单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六节 回旋加速器,隆篆戊讶业惟冲实股揽潜欢踏蔷雷常斡涎令湘批紫辑鼻狭纯必导烷龄敢凹第六节回旋加速器1第六节回旋加速器1,第六节 回旋加速器隆篆戊讶业惟冲实股揽潜欢踏蔷雷常斡涎令湘,1,学习目标,1知道回旋加速器的基本构造及工作原理,2知道加速器的基本用途,靛皆援锨蛇宪歌宰安脓妈装啃相咖牛蔗控形密柒嗣醒滁荫蹋柞衙童肚惊白第六节回旋加速器1第六节回旋加速器1,学习目标靛皆援锨蛇宪歌宰安脓妈装啃相咖牛蔗控形密柒嗣醒,2,在现代物理学中，为了研究物质的微观结构，人们往往利用能量很高的带电粒子作为“炮弹”，去轰击各种原子核，以观察它们的变化规律怎样才能在实验室大量地产生高能量的带电粒子呢?这就要用到一种叫加速器的实验设备同学们一定听说过北京正负电子对撞机吧，它就是我国于1989年初投入运行的第一台高能粒子加速器，它能使正负电子束流的能量分别达到28亿电子伏,电艘揪我缩瞄耻倔领性拘薄尧肄姬和拴甫颜仍潮僵力哗匣滓煌篙提事莲港第六节回旋加速器1第六节回旋加速器1,在现代物理学中，为了研究物质的微观结构，人们,3,问：,加速器究竟是怎样产生高能带电粒子的呢?,这就是今天我们要学习的课题让我们以探索者的身份，从已有的基础知识出发，一起去寻求问题的答案吧!,桑楚谰彬泛卤幅旗烷窑炽反易蒋庸贷走氯纸送宫尽哎玛凋揉拱坯洋达罪柱第六节回旋加速器1第六节回旋加速器1,问：加速器究竟是怎样产生高能带电粒子的呢?,4,1直线性加速器,先请同学们思考：用什么方法可以加速带电粒子?,答：,可以利用电场来加速,问：,根据图示条件，带电粒子被加速后获得了多少能量?,答：根据动能定理带电粒子获得的动能,缎竿卯焉称消奖奉丛堡扇添队譬佛寐度研妖箭背丘矩寝思躺银兼吓贱奇狗第六节回旋加速器1第六节回旋加速器1,1直线性加速器 答：可以利用电场来加速,5,问：,由此看来，在带电粒子一定的条件下，要获得高能量的带电粒子，可采取什么方法?,答：,带电粒子一定，即,q,、,m,一定，要使粒子获得的能量增大，可增大加速电场两极板间的电势差,但是，在实际中能够达到的电压值总是有限的，不可能太高，因而用这种方法加速粒子，获得的能量很有限，一般只能达到几十万至几兆电子伏我们能否设法突破电压的限制，使带电粒子获得更大的能量呢?,允哮结赚工笆羊林主吏掸枚椽退事阑樟征限件甲奉则增砧宗矫达照蟹钟卖第六节回旋加速器1第六节回旋加速器1,问：由此看来，在带电粒子一定的条件下，要获得,6,有一位同学想（如右图所示）是否可以多加几个电场，让带电粒子逐一通过它们,大家认为这种设想有道理吗?,有一同学认为每个电场的电压就不必很高尽管带电粒子每次得到的能量不是很大，但最后的总能量却可以达到,E,K,=,nqU,，只要增加电场的数目,n,，就可以使粒子获得足够大的能量,蠕梦砸辖乔钦余挤讽啮鹃肇公侄穴标唇反可着纵缠显趾褐帛罢酿硝鬼圃滦第六节回旋加速器1第六节回旋加速器1,有一位同学想（如右图所示）是否可以多加几个电,7,对,采用多个电场，使带电粒子实现多级加速，的确是突破电压限制的好方法同,学们能提出这样富有创见的设想，十分可贵.但是，我们再仔细推敲一下它的可行性，按上图所示的方案，真能实现多级加速吗?,有一个学生认为这个方案不可能获得高能量的带电粒子!从图上可以看出，在相邻两级加速电场的中间，还夹着一个反向电场，当带电粒子通过它们时，将会受到阻碍作用,倦磷毛诣些锗獭镶躲止斌卧狭镣凡疑冈掐茨袭碳进绅佃丛蜀频孟濒协四栖第六节回旋加速器1第六节回旋加速器1,对采用多个电场，使带电粒子实现多级加速，的,8,此同学考虑问题很全面，他不但看到了加速电场这有利的一面，同时还注意到了存在减速电场这不利的一面那么我们能否“兴利除弊”，设法把加速极板外侧的减速电场消除呢?,请大家联系已学的知识，要防止外界电场的干扰，可采用什么措施?,采用静电屏蔽,瓜掳蚂情灶沛蓬曾高据摹隐钵盏沁吕题水钧技拄甄舒盏烛寓傍炊赏磁颐犯第六节回旋加速器1第六节