1.4質譜儀與回旋加速器課件高二下學期物理人教版選擇性

質譜儀與回旋加速器第一章安培力與洛倫茲力人教版

選擇性必修第二冊我們知道，電場和磁場都可以對運動的帶電粒子施加力的作用，因此可以利用電場和磁場來控制帶電粒子的運動，粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的半徑與質量有關，如果B、v相同，m不同，則r不同，這樣就可以把不同的粒子分開。以便進一步分析其中所含物質的成分。本節(jié)課我們來認識兩種分析物質成分經常用到的儀器：質譜儀和回旋加速器。質譜儀是科學研究中用來分析同位素和測量帶電粒子質量的重要工具。質譜儀質譜儀主要由以下幾部分組成：①帶電粒子注入器②加速電場(U)③速度選擇器(B1、E)④偏轉磁場(B2)⑤照相底片質譜儀的構造一、質譜儀的工作原理1、質譜儀分析同位素r一、質譜儀的工作原理1、質譜儀分析同位素電荷量相同，質量不同的同位素，經同一電場U0加速后，經S3孔進入勻強磁場，由于其圓周運動的軌道半徑不同，就會打在照相底片D的不同位置，出現(xiàn)一系列的譜線（叫作質譜線）。例如：氕、氘、氚三種同位素（q相同，m不同）

2、質譜儀測粒子的比荷、質量①測比荷：

r（只需知道U0、r和B，即可求出比荷）②測質量：D思考：在粒子物理學的研究中，經常需要高能粒子做為“炮彈”去轟擊未知原子，以便“打開”其內部結構。那如何才能獲得需要的高能粒子呢？由于粒子在加速過程中的徑跡為直線，要得到較高動能的粒子，其加速裝置要很長。1932年物理學家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，實現(xiàn)了在較小的空間范圍內對帶電粒子進行多次加速。勞倫斯第一臺回旋加速器能不能設計一種既能實現(xiàn)多次加速，又能減少占地空間的加速器呢？如果帶電粒子在一次加速后又轉回來被第二次加速，如此往復“轉圈圈”式地被加速，加速器裝置所占的空間就會大大縮小。而磁場正好能使帶電粒子“轉圈圈”，于是，人們依據(jù)這個思路設計出了用磁場控制軌道、用電場進行加速的回旋加速器。認識回旋加速器回旋加速器由兩個中空的半圓金屬盒構成，兩盒之間留有狹縫，狹縫內有加速電場。粒子源產生的帶電粒子，在兩盒之間被電場加速。兩個半圓盒處于與盒面垂直的勻強磁場中，所以粒子在磁場中做勻速圓周運動。經過半個圓周之后，當粒子再次到達兩盒間的縫隙時，這時控制兩盒間的電勢差，使其恰好改變正負，于是粒子經過盒縫時再一次被加速。如此，粒子在做圓周運動的過程中一次一次地經過盒縫，而兩盒間的電勢差一次一次地改變正負，粒子的速度就能夠增加到很大。二、回旋加速器的工作原理1、回旋加速器的結構及原理①兩個D形盒區(qū)域加勻強磁場，實現(xiàn)對帶電粒子的偏轉（回轉）；②兩個D形盒之間狹縫區(qū)域加交變電場，實現(xiàn)對帶電粒子的加速。帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動的周期：當磁場恒定不變時，對一定的帶電粒子來說，這個周期是不變的，盡管粒子的速率和半徑一次比一次大，運動周期卻始終不變。想一想：考慮到帶電粒子每次在D形盒中轉半圈的時間都一樣，那么兩盒之間電勢差的正負應當如何變換呢？接高頻電源狹縫粒子源

思考：兩個D形盒之間縫隙的電場方向應該如何變換呢？如果在兩盒間加一個交變電場，使它也以同樣的周期往復變化，那就可以保證粒子每經過電場區(qū)域時，都正好趕上適合的電場方向而被加速。

想一想：在我們討論帶電粒子的回旋時間時，忽略了粒子在縫間的加速時間，為什么可以做這種忽略呢？想一想：回旋加速器加速不同比荷的帶電粒子，是否需要調整變化電場的周期?二、回旋加速器的工作原理2、粒子在磁場區(qū)域的運動周期和交變電場的周期接高頻電源狹縫粒子源

①粒子做勻速圓周運動的周期：粒子在每個D形盒中運動的時間：②加速電場的周期：接高頻電源狹縫粒子源

思考：帶電粒子在回旋加速器中加速，最終能達到多大的速度呢？這個最大速度與加速電壓的大小有關系嗎？粒子每次被加速后，速度v增加，由

，可知：粒子在D形盒中運動的半徑r越來越大。因D形盒的體積有限，當軌跡半徑r達到D形盒最大半徑R時，需要把粒子從D形盒引出，此時，粒子速度達到最大?？梢姡毫Ｗ幽塬@得的最大速度與加速電壓大小無關。想一想：加速電壓的大小會影響什么呢?思考：帶電粒子被加速的次數(shù)與加速電壓的大小之間有什么關系呢？加速電壓越大，每次速度增量越大，半徑r增加得越快，加速次數(shù)越少。加速電壓越小，每次速度增量越小，半徑r增加得越慢，加速次數(shù)越多。每次加速，動能的增加量都相等，速度增量會越來越小，半徑增加得越來越慢，越往外軌跡越密集。思考：增大D形的半徑R，粒子能獲得的最大速度就增大，那么是不是只要不斷增大D形盒的半徑，就可以使粒子速度無限制增大呢？思考：增大D形的半徑R，粒子能獲得的最大速度就增大，那么是不是只要不斷增大D形盒的半徑，就可以使粒子速度無限制增大呢？這是我國最近自主研發(fā)成功的超導回旋加速器，質子束能量首次達到231MeV。用于惡性腫瘤、心腦血管等重大疾病的診斷和治療。二、回旋加速器的工作原理3、粒子的最大速度和最大動能①粒子的最大速度：（粒子的最大速度與加速電壓無關）②粒子的最大動能：（D形盒最大半徑R）③加速電壓的大小只影響加速的次數(shù)，不影響最終速度。加速電壓大，每次速度增量大，半徑r增加得快，加速次數(shù)越少。加速電壓小，每次速度增量小，半徑r增加得慢，加速次數(shù)越多。例.（多選）1932年勞倫斯制成了世界上第一臺回旋加速器，其原理如圖所示，這臺加速器由兩個銅質D形盒D1、D2構成，其間留有空隙，下列說法正確的是(

)A．帶電粒子由加速器的中心附近進入加速器B．帶電粒子由加速器的邊緣進入加速器C．電場使帶電粒子加速，磁場使帶電粒子旋轉D．離子從D形盒射出時的動能與加速電場的電壓無關ACD

例.（多選）如圖是醫(yī)用回旋加速器示意圖，其核心部分是兩個D形金屬盒，兩金屬盒置于