Question

（10分）回旋加速器是用來加速帶電粒子的裝置，圖中為回旋加速器的示意圖。D₁、D₂是兩個中空的鋁制半圓形金屬扁盒，在兩個D形盒正中間開有一條狹縫，兩個D形盒接在高頻交流電源上。在D₁盒中心A處有粒子源，產生的帶正電粒子在兩盒之間被電場加速后進入D₂盒中。兩個D形盒處于與盒面垂直的勻強磁場中，帶電粒子在磁場力的作用下做勻速圓周運動，經過半個圓周后，再次到達兩盒間的狹縫，控制交流電源電壓的周期，保證帶電粒子經過狹縫時再次被加速。如此，粒子在做圓周運動的過程中一次一次地經過狹縫，一次一次地被加速，速度越來越大，運動半徑也越來越大，最后到達D形盒的邊緣，沿切線方向以最大速度被導出。已知帶電粒子的電荷量為q，質量為m，加速時狹縫間電壓大小恒為U，磁場的磁感應強度為B，D形盒的半徑為R，狹縫之間的距離為d。設從粒子源產生的帶電粒子的初速度為零，不計粒子受到的重力，求：

（1）帶電粒子能被加速的最大動能E_k；

（2）帶電粒子在D₂盒中第n個半圓的半徑；

（3）若帶電粒子束從回旋加速器輸出時形成的等效電流為I，求從回旋加速器輸出的帶電粒子的平均功率。

 

Answer 1

【答案】

（1）  （2）  （3）

【解析】

試題分析：（1）帶電粒子在D形盒內做圓周運動，軌道半徑達到最大時被引出，此時帶電粒子具有最大動能，設離子從D盒邊緣離開時的速度為。

依據牛頓第二定律

所以帶電粒子能被加速的最大動能       （2分）

（2）帶電粒子在D₂盒中第n個半圓是帶電粒子經過窄縫被加速2n-1次后的運動軌道，

設其被加速2n-1次后的速度為

由動能定理得               （2分）

此后帶電粒子在磁場中做勻速圓周運動，半徑為

由牛頓第二定律得            （1分）

             （1分）

（3）設在時間t內離開加速器的帶電粒子數N，則正離子束從回旋加速器輸出時形成的的等效電流，解得

帶電粒子從回旋加速器輸出時的平均功率    （4分）

考點：回旋加速器