2019-2020年高二物理 （人教大綱版）第二冊 第十五章 磁場 六、回旋加速器(備課資料).doc

備課資料一、關(guān)于回旋加速器的兩個問題回旋加速器是用來使帶電粒子加速的儀器，它的內(nèi)部存在著互相垂直的兩個場交變電場（電勢差為U）和勻強磁場（磁感應(yīng)強度為B），交變電場用來使帶電粒子加速，而勻強磁場只用來使帶電粒子旋轉(zhuǎn)，回旋加速器的名稱即由此而來.它的優(yōu)點在于能在較小的空間范圍內(nèi)讓粒子受到多次電場的加速.回旋加速器的核心部分是兩個D形的金屬扁盒，這兩個D形盒就像是沿著直徑把一個圓形的金屬扁盒切成的兩半，兩個D形盒之間留一個狹縫，在中心附近放有粒子源，交變電場就加在兩個D形盒之間的狹縫處，而勻強磁場則垂直于D形盒的底面.為了保證粒子在勻強磁場中每轉(zhuǎn)半圈都正好趕上適合的電場方向而被加速，要求高頻交流電源的周期與帶電粒子在D形盒中運動周期相同，當(dāng)然這其中忽略了帶電粒子被加速所需的時間.根據(jù)它的工作原理，回旋加速器一次可以同時加速一束同種帶電粒子，加速后這束帶電粒子的能量都相同.那么它能不能同時加速一束多種帶電粒子，或同時加速一對電量和質(zhì)量都相等的正離子和負離子呢？現(xiàn)分析如下：根據(jù)回旋加速器的工作原理，只要帶電粒子的電量和質(zhì)量的比值相等，它們經(jīng)過同一加速電場的第一次加速后所獲得的速度v1=是相等的；它們以此速度垂直進入勻強磁場后做勻速圓周運動的半徑R=mv1/Bq是相等的；周期T=2m/Bq也是相等的.轉(zhuǎn)了半圈后經(jīng)過加速電場的第二次加速后所獲得的速度v2=仍然是相等的，甚至它們被加速一次所需的時間t=d也是相等的（d為狹縫寬度）.由此我們完全可以斷定，多種帶電粒子（帶同種電荷），只要它們的電量和質(zhì)量的比值相等，它們在回旋加速器中的運動完全是同步的，完全可以同時被回旋加速器加速，而且加速后這些帶電粒子的速度都相同.那么為什么不能同時加速一對電量和質(zhì)量都相等的正離子和負離子呢？那是由于它們帶異種電荷，所以在電場和磁場中的運動方向總是相反的，這樣，它們在運動過程中就要發(fā)生相撞，即使能夠想辦法使它們開始運動的時刻相隔半個周期，但由于回旋加速器的出口只有一個，加速后的離子也只能飛出一種.在高中物理練習(xí)中經(jīng)常要求把一些不同的帶電粒子分開，例如分開“具有相同動能的質(zhì)子和粒子”.由于它們在勻強磁場中做勻速圓周運動的半徑相等而周期不等（粒子的周期是質(zhì)子的兩倍），有的學(xué)生由此認為利用勻強磁場不能做到.但有的學(xué)生卻能聯(lián)系到回旋加速器的工作原理，想到利用回旋加速器可以把它們分開：只要使高頻交流電源的周期與質(zhì)子在D形盒中運動周期相同，我們就可以使質(zhì)子從回旋加速器中飛出，而粒子只能在原地打轉(zhuǎn)卻飛不出來.二、回旋加速器1.回旋加速器的發(fā)明2019-2020年高二物理 （人教大綱版）第二冊 第十五章 磁場 六、回旋加速器(備課資料)科學(xué)家在研究原子核的結(jié)構(gòu)時，采用了高速運動的亞原子粒子去轟擊原子核，早在1906年，盧瑟福就利用放射性物質(zhì)釋放的高速粒子來轟擊物質(zhì).1919年他成功地從氮原子核中打出了質(zhì)子，使氮原子核變成氧原子核，然而使用天然產(chǎn)生的粒子作為轟擊物，有很大的局限性，帶正電的粒子與帶正電的原子核相互排斥，要消耗很大的能量；而天然產(chǎn)生的帶電粒子的能量是有限的，為了得到更高能量的帶電粒子，物理學(xué)家們開始嘗試設(shè)計一種產(chǎn)生高能量帶電粒子的實驗設(shè)備加速器.我們知道電場可以使帶電粒子加速，增加帶電粒子的能量，如圖1所示，這就是早期的加速器的原理，這種加速器可以通過增加電極間的電壓來提高粒子的速度與能量，但這種加速器的發(fā)展受到高壓絕緣的限制，因此，人們就想利用較低的電壓，采用多級加速使粒子獲得高能量.如圖2所示，要想達到越來越高的能量，就必須使設(shè)備的長度增加到數(shù)英里長，從而變得龐大而不實用.1931年，加利福尼亞大學(xué)的歐內(nèi)斯特O勞倫斯（Ernest O.Lawrence）提出了一個卓越的思想，通過磁場的作用迫使粒子沿著磁極之間做螺旋線運動，把長長的電極像卷尺那樣卷起來，這樣就可以在有限的場地裝設(shè)比原來長許多倍的電極，他把這種設(shè)備叫做“回旋加速器”.