2019-2020年高二物理 （人教大纲版）第二册 第十五章 磁场 六、回旋加速器(备课资料).doc

备课资料一、关于回旋加速器的两个问题回旋加速器是用来使带电粒子加速的仪器，它的内部存在着互相垂直的两个场交变电场（电势差为U）和匀强磁场（磁感应强度为B），交变电场用来使带电粒子加速，而匀强磁场只用来使带电粒子旋转，回旋加速器的名称即由此而来.它的优点在于能在较小的空间范围内让粒子受到多次电场的加速.回旋加速器的核心部分是两个D形的金属扁盒，这两个D形盒就像是沿着直径把一个圆形的金属扁盒切成的两半，两个D形盒之间留一个狭缝，在中心附近放有粒子源，交变电场就加在两个D形盒之间的狭缝处，而匀强磁场则垂直于D形盒的底面.为了保证粒子在匀强磁场中每转半圈都正好赶上适合的电场方向而被加速，要求高频交流电源的周期与带电粒子在D形盒中运动周期相同，当然这其中忽略了带电粒子被加速所需的时间.根据它的工作原理，回旋加速器一次可以同时加速一束同种带电粒子，加速后这束带电粒子的能量都相同.那么它能不能同时加速一束多种带电粒子，或同时加速一对电量和质量都相等的正离子和负离子呢？现分析如下：根据回旋加速器的工作原理，只要带电粒子的电量和质量的比值相等，它们经过同一加速电场的第一次加速后所获得的速度v1=是相等的；它们以此速度垂直进入匀强磁场后做匀速圆周运动的半径R=mv1/Bq是相等的；周期T=2m/Bq也是相等的.转了半圈后经过加速电场的第二次加速后所获得的速度v2=仍然是相等的，甚至它们被加速一次所需的时间t=d也是相等的（d为狭缝宽度）.由此我们完全可以断定，多种带电粒子（带同种电荷），只要它们的电量和质量的比值相等，它们在回旋加速器中的运动完全是同步的，完全可以同时被回旋加速器加速，而且加速后这些带电粒子的速度都相同.那么为什么不能同时加速一对电量和质量都相等的正离子和负离子呢？那是由于它们带异种电荷，所以在电场和磁场中的运动方向总是相反的，这样，它们在运动过程中就要发生相撞，即使能够想办法使它们开始运动的时刻相隔半个周期，但由于回旋加速器的出口只有一个，加速后的离子也只能飞出一种.在高中物理练习中经常要求把一些不同的带电粒子分开，例如分开“具有相同动能的质子和粒子”.由于它们在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径相等而周期不等（粒子的周期是质子的两倍），有的学生由此认为利用匀强磁场不能做到.但有的学生却能联系到回旋加速器的工作原理，想到利用回旋加速器可以把它们分开：只要使高频交流电源的周期与质子在D形盒中运动周期相同，我们就可以使质子从回旋加速器中飞出，而粒子只能在原地打转却飞不出来.二、回旋加速器1.回旋加速器的发明2019-2020年高二物理 （人教大纲版）第二册 第十五章 磁场 六、回旋加速器(备课资料)科学家在研究原子核的结构时，采用了高速运动的亚原子粒子去轰击原子核，早在1906年，卢瑟福就利用放射性物质释放的高速粒子来轰击物质.1919年他成功地从氮原子核中打出了质子，使氮原子核变成氧原子核，然而使用天然产生的粒子作为轰击物，有很大的局限性，带正电的粒子与带正电的原子核相互排斥，要消耗很大的能量；而天然产生的带电粒子的能量是有限的，为了得到更高能量的带电粒子，物理学家们开始尝试设计一种产生高能量带电粒子的实验设备加速器.我们知道电场可以使带电粒子加速，增加带电粒子的能量，如图1所示，这就是早期的加速器的原理，这种加速器可以通过增加电极间的电压来提高粒子的速度与能量，但这种加速器的发展受到高压绝缘的限制，因此，人们就想利用较低的电压，采用多级加速使粒子获得高能量.如图2所示，要想达到越来越高的能量，就必须使设备的长度增加到数英里长，从而变得庞大而不实用.1931年，加利福尼亚大学的欧内斯特O劳伦斯（Ernest O.Lawrence）提出了一个卓越的思想，通过磁场的作用迫使粒子沿着磁极之间做螺旋线运动，把长长的电极像卷尺那样卷起来，这样就可以在有限的场地装设比原来长许多倍的电极，他把这种设备叫做“回旋加速器”.