帶電粒子在勻強磁場中的運動一學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1帶電粒子在勻強磁場中的運動帶電粒子在勻強磁場中的運動(yndng)一一第一頁，共14頁。一、運動電荷在磁場(cchng)中的運動規(guī)律第1頁/共14頁第二頁，共14頁。F F洛洛=0 =0 勻速直線運動勻速直線運動(yndng)(yndng)F F洛洛=Bqv=Bqv勻速圓周運動勻速圓周運動(yndng)(yndng)F F洛洛=Bqv=Bqv等距螺旋等距螺旋(luxun)(luxun)（0 09090）V/BVBv與與B成成角角mVRqB2 mTqB在在只只有有洛洛侖侖茲茲力力的的作作用用下下一、運動電荷在磁場中的運動規(guī)律第2頁/共14頁第三頁，共14頁。垂直磁場方向垂直磁場方向(fn

2、gxing)(fngxing)：R Rmvsin/qB mvsin/qB T=2m/qBT=2m/qB平行磁場方向平行磁場方向(fngxing)(fngxing)：螺距：螺距 d d2mcos/qB2mcos/qB第3頁/共14頁第四頁，共14頁。超靈敏(ln mn)小型回旋加速器二、回旋二、回旋(huxun)加速器加速器第4頁/共14頁第五頁，共14頁。. .直線直線(zhxin)(zhxin)加速器加速器二、回旋二、回旋(huxun)加速器加速器原理：帶電粒子受電場力作用，當(dāng)場力對粒子做正功，使其獲得高能量缺點：電壓不可能無限(wxin)提高，特別是裝置的耐壓程度有一定的限制占有得空間范圍

3、大第5頁/共14頁第六頁，共14頁。回旋加速器的主要結(jié)構(gòu)是在磁極間的真空(zhnkng)室內(nèi)有兩個半圓形的金屬扁盒（D形盒）隔開相對放置，D形盒上加交變電壓，其間隙處產(chǎn)生交變電場。置于中心的粒子源產(chǎn)生帶電粒子射出來，受到電場加速，在D形盒內(nèi)不受電場，僅受磁極間磁場的洛倫茲力，在垂直磁場平面內(nèi)作圓周運動。 第6頁/共14頁第七頁，共14頁。 如果D形盒上所加的變交電壓的頻率恰好等于粒子在磁場中作圓周運動的頻率，則粒子繞行半圈后正趕上D形盒上極性變號，粒子仍處于加速狀態(tài)。由于上述粒子繞行半圈的時間與粒子的速度無關(guān)，因此粒子每繞行半圈受到一次加速，繞行半徑增大(zn d)。經(jīng)過很多次加速，粒子沿螺旋

4、形軌道從D形盒邊緣引出，能量可達(dá)幾十兆電子伏特（MeV ） 第7頁/共14頁第八頁，共14頁。那么如何使交變電壓的頻率(pnl)恰好等于粒子在磁場中作圓周運動的頻率(pnl)就是回旋加速器要解決的主要問題運動的帶電粒子在磁場中所受的洛侖茲力為：F=Bqv帶電粒子做圓周運動的向心力為：F=mv2 /R將兩式聯(lián)立得：mv2/R=Bqv R=mv/Bq則粒子做圓周運動的周期為：T=2R/v T=2m/Bq 由此可見，粒子運動的周期與其(yq)速度、半徑是無關(guān)的，我們只要每隔半個周期調(diào)整兩極板間的電壓方向，就可以實現(xiàn)對帶電粒子的不斷加速。這也是為什么要使用交流電的原因。第8頁/共14頁第九頁，共14頁

5、。. .工作工作(gngzu)(gngzu)原原理理第9頁/共14頁第十頁，共14頁。交變電壓交變電壓(diny)的周期帶電粒子在磁場中運動的周期的周期帶電粒子在磁場中運動的周期 T2m/Bq.設(shè)粒子被引出設(shè)粒子被引出D形盒前最后半周的軌道半徑為形盒前最后半周的軌道半徑為R， 則帶電粒子從加速器飛出時的速度為則帶電粒子從加速器飛出時的速度為Vmax=BqR/m. 引出(yn ch)速度只與磁感強度和D形盒半徑有關(guān)，與加速電壓無關(guān)。因為加速電壓只影響帶電粒子加速的總次數(shù)。 不過根據(jù)狹義相對論原理，粒子的質(zhì)量隨速度的增大而增大，如果加于D形盒兩極的交變電場頻率不變的話，粒子由于每次遲到一點而不能保

6、證總被加速。上述回旋加速的理論就不再(b zi)適用了。 對于同樣的動能，質(zhì)量愈小的粒子速率愈大，相對論效應(yīng)也愈顯著。因此回旋加速器更適用于加速較重的粒子，但其速率始終不能無限制的提高。第10頁/共14頁第十一頁，共14頁。三、質(zhì)譜三、質(zhì)譜儀儀.電場和磁場都能對帶電粒子施加影響，電場既能使帶電電場和磁場都能對帶電粒子施加影響，電場既能使帶電粒子加速，又能使帶電粒子偏轉(zhuǎn)；磁場雖不能使帶電粒粒子加速，又能使帶電粒子偏轉(zhuǎn)；磁場雖不能使帶電粒子速率變化，但能使帶電粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)子速率變化，但能使帶電粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn).質(zhì)譜儀：利用磁場對帶電粒子的偏轉(zhuǎn)，由帶電粒子的電質(zhì)譜儀：利用磁場對帶電粒子的偏轉(zhuǎn)，由帶電粒子的電荷量，軌道半徑荷量，軌道半徑(bnjng)確定其質(zhì)量的儀器，叫做質(zhì)譜確定其質(zhì)量的儀器，叫做質(zhì)譜儀儀第11頁/共14頁第十二頁，共14頁。3.3.質(zhì)譜儀的構(gòu)造質(zhì)譜儀的構(gòu)造(guzo)(guzo)帶電粒子注入器帶電粒子注入器加速電場（加速電場（U U）