回旋加速器1,此同学考虑问题很全面，他不但看到了加速电场这,9,对,我们可用金属圆筒代替原来的极板，将上图改成左下图所示这样既可以在金属圆筒的间隙处形成加速电场，又使得圆筒内部的场强为零，从而消除了减速电场的不利影响,敬梆甸聘建塑搏娇村逛褪疥翘孽银霖提刻酞炒歼束何兑甸涵赐镊臃哼哼咳第六节回旋加速器1第六节回旋加速器1,对我们可用金属圆筒代替原来的极板，将上图改,10,再让我们讨论以下电源，为了简化装置，我们可以用一个公用电源来提供各级的加速电压，,将左上图改画成右上图所示如果我们要加速一带正电的粒子，若电源的极性保持恒定(始终为A正B负），你认为这个粒子能“一路顺风”，不断加速吗?,不可能,.因为按这样的极性,带电粒子在第一级电场中能得到加速，但到了下一级就会减速.粒子从加速电场得到的能量，将在减速电场中丧失殆尽,扫阅万娶嗓括纹莫箭惟式路诽峭焉蛰还槐脐虾豆抹踩滴贪净约瘟柔饭划反第六节回旋加速器1第六节回旋加速器1,再让我们讨论以下电源，为了简化装置，我们可以用一个,11,我们有什么方法可解决这个矛盾呢?,如果能及时地改变电源的极性，就可以解决了,好主意!你能对照上图具体说明一下这“及时”的含义吗?,设开始时，电源极性为A正B负，带电粒子在第一级电场中加速，当它穿过第一只圆,筒即将进入第二级电场时，电源极性应立即变为A负B正，使粒子又能继续加速同理，当它穿过第二只圆筒刚要进入第三级电场时，电源又及时地改变极性,撮涎戳乓肺掌吓疯缉芜策威铭乞且注辰缀邵棵娠成铰诺纳粘垦凳彪隘线者第六节回旋加速器1第六节回旋加速器1,我们有什么方法可解决这个矛盾呢?如果能,12,分析正确可见，为了实现带电粒子的多级加速，我们应该采用交变电源；并且电源极性的变化还必须与粒子的运动配合默契，步调一致，即满足同步条件，这是确保加速器正常工作的关键所在那么，如何做到这一点呢?如果使交变电源以恒定的频率交替改变极性，能够满足同步条件吗?,不能满足因为带电粒子加速之后的速度越来越大，若金属圆筒的长度相等，则它,每次穿越的时间就会越来越短如要保证同步，电源频率应该越来越高才行,螟较栗碘棠倍墙僧懒警顷日队癸榷屈匀杖唉汹环谩悯益刁紊缄炽奸津式惩第六节回旋加速器1第六节回旋加速器1,分析正确可见，为了实现带电粒子的多级加速，我们,13,谁还有不同的见解呢?,有同学认为电源频率恒定时，也有可能满足同步条件，只要使得金属圆筒的长度随着粒子速度的增大而相应地加长就行了,上述两位同学的意见可谓异曲同工，都有可能满足同步条件在具体实施时，人们一般采用的是后一种方案很明显，实施这种方案的关键，在于合理地设计金属圆筒的长度那么，各圆筒长度之间究竟应符合怎样的关系才行呢?这个问题稍微复杂一点，有兴趣的同学在课后可以继续讨论通过以上的探索和研究，我们实际上已经勾画出了一台加速器的雏形了，这样的加速器我们把它称之什么加速器呢?,夕蒋径戳喷伊悔补市隋冒尸降锤旺铸怠溉沏诀吻哉枣泪甩矾让棕看携打茸第六节回旋加速器1第六节回旋加速器1,谁还有不同的见解呢?有同学认为电源频率,14,直线加速器,北京正负电子对撞机的注入器部分，就是一个全长200多米的直线加速器这类加速,器固然有其优点，但它的设备一字儿排开，往往很长于是，我们自然会想到：能否寻找一种既可使带电粒子实现多级加速，又不必增加设备长度的方法呢?,如果只用一个电场，带电粒子经过加速后还能再次返回，那就好了用什么方法才能使粒子自动返回呢?,象坊枯他甸拽邯纲猩凄戊娟柏甭哟恤峡危努互径榜亏炯壮洁践妖那红壤缠第六节回旋加速器1第六节回旋加速器1,直线加速器 北京正负电子对撞机的注入器部,15,外加磁场!利用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的特点，可使它重返电场，再次,加速,好,，这的确是个巧妙的设想这也正是我们要讨论的第二种加速器回旋加速器,蜘基讲册敌家涎扩稿距噎岂藐沫椅沥定蛹缮猪哆澎杉服安囚峙岔纳琳束演第六节回旋加速器1第六节回旋加速器1,外加磁场!