回旋加速器的原理
回旋加速器的工作原理如图所示，设离子源中放出的是带正电的粒子，带正电的粒子以一定的初速度v 0进入下方D 形盒中的匀强磁场做匀速圆周运动，运行半周后回到窄缝的边缘，这时在A 1、A 1′间加一向上的电场，粒子将在电场作用下被加速，速率由v 0变成v 1，然后粒子在上方D 形盒的匀强磁场中做圆周运动，经过半个周期后到达窄缝的边缘A 2′，这时在A 2A 2′间加一向下的电场，使粒子又一次得到加速速率变为v 2，这样使带电粒子每通过窄缝时被加速，又通过盒内磁场的作用使粒子回旋到窄缝，通过反复加速使粒子达到很高的能量.
带电粒子在磁场中运动的半径为R =qB mv
，所以粒子被加速后回旋半径一次比一次增大，
而带电粒子在磁场中运动的周期T =qB m
2，所以粒子在磁场中运动的周期始终保持不变，这
样只要加在两个电极上的高频电源的周期与带电粒子在磁场中运动的周期相同，就可以保证粒子每经过电场边界AA 和A ′A 时正好赶上合适的电场方向而被加速.
由于相对论效应，当粒子速率接近光速时，粒子的质量将显著增加，从而粒子做圆周运动的周期将随粒子速率的增长而增长，如果加在D 形盒两极的交变电场的周期不变的话，粒子由于每次“迟到”一点而不能保证经过窄缝时总被加速，因此，为了使粒子每次穿过窄缝时仍能不断得到加速，必须使交变电场的周期随着粒子加速的过程而同步变化，根据这个原理设计的回旋加速器叫做同步回旋加速器.另外采用多级电场加速的直线型装置不存在这种困难，这种多级加速装置在过去没有条件建造，现在已经建造出来，科学家们称它为直线加速器，长度达几千米到几十千米，如图所示的长约3 km 的斯坦福大学直线加速器.
I C S27.120.99 F92 中华人民共和国国家标准 G B/T34127 2017 10M e V~20M e V范围内固定能量 强流质子回旋加速器 F i x e d e n e r g y h i g h i n t e n s i t yp r o t o n c y c l o t r o nw i t h i n t h e r a n g e o f 10M e V~20M e V 2017-07-31发布2018-02-01实施中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
目 次 前言Ⅰ 1 范围1 2 规范性引用文件1 3 术语和定义1 4 回旋加速器的组成和工作条件2 5 技术要求3 6 试验方法6 7 检验规则11 8 标志二包装二运输二贮存和随行文件12 附录A (资料性附录) 品质因数的测量14 附录B (资料性附录) 磁感应强度的测量15 G B /T 34127 2017
前言 本标准按照G B/T1.1 2009给出的规则起草三 本标准由中国核工业集团公司提出三 本标准由全国核仪器仪表标准化技术委员会(S A C/T C30)归口三 本标准起草单位:中国原子能科学研究院三 本标准主要起草人:孙阳二李秀丽二张兴治二张天爵二钟俊晴二王峰二安世忠二纪彬二温立鹏二王楠三
10M e V~20M e V范围内固定能量 强流质子回旋加速器 1范围 本标准规定了10M e V~20M e V范围内固定能量强流质子回旋加速器(简称回旋加速器)的组成二技术要求二试验方法二检验规则以及标志二包装二运输二贮存和随行文件三 本标准适用于质子能量为10M e V~20M e V范围内固定能量,束流强度大于或等于100μA的强流质子回旋加速器三 2规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的三凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件三凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件三 G B/T191包装储运图示标志 G B/T9969工业产品使用说明书总则 G B/T10257 2001核仪器和核辐射探测器质量检验规则 G B/T14436工业产品保证文件总则 G B/T17626.4 2008电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验 G B/T17626.5 2008电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验(I