第1次加速后進入一個D形盒中的回旋半徑與第2次加速后進入另一個D形盒后的回旋半徑之比
2
2
;
(2)質子從離開離子源到被第n次加速結束時所經歷的時間t=
2nm
qU
+
(n-1)πm
qB
;
(3)要提高質子被此回旋加速器加速后的最大動能,可以增大加速器中的磁感應強度B;
(4)若使用此回旋加速器加速氘核,即磁感應強度需增大為原來的
2
倍,交流電源的周期應為原來的
2
倍.
點評:解決本題的關鍵知道回旋加強器的工作原理,利用磁場偏轉,電場加速.以及知道回旋加強器加速粒子的最大動能與什么因素有關.
練習冊系列答案
相關習題

科目:高中物理 來源: 題型:

(2003?肇慶模擬)高能物理在現代高科技活動中具有廣泛的應用,如微觀粒子的研究、核能的生產等.粒子加速器是實現高能粒子的主要途徑.如圖所示為一環(huán)形粒子加速器的示意圖,圖中實線所示為環(huán)形區(qū)域內存在垂直紙面向外的大小可調節(jié)的勻強磁場,質量為m、電量為q的帶正電粒子在環(huán)中做半徑為R的圓周運動.A、B為兩塊中心開有小孔的極板,原來電勢都為零,每當粒子飛經A板時,A板的電勢升高為+U,B板電勢保持為零,粒子在電場中一次次被加速而動能不斷增大,但繞行半徑R始終保持不變.
(1)設t=0時,粒子靜止在A板小孔處,在電場作用下開始加速、并繞行一圈.求粒子繞行n圈回到A板時獲得的總動能?
(2)為使粒子始終保持在半徑為R的圓軌道上運行,磁場必須周期性遞增,求粒繞行第n圈時,磁感應強度Bn應為多少?
(3)求粒子繞行n圈所需的總時間t(粒子通過A、B之間的時間不計)
(4)若粒子通過A、B的時間不可忽略不計,請在右面的坐標系中定性畫出A板電勢隨時間t變化的圖象(要求從t=0起到粒子第三次離開B板時止.不要求計算具體的時間)

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科目:高中物理 來源:2003-2004學年廣東省肇慶市高三(上)第一次統測物理試卷(解析版) 題型:解答題

高能物理在現代高科技活動中具有廣泛的應用,如微觀粒子的研究、核能的生產等.粒子加速器是實現高能粒子的主要途徑.如圖所示為一環(huán)形粒子加速器的示意圖,圖中實線所示為環(huán)形區(qū)域內存在垂直紙面向外的大小可調節(jié)的勻強磁場,質量為m、電量為q的帶正電粒子在環(huán)中做半徑為R的圓周運動.A、B為兩塊中心開有小孔的極板,原來電勢都為零,每當粒子飛經A板時,A板的電勢升高為+U,B板電勢保持為零,粒子在電場中一次次被加速而動能不斷增大,但繞行半徑R始終保持不變.
(1)設t=0時,粒子靜止在A板小孔處,在電場作用下開始加速、并繞行一圈.求粒子繞行n圈回到A板時獲得的總動能?
(2)為使粒子始終保持在半徑為R的圓軌道上運行,磁場必須周期性遞增,求粒繞行第n圈時,磁感應強度Bn應為多少?
(3)求粒子繞行n圈所需的總時間t(粒子通過A、B之間的時間不計)
(4)若粒子通過A、B的時間不可忽略不計,請在右面的坐標系中定性畫出A板電勢隨時間t變化的圖象(要求從t=0起到粒子第三次離開B板時止.不要求計算具體的時間)

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