开始时，劳伦斯制作的回旋加速器模型结构简陋，真空室的直径只有10.2 cm，1932年，他又制作了可以实用的回旋加速器，用黄铜和封腊作真空室，直径也只有11.4 cm，加上不到1 kV电压之后，可将质子加速到80000 eV，不到1 kV的电压，达到80 kV的加速效果.40年代以后，物理学家用劳伦斯创造的加速器发现了许多新型核反应，观察到有几百种前所未闻的同位素，在实施制造原子弹的曼哈顿工程时，劳伦斯用他的加速器分离出仅占铀的总量0.7%的铀235，为发明原子弹立下了汗马功劳，为此，劳伦斯获得了1939年诺贝尔物理学奖. 图2 图32.回旋加速器的结构回旋加速器主要由圆柱形磁极、两个D形盒状电极、高频交变电源、粒子源和引出装置等组成，如图3所示，其中D形盒状电极装在真空室中，是回旋加速器的核心部件，整个真空室放在磁极之间，磁场方向垂直于D形盒，两个D形盒之间留一个窄缝，两极分别与高频电源的两极相连，当粒子经过D形电极之间的窄缝处的电场时，得到高频电压的加速，在D形盒内，由于屏蔽作用，盒内只有磁场分布，这样带电粒子在D形盒内沿螺线轨道运动，达到预期的速率后，用引出装置引出.3.回旋加速器的原理图4回旋加速器的工作原理如图4所示，设离子源中放出的是带正电的粒子，带正电的粒子以一定的初速度v0进入下方D形盒中的匀强磁场做匀速圆周运动，运行半周后回到窄缝的边缘，这时在A1、A1间加一向上的电场，粒子将在电场作用下被加速，速率由v0变成v1，然后粒子在上方D形盒的匀强磁场中做圆周运动，经过半个周期后到达窄缝的边缘A2，这时在A2A2间加一向下的电场，使粒子又一次得到加速，速率变为v2，这样使带电粒子每通过窄缝时被加速，又通过盒内磁场的作用使粒子回旋到窄缝，通过反复加速使粒子达到很高的能量.带电粒子在磁场中运动的半径为R=，所以粒子被加速后回旋半径一次比一次增大，而带电粒子在磁场中运动的周期T=，所以粒子在磁场中运动的周期始终保持不变，这样只要加在两个电极上的高频电源的周期与带电粒子在磁场中运动的周期相同，就可以保证粒子每经过电场边界AA和AA时正好赶上合适的电场方向而被加速.由于相对论效应，当粒子速率接近光速时，粒子的质量将显著增加，从而粒子做圆周运动的周期将随粒子速率的增长而增长，如果加在D形盒两极的交变电场的周期不变的话，粒子由于每次“迟到”一点而不能保证经过窄缝时总被加速，因此，为了使粒子每次穿过窄缝时仍能不断得到加速，必须使交变电场的周期随着粒子加速的过程而同步变化，根据这个原理设计的回旋加速器叫做同步回旋加速器.另外采用多级电场加速的直线型装置不存在这种困难，这种多级加速装置在过去没有条件建造，现在已经建造出来，科学家们称它为直线加速器，长度达几千米到几十千米，如图5所示的是长约3 km的斯坦福大学直线加速器. 图5 图64.加速器的发展带电粒子加速器自1930年前后问世以来，主要是朝获得更高能量的方向发展，科学家们设计制造了各种类型的新型加速器，如同步加速器、电子感应加速器、对撞机等，任何一种加速器都经历了发生、发展和加速能力或经济效益受到限制的三个阶段.在第三个阶段中，总会出现新技术或新原理突破困难，从而建造出新类型的加速器，使能量进一步提高，或使建造更高能量加速器在经济上成为可行.例如，在质子加速器方面：直线加速器受击穿电压限制因而出现了回旋加速器；回旋加速器有相对论效应质量增加的限制，因而出现了同步回旋加速器；采用常规磁铁加速器因耗电过多而将让位于超导磁体的加速器.从另一个角度看，上述所有打静止靶的加速器又都存在有效碰撞能量随加速器能量增长缓慢的问题，而对撞机则大大提高了有效碰撞能量，我国已把建设高能加速器任务作为国家重点项目，逐步缩小我国高能物理与当今世界先进水平的差距，如图6所示的是北京正负电子对撞机.可以断言，任何已知的加速方法，都不能使加速器的更高能量无限地推进，而新技术、新原理才是加速器向更高能区、更好性能和更低造价等方面推进的动力.