回旋加速器.ppt

第六节第六节 回旋加速器回旋加速器高二物理组超灵敏小型回旋加速器早期的加速器只能使带电粒子在高压电场中加速一或两次，因而粒子所能达到的能量受到高压技术的限制。而且为了使带电粒子达到很高的速度，必然要经过多次加速。因此直线加速器得体积通常都较大一、直线加速器一、直线加速器Umq一级二级三级UUUn级粒子获得的能量：粒子获得的能量：E=nqU思考：有人认为只要使加速电压提高到足够大，就可思考：有人认为只要使加速电压提高到足够大，就可以避免因多级加速而使直线加速器长度过长，这种设以避免因多级加速而使直线加速器长度过长，这种设想可行吗？想可行吗？ 例例1：串列加速器是用来产生高能离子的装置。图中虚线框：串列加速器是用来产生高能离子的装置。图中虚线框内为其主体的原理示意图，其中加速管的中部内为其主体的原理示意图，其中加速管的中部b处有很高的正电处有很高的正电势势U，a、c两端均有电极接地（电势为零）。现将速度很低的负两端均有电极接地（电势为零）。现将速度很低的负一价碳离子从一价碳离子从a端输入，当离子到达端输入，当离子到达处时，可被设在处时，可被设在处的特处的特殊装置将其电子剥离，成为殊装置将其电子剥离，成为n价正离子，而不改变其速度大小。价正离子，而不改变其速度大小。这些正这些正n价碳离子从价碳离子从c端飞出后进入一与其速度方向垂直的、磁端飞出后进入一与其速度方向垂直的、磁感应强度为感应强度为B的匀强磁场中，在磁场中做半径为的匀强磁场中，在磁场中做半径为R的圆周运动。的圆周运动。已知碳离子的质量为已知碳离子的质量为m=2.010-26kg，U=7.5105V，B=0.50T，n=2，基元电荷，基元电荷e=1.610-19C，求，求R。解：设碳离子到达解：设碳离子到达b处时的速度为处时的速度为v1 从从c端射出时的速度为端射出时的速度为v2， 由由动能定理动能定理得：得： eU = mv12/2， neU = mv22/2 mv12/2， 进入磁场后，碳离子做圆周运动，进入磁场后，碳离子做圆周运动， R=mv2/Bne，得，得abc加速管加速管abC 加速管 加速管menmUBnR75. 0121回旋加速器的主要结构是在磁极间的真空室内有两个半圆形的金属扁盒（D形盒）隔开相对放置，D形盒上加交变电压，其间隙处产生交变电场。置于中心的粒子源产生带电粒子射出来，受到电场加速，在D形盒内不受电场，仅受磁极间磁场的洛伦兹力，在垂直磁场平面内作圆周运动。 如果D形盒上所加的变交电压的频率恰好等于粒子在磁场中作圆周运动的频率，则粒子绕行半圈后正赶上D形盒上极性变号，粒子仍处于加速状态。由于上述粒子绕行半圈的时间与粒子的速度无关，因此粒子每绕行半圈受到一次加速，绕行半径增大。经过很多次加速，粒子沿螺旋形轨道从D形盒边缘引出，能量可达几十兆电子伏特（MeV ） 回旋加速器回旋加速器二、回旋加速器二、回旋加速器V0V1V2V3V4V51、带电粒子在两、带电粒子在两D形盒中回旋周形盒中回旋周期等于两盒狭缝之间高频电场的期等于两盒狭缝之间高频电场的变化周期，粒子每经过一个周期，变化周期，粒子每经过一个周期，被电场加速二次被电场加速二次2、将带电粒子在狭缝之间的运动首尾连接起、将带电粒子在狭缝之间的运动首尾连接起来是一个初速度为零的匀加速直线运动来是一个初速度为零的匀加速直线运动3、带电粒子每经电场加速一次，回旋半径就增大一次，、带电粒子每经电场加速一次，回旋半径就增大一次， 每次增加的动能为每次增加的动能为 所有各次半径之比为：所有各次半径之比为：.3214、对于同一回旋加速器，其粒子的回旋的最大半径是相同的。、对于同一回旋加速器，其粒子的回旋的最大半径是相同的。5、回旋加速器的出现，使人类在获得具有较高能量的粒子的方面前进了一、回旋加速器的出现，使人类在获得具有较高能量的粒子的方面前进了一 大步，了解其它类型的加速器：大步，了解其它类型的加速器：直线加速器、同步加速器、电子感应加速器、串列加速器、电子对撞机等直线加速器、同步加速器、电子感应加速器、串列加速器、电子对撞机等qUKEmRqBmvEqBmv221R2222由最大半径得：qUEn2回旋周数：nTt 所需时间：那么如何使变交电压的频率恰好等于粒子在磁场中作圆周运动的频率变交电压的频率恰好等于粒子在磁场中作圆周运动的频率就是回旋加速器要解决的主要问题运动的带电粒子在磁场中所受的洛仑兹力为：F=Bqv带电粒子做圆周运动的向心力为：F=mv2 /R将两式联立得：mv2/R=Bqv R=mv/Bq则粒子做圆周运动的周期为：T=2R/v T=2m/Bq 由此可见，粒子运动的周期与其速度是无关的，我们只要每隔半个周期调整两极板间的电压方向，就可以实现对带电粒子的不断加速。这也是为什么要使用交流电的原因。 在上式中，若D形盒的半径为R，则粒子所能获得的最大速度为Vmax=BRq/m。为了使粒子获得较高的能量，通常要加大加速电磁铁的重量和D形盒的直径。 不过由于相对论的效应，当粒子的速度太大时，q/m不再是常量，从而回旋共振周期将随粒子的速率的增长而增长，如果加于D形盒两极的交变电场频率不变的话，粒子由于每次迟到一点而不能保证总被加速。上述回旋加速的理论就不再适用了。 对于同样的动能，质量愈小的粒子速率愈大，相对论效应也愈显著。因此回旋加速器更适用于加速较重的粒子，但其速率始终不能无限制的提高。 例例2：关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述，正：关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述，正确的是确的是( )A、电场和磁场都对带电粒子起加速作用、电场和磁场都对带电粒子起加速作用B、电场和磁场是交替地对带电粒子做功的、电场和磁场是交替地对带电粒子做功的C、只有电场能对带电粒子起加速作用、只有电场能对带电粒子起加速作用D、磁场的作用是使带电粒子在、磁场的作用是使带电粒子在D形盒中做匀速圆周运动形盒中做匀速圆周运动CD例3：回旋加速器D形盒中央为质子流，D形盒间的交变电压为U2104V，静止质子经电场加速后，进入D形盒，其最大轨道半径R1m，磁场的磁感应强度B0.5T，质子的质量m1.671019C。问：（1）质子经回旋加速器最后得到的动能是多大？共加速了多少次？（2）交变电源的频率是多大？动能：1.9210-12J次数6.0102频率：7.6106Hz 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。 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。 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。 质谱仪最重要的应用是分离同位素并测定它们的原子质量及相对丰度。 人类对于未知世界的探索，从未也永远不会有止境。在浩瀚的知识海洋中，还有很多未知的岛屿等着我们。