E C61000-4-5: 2005,I D T) G B18871电离辐射防护与辐射源安全基本标准 G B/T19661.1 2005核仪器及系统安全要求第1部分:通用要求 G B/T19661.2 2015核仪器及系统安全要求第2部分:放射性测量计的结构要求和分级 G B50303建筑电气工程施工质量验收规范 I E C536-2:1992电工电子设备按电击防护分类第2部分:对电击防护要求的导则(C l a s s i f i c a t i o n o f e l e c t r i c a l a n d e l e c t r o n i c e q u i p m e n tw i t h r e g a r d t o p r o t e c t i o na g a i n s t e l e c t r i c s h o c k P a r t2:G u i d e-l i n e s t o r e q u i r e m e n t s f o r p r o t e c t i o na g a i n s t e l e c t r i c s h o c k) 3术语和定义 下列术语和定义适用于本文件三 3.1 回旋加速器c y c l o t r o n 利用磁场使带电粒子作回旋运动,并在运动中通过高频电场反复被加速的装置三 3.2 束流能量b e a me n e r g y 束流中带电粒子通过加速装置获得的动能三
最新高考物理速度选择器和回旋加速器解题技巧及练习题 一、速度选择器和回旋加速器 1．如图所示的直角坐标系xOy ，在其第二象限内有垂直纸面向里的匀强磁场和沿y 轴负方向的匀强电场。虚线OA 位于第一象限，与y 轴正半轴的夹角θ=60°，在此角范围内有垂直纸面向外的匀强磁场；OA 与y 轴负半轴所夹空间里存在与OA 平行的匀强电场，电场强度大小E =10N/C 。一比荷q =1×106C/kg 的带电粒子从第二象限内M 点以速度v =2.0×103m/s 沿x 轴正方向射出，M 点到x 轴距离d =1.0m ，粒子在第二象限内做直线运动；粒子进入第一象限后从直线OA 上的P 点（P 点图中未画出）离开磁场，且OP =d 。不计粒子重力。 (1) 求第二象限中电场强度和磁感应强度的比值0 E B ； (2)求第一象限内磁场的磁感应强度大小B ； (3)粒子离开磁场后在电场中运动是否通过x 轴？如果通过x 轴，求其坐标；如果不通过x 轴，求粒子到x 轴的最小距离。 【答案】(1)32.010m/s ?；(2)3210T -?；(3)不会通过，0.2m 【解析】 【详解】 (1)由题意可知，粒子在第二象限内做匀速直线运动,根据力的平衡有 00qvB qE = 解得 30 2.010m/s E B =? (2)粒子在第二象限的磁场中做匀速圆周运动，由题意可知圆周运动半径 1.0m R d == 根据洛伦兹力提供向心力有 2 v qvB m R = 解得磁感应强度大小 3210T B -=? (3)粒子离开磁场时速度方向与直线OA 垂直，粒子在匀强电场中做曲线运动，粒子沿y 轴负方向做匀减速直线运动，粒子在P 点沿y 轴负方向的速度大小 sin y v v θ=
1939年诺贝尔物理学奖——回旋加速器的发明1939年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚州伯克利加州大学的劳伦斯 （Ernest Orlando Lawrence，1901——1958），以表彰他发明和发展了回旋加速器，以及用之所得到的结果，特别是人工放射性元素。 核物理学的诞生揭开了物理学发展史中崭新的一页，它不但标志了人类对物质结构的认识进入了更深的一个层次，而且还意味着人类开始以更积极的方式变革自然、探索自然、开发自然和更充分地利用大自然的潜力。各种加速器的发明对核物理学的发展起了很大的促进作用，而劳伦斯的回旋加速器则是这类创造中最有成效的一项。从30年代起，以劳伦斯不断革新回旋加速器的活动为代表，物理学转入了大规模的集体研究，仪器设备越来越复杂，物理学家越来越多地参加有组织的研究工作，物理学与技术的关系也越来越密切，操作调试要求协调配合，实验室的规模要以工程的尺度来衡量，可以说，大规模物理学的出现是我们时代的特征。 劳伦斯顺应这一形势，走在时代的前列。