開始時，勞倫斯制作的回旋加速器模型結(jié)構(gòu)簡陋，真空室的直徑只有10.2 cm，1932年，他又制作了可以實用的回旋加速器，用黃銅和封臘作真空室，直徑也只有11.4 cm，加上不到1 kV電壓之后，可將質(zhì)子加速到80000 eV，不到1 kV的電壓，達到80 kV的加速效果.40年代以后，物理學(xué)家用勞倫斯創(chuàng)造的加速器發(fā)現(xiàn)了許多新型核反應(yīng)，觀察到有幾百種前所未聞的同位素，在實施制造原子彈的曼哈頓工程時，勞倫斯用他的加速器分離出僅占鈾的總量0.7%的鈾235，為發(fā)明原子彈立下了汗馬功勞，為此，勞倫斯獲得了1939年諾貝爾物理學(xué)獎. 圖2 圖32.回旋加速器的結(jié)構(gòu)回旋加速器主要由圓柱形磁極、兩個D形盒狀電極、高頻交變電源、粒子源和引出裝置等組成，如圖3所示，其中D形盒狀電極裝在真空室中，是回旋加速器的核心部件，整個真空室放在磁極之間，磁場方向垂直于D形盒，兩個D形盒之間留一個窄縫，兩極分別與高頻電源的兩極相連，當(dāng)粒子經(jīng)過D形電極之間的窄縫處的電場時，得到高頻電壓的加速，在D形盒內(nèi)，由于屏蔽作用，盒內(nèi)只有磁場分布，這樣帶電粒子在D形盒內(nèi)沿螺線軌道運動，達到預(yù)期的速率后，用引出裝置引出.3.回旋加速器的原理圖4回旋加速器的工作原理如圖4所示，設(shè)離子源中放出的是帶正電的粒子，帶正電的粒子以一定的初速度v0進入下方D形盒中的勻強磁場做勻速圓周運動，運行半周后回到窄縫的邊緣，這時在A1、A1間加一向上的電場，粒子將在電場作用下被加速，速率由v0變成v1，然后粒子在上方D形盒的勻強磁場中做圓周運動，經(jīng)過半個周期后到達窄縫的邊緣A2，這時在A2A2間加一向下的電場，使粒子又一次得到加速，速率變?yōu)関2，這樣使帶電粒子每通過窄縫時被加速，又通過盒內(nèi)磁場的作用使粒子回旋到窄縫，通過反復(fù)加速使粒子達到很高的能量.帶電粒子在磁場中運動的半徑為R=，所以粒子被加速后回旋半徑一次比一次增大，而帶電粒子在磁場中運動的周期T=，所以粒子在磁場中運動的周期始終保持不變，這樣只要加在兩個電極上的高頻電源的周期與帶電粒子在磁場中運動的周期相同，就可以保證粒子每經(jīng)過電場邊界AA和AA時正好趕上合適的電場方向而被加速.由于相對論效應(yīng)，當(dāng)粒子速率接近光速時，粒子的質(zhì)量將顯著增加，從而粒子做圓周運動的周期將隨粒子速率的增長而增長，如果加在D形盒兩極的交變電場的周期不變的話，粒子由于每次“遲到”一點而不能保證經(jīng)過窄縫時總被加速，因此，為了使粒子每次穿過窄縫時仍能不斷得到加速，必須使交變電場的周期隨著粒子加速的過程而同步變化，根據(jù)這個原理設(shè)計的回旋加速器叫做同步回旋加速器.另外采用多級電場加速的直線型裝置不存在這種困難，這種多級加速裝置在過去沒有條件建造，現(xiàn)在已經(jīng)建造出來，科學(xué)家們稱它為直線加速器，長度達幾千米到幾十千米，如圖5所示的是長約3 km的斯坦福大學(xué)直線加速器. 圖5 圖64.加速器的發(fā)展帶電粒子加速器自1930年前后問世以來，主要是朝獲得更高能量的方向發(fā)展，科學(xué)家們設(shè)計制造了各種類型的新型加速器，如同步加速器、電子感應(yīng)加速器、對撞機等，任何一種加速器都經(jīng)歷了發(fā)生、發(fā)展和加速能力或經(jīng)濟效益受到限制的三個階段.在第三個階段中，總會出現(xiàn)新技術(shù)或新原理突破困難，從而建造出新類型的加速器，使能量進一步提高，或使建造更高能量加速器在經(jīng)濟上成為可行.例如，在質(zhì)子加速器方面：直線加速器受擊穿電壓限制因而出現(xiàn)了回旋加速器；回旋加速器有相對論效應(yīng)質(zhì)量增加的限制，因而出現(xiàn)了同步回旋加速器；采用常規(guī)磁鐵加速器因耗電過多而將讓位于超導(dǎo)磁體的加速器.從另一個角度看，上述所有打靜止靶的加速器又都存在有效碰撞能量隨加速器能量增長緩慢的問題，而對撞機則大大提高了有效碰撞能量，我國已把建設(shè)高能加速器任務(wù)作為國家重點項目，逐步縮小我國高能物理與當(dāng)今世界先進水平的差距，如圖6所示的是北京正負電子對撞機.可以斷言，任何已知的加速方法，都不能使加速器的更高能量無限地推進，而新技術(shù)、新原理才是加速器向更高能區(qū)、更好性能和更低造價等方面推進的動力.