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在高能物理研究中,粒子加速器起著重要作用,而早期的加速器只能使帶電粒子在高壓電場中加速一次,因而粒子所能達到的能量受到高壓技術的限制.1930年,Earnest O.Lawrence博士提出了回旋加速器的理論,他設想用磁場使帶電粒子沿圓弧形軌道旋轉,多次反復地通過高頻加速電場,直至達到高能量,圖甲為他設計的回旋加速器的示意圖.它由兩個鋁制D型金屬扁盒組成,兩個D形盒正中間開有一條狹縫,兩個D型盒處在勻強磁場中并接有高頻交變電壓.圖乙為俯視圖,在D型盒上半面中心S處有一正離子源,它發出的正離子,經狹縫電壓加速后,進入D型盒中,在磁場力作用下運動半周,再經狹縫電壓加速;為保證粒子每次經過狹縫都被加速,應設法使交變電壓的周期與粒子在狹縫及磁場中運動的周期一致.如此周而復始,最后到達D型盒的邊緣,獲得最大速度后被束流提取裝置提取.設被加速的粒子為質子,質子的電荷量為q,質量為m,加速時電極間電壓大小恒為U,磁場的磁感應強度為B,D型盒的半徑為R,狹縫之間的距離為d,質子從離子源出發時的初速度為零,分析時不考慮相對論效應.

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(1)求質子經第1次加速后進入一個D形盒中的回旋半徑與第2次加速后進入另一個D形盒后的回旋半徑之比;
(2)若考慮質子在狹縫中的運動時間,求質子從離開離子源到被第n次加速結束時所經歷的時間;
(3)若要提高質子被此回旋加速器加速后的最大動能,可采取什么措施?
(4)若使用此回旋加速器加速氘核,要想使氘核獲得與質子相同的最大動能,請你通過分析,提出一個簡單可行的辦法.
(1)設質子經過窄縫被第n次加速后速度為vn,由動能定理  nqU=
1
2
m
v2n
   ①
第n次加速后質子在磁場中做勻速圓周運動的半徑為Rn,由牛頓第二定律 Bqvn=
m
v2n
Rn
  ②
由以上兩式解得 Rn=
mvn
qB
=
n?mqU
qB

則 
R1
R2
=
1
2
=
2
2
       
(2)由牛頓第二定律  
qU
d
=ma
    ③
質子在狹縫中經n次加速的總時間  t1=
vn
a
        ④
聯立①③④解得電場對質子加速的時間  t1=
2nm
qU

質子在磁場中做勻速圓周運動的周期 T=
2πm
qB
    ⑤
粒子在磁場中運動的時間  t2=(n-1)
T
2
    ⑥
聯立⑤⑥解得  t2=
(n-1)πm
qB

故質子從離開離子源到被第n次加速結束時所經歷的時間
t=t1+t2=
2nm
qU
+
(n-1)πm
qB

(3)設質子從D盒邊緣離開時速度為vm 則:Bqvm=
m
v2m
R
     ⑦
質子獲得的最大動能為  EKm=
1
2
m
v2m
=
q2B2R2
2m
      ⑧
所以,要提高質子被此回旋加速器加速后的最大動能,可以增大加速器中的磁感應強度B. 
(4)若加速氘核,氘核從D盒邊緣離開時的動能為Ek′則:Ek′=
q2
B21
R2
2×2m
=Ekm
    ⑨
聯立⑧⑨解得  B1=
2
B    即磁感應強度需增大為原來的
2
倍                      
高頻交流電源的周期T=
2πm
qB
,由質子換為氘核時,交流電源的周期應為原來的
2
倍.  
答:(1)質子經第1次加速后進入一個D形盒中的回旋半徑與第2次加速后進入另一個D形盒后的回旋半徑之比
2
2

(2)質子從離開離子源到被第n次加速結束時所經歷的時間t=
2nm
qU
+
(n-1)πm
qB

(3)要提高質子被此回旋加速器加速后的最大動能,可以增大加速器中的磁感應強度B;
(4)若使用此回旋加速器加速氘核,即磁感應強度需增大為原來的
2
倍,交流電源的周期應為原來的
2
倍.
練習冊系列答案
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科目:高中物理 來源: 題型:

(2003?肇慶模擬)高能物理在現代高科技活動中具有廣泛的應用,如微觀粒子的研究、核能的生產等.粒子加速器是實現高能粒子的主要途徑.如圖所示為一環形粒子加速器的示意圖,圖中實線所示為環形區域內存在垂直紙面向外的大小可調節的勻強磁場,質量為m、電量為q的帶正電粒子在環中做半徑為R的圓周運動.A、B為兩塊中心開有小孔的極板,原來電勢都為零,每當粒子飛經A板時,A板的電勢升高為+U,B板電勢保持為零,粒子在電場中一次次被加速而動能不斷增大,但繞行半徑R始終保持不變.
(1)設t=0時,粒子靜止在A板小孔處,在電場作用下開始加速、并繞行一圈.求粒子繞行n圈回到A板時獲得的總動能?
(2)為使粒子始終保持在半徑為R的圓軌道上運行,磁場必須周期性遞增,求粒繞行第n圈時,磁感應強度Bn應為多少?
(3)求粒子繞行n圈所需的總時間t(粒子通過A、B之間的時間不計)
(4)若粒子通過A、B的時間不可忽略不計,請在右面的坐標系中定性畫出A板電勢隨時間t變化的圖象(要求從t=0起到粒子第三次離開B板時止.不要求計算具體的時間)

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(1)設t=0時,粒子靜止在A板小孔處,在電場作用下開始加速、并繞行一圈.求粒子繞行n圈回到A板時獲得的總動能?
(2)為使粒子始終保持在半徑為R的圓軌道上運行,磁場必須周期性遞增,求粒繞行第n圈時,磁感應強度Bn應為多少?
(3)求粒子繞行n圈所需的總時間t(粒子通過A、B之間的時間不計)
(4)若粒子通過A、B的時間不可忽略不計,請在右面的坐標系中定性畫出A板電勢隨時間t變化的圖象(要求從t=0起到粒子第三次離開B板時止.不要求計算具體的時間)

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