他以天才的设计思想、惊人的毅力和高超的组织才能，为原子核物理学和粒子物理学的发展作出了重大贡献。 劳伦斯1901年8月8日出生于美国南达科他州南部的坎顿（Canton）教师的家庭里，早年就对科学有浓厚兴趣，喜欢作无线电通讯实验，在活动中表现出非凡的才能，他聪慧博学，善于思考。劳伦斯原想学医，却于1922年以化学学士学位毕业于南达科他大学，后转明尼苏达大学当研究生。导师斯旺（W.F.G.Swann）对劳伦斯有很深影响，使他对电磁场理论进行了深入的学习。劳伦斯获得硕士学位后随斯旺教授转芝加哥大学，在那里他遇见了著名的年轻物理学家康普顿（https://www.doczj.com/doc/941336047.html,pton）教授。他往往在康普顿的实验室里陪康普顿整夜地进行X射线实验，和康普顿倾谈，从康普顿那里吸取了许多经验。劳伦斯在1925年以钾的光电效应为题完成博士学位。在这期间，业余从事用示波管做显像实验，如果不是有人捷足先登，说不定他会取得电视机的发明专利。他兴趣广泛，思路开阔，深得同行的赞许。劳伦斯在耶鲁大学继续研究两年之后，于1927年当上了助理教授。1928年转到伯克利加州大学任副教授。两年后提升，是最年轻的教授。在这里他一直工作到晚年，使伯克利加州大学由一所新学校变成了核物理的研究基地。 在劳伦斯选择科研方向时，卢瑟福学派的工作吸引了他，使他了解到“实验物理学家下一个重要阵地肯定是原子核”。但是，像卢瑟福那样用镭辐射的α粒子轰击原子核效果毕竟是有限的，因为能量不足，强度也弱。他深知出路在于找到一种办法，人为地使粒子加速，才能取得更好的效果。 1928年前后，人们纷纷在寻找加速粒子的方法。当时实验室中用于加速粒子的主要设备是变压器和整流器、冲击发生器、静电发生器、特斯拉（Tesla）线圈等等。这些方法全都要靠高电压，可是电压越高，对绝缘的要求也越苛刻，否
回旋加速器原理和考点分析 作者：丑佳丽 黑龙江省铁力职业教育中心学校 【内容摘要】 回旋加速器的原理和意义，并利用原理解决相关问题。增大加速电压或微粒的核质比增大，能使一个带电粒子获得很大的速度(能量), 但所占的空间范围大。能不能在较小的范围内实现多级加速呢因此人们创造出回旋加速器。回旋加速器的构造：两个D 形金属盒，粒子源，半径为R D ,大型电磁铁，高频振荡交变电压U.回旋加速器是产生大量高能量的带电粒子的实验设备．交变电压的周期与带电粒子做匀速圆周运动的周期相等。高频交流电源的周期与带电粒子在D 形盒中运动的周期相同是加速条件。回旋加速器的优点是体积小,缺点是粒子的能量不会很高。高频考点：回旋加速器中的D 形金属盒，它的作用是静电屏蔽。带电粒子从电场中获得能量。 做题过程中注意应用公式推导和运算。 【关键词】 带电粒子 加速 回旋加速器 一、如何能使带电粒子在较小的范围内实现多级加速 1．如何使一个带电的微粒获得速度（能量） 由动能定理K E W ?= 221mv qU = m qU v 2= 2.如何使一个带电粒子获得很大的速度(能量) 拓展：如: ①增大加速电压；②使微粒的核质比增大，等等。 3.带电粒子一定，即q/m 一定，要使带电粒子获得的能量增大，可采取什么方法 4.实际所加的电压，能不能使带电粒子达到所需要的能量（不能）怎么办 多级加速::带电粒子增加的动能为 ) (2 121321212 02n n U U U U q qU qU qU qU mv mv E ++++=+++==-= ? 分析：方法可行，但所占的空间范围大。能不能在较小的范围内实现多级加速呢因此人们创造出回旋加速器。 二、 回旋加速器的原理和考点 回旋加速器 图1 图2 图3
高中物理速度选择器和回旋加速器技巧(很有用)及练习题及解析 一、速度选择器和回旋加速器 1．某一具有速度选择器的质谱仪原理如图所示，A 为粒子加速器，加速电压为U 1；B 为速度选择器，磁场与电场正交，电场方向向左，两板间的电势差为U 2，距离为d ；C 为偏转分离器，磁感应强度为B 2，方向垂直纸面向里。今有一质量为m 、电荷量为e 的正粒子（初速度忽略，不计重力），经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做匀速圆周运动，打在照相底片D 上。求： (1)磁场B 1的大小和方向 (2)现有大量的上述粒子进入加速器A ，但加速电压不稳定，在11U U -?到11U U +?范围内变化，可以通过调节速度选择器两板的电势差在一定范围内变化，使得加速后的不同速度的粒子都有机会进入C ，则打在照相底片D 上的宽度和速度选择器两板的电势差的变化范围。 【答案】（1）2112U m B d U e = 2）()()11112222m U U m U U D B e e +?-?=，()11min 1 U U U U U -?=() 11max 1 U U U U U +?=【解析】 【分析】 【详解】 （1）在加速电场中 2112 U e mv = 12U e v m = 在速度选择器B 中