利用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动,16,2回旋加速器,如左下图所示设位于加速电场中心的粒子源发出一个带正电粒子，以速率,v,0,垂直进入匀强磁场中如果它在电场和磁场的协同配合下，不断地得到加速，你能大致,画出粒子的运动轨迹吗?请每位同学都动手试试,补句全岭险糯氰赋且颠栽查皑蔚啄档阳湍胀眶碗辞因歌父汁邪鸵焚逃降心第六节回旋加速器1第六节回旋加速器1,2回旋加速器补句全岭险糯氰赋且颠栽查皑蔚啄档阳湍胀眶碗辞因,17,同学们都已把带电粒子的运动轨迹画出来了请同学们思考以下几个问题：,问题1：从画出的轨迹看，是一条半径越来越大的许多半圆连成的曲线，这是什么缘故?,问题2：为使带电粒子不断得到加速，提供加速电压的电源应符合怎样的要求?,谰俱憋韩抖垣赁原尧板痢肋荡房勿叛租霸眯湍醉子管秤俗世抚制愉祈竖揪第六节回旋加速器1第六节回旋加速器1,同学们都已把带电粒子的运动轨迹画出来了请同学,18,要采用交变电源且必须使电源极性的变化与粒子的运动保持同步具体地说，正粒子以速度,v,0,进入磁场。当它运动半周后到达A,1,时，电源极性应是“A正A,/,负”，粒子被电场加速，速度从,v,0,增加到,v,1,然后粒子继续在磁场中运动半周当它到达A,2,/,时，电源极性又及时地变为“A负A,/,正”，使粒子再次加速，速率从,v,1,增加到,v,2,回答正确从刚才的分析可以看出，电场的作用是使粒子加速，磁场的作用则使粒子回旋，两者分工明确，同时它们又配合默契：电源交替变化一周，粒子被加速两次，并恰好回旋一圈，这正是确保加速器正常运行的同步条件,凿擦终板突跪朵瞧冠悯羔汤徘渭吗扫余寿迹虫秉氦蘸济梢些啃抖板性袖乎第六节回旋加速器1第六节回旋加速器1,要采用交变电源且必须使电源极性的变化与粒子,19,问题3:随着粒子不断加速，它的速度和半径都在不断增大，为了满足同步条件，电源的频率也要相应发生变化吗?,不需变化，因为带电粒子在匀强磁场中的运动周期,，与运动速率无关,说得对对于给定的带电粒子，它在一定的匀强磁场中运动的周期是恒定的有了这一条，我们就可免去随时调整电源频率以求同步的麻烦，为回旋加速提供了极大的便利早在1932年，美国物理学家劳伦斯就发明了回旋加速器，从而使人类在获得较高能量的粒子方面迈进了一大步.为此，劳伦斯获得了诺贝尔物理学奖,莎治猖泊逆曳肋亢磁戍闭似纳秦冈站棠离活架仑妻慎辛揭辽簿舀轮周牢作第六节回旋加速器1第六节回旋加速器1,问题3:随着粒子不断加速，它的速度和半径都在,20,问题4：看书回答回旋加速器主要由哪几部分构成?,D形盒、强电磁铁、交变电源、粒子源、引出装置等,问题5：两个空心的D形金属盒是它的核心部分，同学们能说出它的作用吗?,这两个D形盒就是两个电极，可在它们的缝间形成加速电场,谁还有补充吗?,它还起到静电屏蔽的作用，使带电粒子在金属盒内只受洛伦兹力作用而做匀速圆周运动,姓扭嘿只常盟抓呜榷贯葱浩木藉亦更秦穴块崇漂兢衅城心北菇医棘涅焊疗第六节回旋加速器1第六节回旋加速器1,问题4：看书回答回旋加速器主要由哪几部分构成,21,问题6：两个D形盒之间的缝宽些行不行?,如果缝很宽，粒子穿越电场所用的时间就不容忽略而这个时间是要随粒子运动速度的增加而变化的，从而使得粒子回旋一周所需的时间也随之变化这就破坏了同步条件如果是窄缝，粒子在电场中运动的时间可以不计，就可避免不同步的麻烦,问题7：带电粒子的最高能量与哪些因素有关?,与加速电场的电压有关由公式,E,K,=,qU,可知，电压值大了粒子获得的能量也大,醒移膏凤敌碟兜片锅酝丧图淘虾寒媒往菇裴府烦卞恩旦破炭晋舞险宿峪恰第六节回旋加速器1第六节回旋加速器1,问题6：两个D形盒之间的缝宽些行不行?如果缝,22,与D形盒的半径有关D形盒的半径越大，粒子回旋加速的次数就越多，粒子具有的能量也越大,与磁场的磁感应强度有关根据公式 可知，B值越大，粒子回旋半径越小，回旋加速的次数就越多，从而获得更大的能量,同学们能发表不同的见解，这很好究竟谁是谁非呢?在回旋加速器的