【物理】3.6《洛伦兹力与现代技术》相关素材(粤教版选修3-1).doc

知识改变命运，学习成就未来回旋加速器的工作原理回旋加速器的工作原理见图1所示。在回旋加速器中心部位的离子源（Ion Source）经高压电弧放电而使气体电离发射出粒子束流，该粒子束流在称为Dees的半圆形电极盒（简称D型盒）中运动。D型盒与高频振荡电源相联为加速粒子提供交变的电场。在磁场和电场的作用下被加速的粒子在近似于螺旋的轨道中运动飞行。图1工作原理示意图在回旋加速器中心区域，粒子被拉出后经电场的加速而获得较低的初速度v1，同时，磁场也对这些粒子产生作用，两种场作用的结果是粒子在Dee间隙（gap）内按螺旋轨道飞行。经过非常短的时间后，粒子经gap进入另一个Dee电极盒，此后，粒子在该Dee电极盒一边飞行到等电势的另一边。每越过一个gap后，其轨道半径将比前一次的轨道半径大。粒子运动的瞬时轨道半径将随时间t的增加而增大，粒子运动速度的平方与粒子旋转的圈数成比例。被加速粒子运动的螺旋轨道半径r与运行时间t的平方根成正比。带电粒子经多次加速后，圆周轨道半径达到最大并获得最大的能量，在该点处粒子将被束流提取装置提取引出。若粒子的质量为m，所带电荷为q，所具有的运动速度为v，运动方向垂直于磁感应强度为B的磁力线，粒子受到垂直于v和B的劳仑兹（Lorentz）力的作用，使粒子沿着曲率半径为r的轨道作圆周运动。不同能量的离子在等时性磁场中沿各自的平衡轨道运行时，其回旋的周期与高频电场的周期相等。已知，一个带电量为q的粒子在磁场B中的回旋频率为可见，只要磁感应强度和粒子质量之比B/m为常数，则粒子的回旋频率也是一个常数。当D电极上加频率为fD、振幅为Va的高频电压，若磁感应强度B满足共振条件，即，粒子的回旋运动完全与电场的周期变化同步；在加速的相位下注入的粒子每穿越一次电场将得到一次加速，我们称这样的加速方式为共振加速。在这种状态下，粒子每旋转一圈被加速二次，直至达到终能量为止。因此，经回旋n圈之后，粒子得到的总动能E为其中是粒子进入电场的初始相位，在加速过程中，随着能量的增高，离子的轨道半径不断扩展。在非相对论的情况下，轨道半径r与动能E的关系为 式中A为粒子的质量数，r，B，E的单位分别为m，T，MeV。上式可以给出粒子达到终能量E时的轨道半径r并由此估计磁极的大小。上式也可以换写成每核子动能E/A的表达式： 其中称为回旋加速器的能量常数，其值可由求得，它用来表征一台回旋加速器的最高能量。粒子的能量、磁场强度和粒子轨道半径是加速器的三个主要参数相同q/m的不同粒子，如氘核和氦核，用相同射频（RF）和磁场强度，可以加速到相同的速度，而氘核的动能是氦核动能的一半。在回旋加速器中，为了加速质子达到与氘核相同的速度，往往在设计中使磁场强度B减低一半。加速所需的高频频率F和磁场强度B取决于粒子的质量和带电电荷q。通常根据所需的核反应能量及粒子的质量来设计加速电场频率和磁场强度。但随着粒子旋转速度的提高和能量的增加，相对论作用使得粒子质量将不再是一个常数，即mm0，当粒子的速度增加时，它的相对质量（Relativistic mass）也增加。因此，在匀强磁场中其旋转周期也不是一个常数，并且粒子会逐渐进入减速状态。因此，为了使粒子获得较高的能量，或增加磁场强度或改变F，这在一个普通的回旋加速器中是不可能达到的，而且质子在这样的回旋加速器中是不可能被加速到20MeV以上。所以传统的回旋加速器只能加速粒子到一定的能量。为此出现了等时性回旋加速器或调频加速器。在回旋加速器中，带电粒子经多次加速后，圆周轨道直径达到最大而接近Dees的边缘并具有最大的能量，在该点粒子被束流提取装置提取出。一个粒子从回旋加速器中心飞行到提取装置的总时间约为5ms。在PETtrace回旋加速器中，质子达到16.5MeV的能量约飞行200圈，氘核达到8.5MeV的能量约飞行80圈。质谱仪工作原理质谱仪是一种分析各种同位素并测量其质量及含量百分比的仪器。当一束带电的原子核通过质谱仪中的电场和磁场时，凡其荷质比不相等的，便被分开。S1和S2为两个狭缝，从离子源引出的离子受到施于S1及S2间的电位差，在通过S1的匀强磁场区。进入磁场时的速度由下式决定。正离子在这一磁场中运动时其轨道如图中所示半径为r的圆。当离子走过一半圆而抵达照相底片P时会在它上面留下痕迹。由轨道半径r=mv/qB（见洛仑兹力），得合并(1)、(2)式，消去v，即得因为V、B及r可直接测量得到，所以如果我们能够用其他方法决定离子所带的电荷q，则由上式便可求出离子的质量。我们可以用质谱仪将电荷相同而质量不同的离子分开。科学家应用这种仪器在1920年左右发现了同种化学元素的原子其质量可以不相同；这些质量不同的同一种元素的原子被称为同位素。汤姆逊首先利用电磁场测定电子的荷质比的原理，同样可运用到带正电的离子，从荷质比很容易算出该离子的质量。正离子通常带电量等于一个电子（称为单电荷离子）。但有时也带有两个、三个甚至四个电子电量（称为多电荷离子）。目前应用的质谱仪是非常精确的仪器，它不但可以测量出每种同位素之准确质量，并可测定每种同位素在元素中所占的百分比。如将这种仪器略加修改，也可应用到同位素分离。质谱仪的形式很多，但所应用的主要原理及结构却大同小异。图3-32所示是一台现代用质谱仪的主要装置部分。这装置是在真空中，正离子流自离子源引出经过窄隙S进入一曲圆形之电场C1C2，调节C1C2之间的电压，可选择一定能量之正离子，这些正离子随着电场之形状弯曲90而进入一个半圆形的匀强磁场中，磁场的方向与图面垂直且指向纸内，进入磁场之正离子受磁力作用而沿半圆形轨道进行。因正离子e/m之大小不同，轨道形成大小不等的半圆。分别落在底片上的不同位置也就是说元素将按其质量大小的顺序而排列，故称之为“质谱”