2 1U eB v e d = 得 1B = 根据左手定则可知方向垂直纸面向里； （2）由可得加速电压不稳后获得的速度在一个范围内变化，最小值为 1v = 1 12 mv R eB = 最大值为 2v = 2 22 mv R eB = 打在D 上的宽度为 2122D R R =- 22D B = 若要使不同速度的粒子都有机会通过速度选择器，则对速度为v 的粒子有 1U eB v e d = 得 U=B 1vd 代入B 1 得 2U U = 再代入v 的值可得电压的最小值 min U U =最大值 max U U =
3.6教学设计——回旋加速器 人教版选修3-1 第三章第6节 一、教材分析 本节教材是从学生已经学过的知识入手，先简单介绍直线加速器的设想，提出不足，进而引出回旋加速器，分析其工作原理，并简单介绍回旋加速器的结构。通过对比多级直线加速器和回旋加速器的优缺点，显示科学发展的规律和发展的方向，引导学生思维，开阔学生思路，强化学生探索意识，激发学生学习兴趣。 二、学情分析 学生对电场和磁场的相关知识有了一定的了解，能够通过自己的分析探索带电粒子的加速原理，进而得到回旋加速器的基本构造。根据本节课内容特点和学生现状，采取探究学习的方法，锻炼学生的探索创新能力、分析解决问题能力，升华情感态度和价值观。具体教学策略是首先提出实际问题，激发学生的学习兴趣，引导学生分析问题，激发学生的思维，结合所学知识提出解决问题的方案，最后达到解决问题的目的，让学生体验成功的喜悦，树立科学探索精神。 三、教学目标 1. a.知道回旋加速器的基本构造和加速原理。 b.知道加速器的基本用途； c.通过情景设置, 培养学分析实际问题、解决实际问题的能力；
d.通过师生、生生思维碰撞, 开阔学生, 思维锻炼学生的创新意识. 2. 通过问题提出，结合所学知识，引导学生探究，最后达到知道加速器的基本结构和加速原理的教学目的，让学生体会研究、设计新仪器的思路。 3. a.介绍我国高能粒子加速器——北京正负电子对撞机, 培养民 族自豪感, 激发学生的学习兴趣； b.体验探究乐趣, 激发创新意识。 四、教学重难点 教学重点: 回旋加速器的构造和加速原理； 教学难点: 交变电压的周期和粒子的运动周期相同。 五、教学方法 预习检测、教师引导、课堂交流讨论 六、教学过程 预习任务回顾： 1.阅读课本101页至102页回旋加速器相关内容； 2.完成《新新学案》大册子87页预习内容填空。 一、预习情况交流： 1.为什么要对带电微粒进行加速？ 答：认识原子核内部结构的需要，加速粒子充当“炮弹”；
高考物理速度选择器和回旋加速器解题技巧讲解及练习题 一、速度选择器和回旋加速器 1．某一具有速度选择器的质谱仪原理如图所示，A 为粒子加速器，加速电压为U 1；B 为速度选择器，磁场与电场正交，电场方向向左，两板间的电势差为U 2，距离为d ；C 为偏转分离器，磁感应强度为B 2，方向垂直纸面向里。今有一质量为m 、电荷量为e 的正粒子（初速度忽略，不计重力），经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做匀速圆周运动，打在照相底片D 上。求： (1)磁场B 1的大小和方向 (2)现有大量的上述粒子进入加速器A ，但加速电压不稳定，在11U U -?到11U U +?范围内变化，可以通过调节速度选择器两板的电势差在一定范围内变化，使得加速后的不同速度的粒子都有机会进入C ，则打在照相底片D 上的宽度和速度选择器两板的电势差的变化范围。 【答案】（1）2112U m B d U e = 2）()()11112222m U U m U U D B e e +?-?=，()11min 1 U U U U U -?=() 11max 1 U U U U U +?=【解析】 【分析】 【详解】 （1）在加速电场中 2112 U e mv = 12U e v m = 在速度选择器B 中
