带电粒子在匀强磁场中运动的应用.ppt

带电粒子在磁场中的运动。带电粒子以平行于和垂直于磁场方向的初始速度进入均匀磁场。它在磁场中做什么运动？“平行”入口：匀速直线运动，“垂直”入口：匀速圆周运动。如果带电粒子的质量是m，电荷量是q，粒子以垂直于磁场的初速度v进入均匀磁场，磁场的磁感应强度称为b。半径和周期是多少？半径与速度成正比，周期与速度无关！回顾带电粒子在均匀磁场中的运动例1:质量为m、电荷量为q的粒子从容器下的小孔S1浮入一个电势差为u的加速电场中，其初始速度几乎为零，然后沿垂直于磁场的方向通过S3进入磁感应强度为b的均匀磁场，最后击中照相底片d。(1)找出粒子进入磁场的速度。(2)求出在磁场中运动的粒子的轨道半径。不同的可见半径意味着不同的电荷，这意味着它们是不同的粒子。1.质谱仪示意图。1.质谱仪。1.结构。1.带电粒子注射器。2.加速电场。3.速度选择器(E，B1)。4.偏转磁场(B2)。5.摄影底片。2.原则。质谱仪是分析同位素、确定带电粒子的具体电荷和确定带电粒子质量的重要工具。你怎么知道核桃里面有什么？学生讨论：用锤子砸开它。思考和讨论，我们怎样才能知道原子核内的情况呢？答：高能粒子被用作轰击原子核的“外壳”。我们如何得到高能粒子？电场加速带电粒子。电场引起的问题加速了粒子。一般来说，我需要轰击原子核的粒子能量非常高，也就是说，需要一个高速粒子。从上面可以看出，所需的粒子速度越高，加速电压越高。假设多个电场加速，金属圆柱体中的场强为零，粒子在圆柱体中以均匀的直线运动，并在圆柱体之间的间隙中加速。线性加速器如图所示，线性加速器在线性装置上加速粒子。电源是交流电源。当离子通过每个圆柱体的时间为t=T/2时，离子每次通过圆柱体之间的间隙时都有可能被加速。思考一下，早期的加速器在高压电场中只能加速带电粒子一到两次，因此粒子所能达到的能量受到高压技术的限制。此外，为了使带电粒子达到非常高的速度，它们必须经历多次加速。因此，线性加速器通常体积很大。线性加速器，世界上最大的线性加速器：斯坦福大学线性加速器、2英里长的线性加速器管、2英里长的线性加速器管和多级线性加速器。缺点：1。加速器装置长，占地面积大；成本非常高。我们能不能建造一个加速器，让粒子在一个小空间里被加速很多次，以获得所需的能量？1932年，美国科学家劳伦斯发明了回旋加速器，它巧妙地应用了带电粒子在磁场中的运动特性来解决这个问题。为此，劳伦斯获得了1939年诺贝尔物理学奖。直线加速器的缺点：体积通常很大，占地面积也很大。回旋加速器，结构：D形盒，强电磁铁，交流电源，粒子源和引出装置用途：加速粒子获得高能粒子，回旋加速器演示，力和运动分析，在D形盒(电场被屏蔽)中，粒子只受洛伦兹力作用，匀速圆周运动，运动周期恒定，在两个盒的狭缝之间，不考虑磁场的作用，只考虑电场力的作用，粒子在电场力的作用下加速运动。电场作用：加速带电粒子；磁场作用：带电粒子的偏转；加速条件：交流电的周期等于，原理，1，带电粒子在两个D盒中回旋的周期等于两个盒狭缝之间高频电场的变化周期，粒子经过一个周期后，被电场加速了多少倍？如果加速电压为U，粒子的电量为Q，那么每次加速所增加的动能为，探索1:粒子在回旋加速器中的运动时间；3.如果粒子的电量是Q，最终能量是E，加速电压是U，那么圈数是，4。如果每个加速度的电压都是U，那么带电粒子在狭缝之间的运动是什么样的运动呢？具有零初始速度的均匀加速度线性运动，勘探，5。d盒的半径是r，两个盒之间的距离是d，质子在电场中的加速时间与在半圆回转中的加速时间相同，加速电压的大小可以视为不变。比较：质子在电场中的加速时间和质子在d盒中的运动时间是，而在d盒中的回转时间是，分析：将质子的最终速度设为v，加速时间设为n，因为r远大于d，因此，粒子在电场中的运动时间可以忽略。比较：结论：粒子在加速器中的总运动时间为t=nT/2，n为加速数，电场中的加速时间为，分析；对于同一回旋加速器，粒子回旋加速器的最大半径相同(回旋加速器的最大半径等于D盒的半径)，最大半径为R，最终能量为e。结论：粒子的最终能量与加速电压无关，与最大回旋半径有关。加速电压的水平只会影响加速次数，不会影响加速后的最大动能。摘要：回旋加速器，1。加速电场的周期等于回旋周期(交流电源的频率等于粒子匀速圆周运动的频率)。粒子在电场中移动的时间比在磁场中移动的时间少得多，因此粒子在回旋加速器中移动的总时间可以认为等于粒子在磁场中移动的时间。在确定粒子的质量和电荷量的情况下，粒子所能达到的最大动能只与D盒的半径R和磁感应强度B有关，而与加速电压U无关。(3)粒子匀速圆周运动的最大半径是D盒的半径，(3)回旋加速器的限制。如果D形盒的半径是R，粒子可以获得的最大速度是Vmax=Brq/m。为了获得粒子的更高能量，加速电磁铁的重量和D形盒的直径通常增加。然而，由于相对论效应，当粒子的速度太大时，m不再是常数，因此回旋共振周期将随着粒子速度的增长而增加。如果施加在D盒两极的交变电场的频率是恒定的，粒子不可能无限加速，因为每次都有点晚。回旋加速器将粒子能量加速到20兆电子伏。对于线性多级加速器，上述困难并不存在，因为粒子是在线性装置上加速的。这种多级装置过去是无条件建造的，但现在已经建造了几公里到几十英里，将粒子能量加速到2000GeV。为了将带电粒子加速到更高的能量，人们还设计了各种类型的新型加速器，如同步加速器、电子感应加速器、串列加速器、电子对撞机等。世界著名的粒子加速器、世界上最大的线性加速器、马克2号探测器、退役的斯坦福线性对撞机的臂、对撞机实验大厅、欧洲同步加速器(左)和大型强子对撞机(LHC)位于日内瓦郊区瑞士-法国边界下的一个27公里长的圆形隧道中。欧洲粒子物理中心(CERN)，在建粒子加速器(左)，粒子加速器透视图，北京正负电子对撞机：使电子束能量达到约3GeV，美国费米加速器实验室，欧洲大型强子对撞机(LHC)是世界上最大的粒子加速器，建在瑞士边境地区地下100米的圆形隧道内在浩瀚的知识海洋中，有许多未知的岛屿在等着我们。回旋加速器D盒的中心是质子流，D盒之间的交流电压为U=2104 V，静止质子被电场加速后进入D盒，最大轨道半径R=1m，磁场的磁感应强度=0.5T，质子质量M=1.6710-19C。问：(1)质子通过回旋加速器的最终动能是多少？它加速了多少次？(2)交流电源的频率是多少？动