2 1U eB v e d = 得 1B = 根据左手定则可知方向垂直纸面向里； （2）由可得加速电压不稳后获得的速度在一个范围内变化，最小值为 1v = 1 12 mv R eB = 最大值为 2v = 2 22 mv R eB = 打在D 上的宽度为 2122D R R =- 22D B = 若要使不同速度的粒子都有机会通过速度选择器，则对速度为v 的粒子有 1U eB v e d = 得 U=B 1vd 代入B 1 得 2U U = 再代入v 的值可得电压的最小值 min U U =最大值 max U U =
练习八回旋加速器 一、选择题(每题6分，共48分) 1.A 关于回旋加速器中电场和磁场的说法中正确的是 A.电场和磁场都对带电粒子起加速作用 B.电场和磁场是交替地对带电粒子做功的 C.只有电场能对带电粒子起加速作用 D.磁场的作用是使带电粒子在D 形盒中做匀速圆周运动 答案：CD 2.在回旋加速器内，带电粒子在半圆形盒内经过半个周期所需的时间与下列哪个量有关 A.带电粒子运动的速度 B.带电粒子运动的轨道半径 C.带电粒子的质量和电荷量 D.带电粒子的电荷量和动量 答案：C 3.B 关于回旋加速器加速带电粒子所获得的能量，下列说法正确的是 A.与加速器的半径有关，半径越大，能量越大 B.与加速器的磁场有关，磁场越强，能量越大 C.与加速器的电场有关，电场越强，能量越大 D.与带电粒子的质量和电荷量均有关，质量和电荷量越大，能量越大 答案：AB(由带电粒子在磁场中运动的半径公式R=qB mv 可得v=m RqB ，所以粒子获得的最大动能E k =2mv 21=()2m RqB 2 4.A 加速器使某种粒子的能量达到15MeV ，这个能量是指粒子的 A.势能 B.动能 C.内能 D.电能 答案：B 5.A 下列关于回旋加速器的说法中，正确的是 A.回旋加速器一次只能加速一种带电粒子 B.回旋加速器一次最多只能加速两种带电粒子 C.回旋加速器一次可以加速多种带电粒子 D.回旋加速器可以同时加速一对电荷量和质量都相等的正离子和负离子 答案：A 6.A 用回旋加速器分别加速α粒子和质子时，若磁场相同，则加在两个D 形盒间的交变电压的频率应不同，其频率之比为 A1：1 B.1：2 C.2：1
回旋加速模型 1． 正电子发射计算机断层（PET ）是分子水平上的人体功能显像的国际领先技术，它为临床诊断和治疗提供全新的手段。 （1）PET 在心脏疾病诊疗中，需要使用放射正电子的同位素 氮13示踪剂，氮13是由小型回旋加速器输出的高速质子轰击氧16获得的，反应中同时还产生另一个粒子，试写出该核反应方程。 （2）PET 所用回旋加速器示意如图7.11，其中置于高真空中 的金属D 形盒的半径为R ，两盒间距为d ，在左侧D 形盒圆心处放有粒子源S ，匀强磁场的磁 感应强度为B ，方向如图所示。质子 质量为m ，电荷量为q 。设质子从粒 子源S 进入加速电场时的初速度不 计，质子在加速器中运动的总时间为t （其中已略去了质子在加速电场中的运动时间），质子在电场中的加速次数于回旋半周的次数相同，加速质子时的电压大小可视为不变。求此加速器所需的高频电源频率f 和加速电压U 。 （3）试推证当d R 时，质子在电场中加速的总时间相对于在 D 形盒中回旋的时间可忽略不计（质子在电场中运动时，
不考虑磁场的影响）。 图7.11 解析： （1）核反应方程为：He N H O 4213711168+→+ ① （2）设质子加速后最大速度为v ，由牛顿第二定律得： R v m qvB 2 = ② 质子的回旋周期为：qB m v R T ππ22== ③ 高频电源的频率为：m qB T f π21== ④ 质子加速后的最大动能为：22 1mv E k = ⑤ 设质子在电场中加速的次数为n ，则： nqU E k = ⑥ 又2T n t = ⑦ 可解得：t BR U 22 π= ⑧ （3）在电场中加速的总时间为：
回旋加速器、质谱仪 1.(2016湖北部分重点中学联考)物理课堂教学中的洛伦兹力演示仪由励磁线圈、玻璃泡、电子枪等部分组成。励磁线圈是一对彼此平行的共轴的圆形线圈，它能够在两线圈之间产生匀强磁场。玻璃泡内充有稀薄的气体，电子枪在加速电压下发射电子，电子束通过泡内气体时能够显示出电子运动的径迹。若电子枪垂直磁场方向发射电子，给励磁线圈通电后，能看到电子束的径迹呈圆形。若只增大电子枪的加速电压或励磁线圈中的电流，下列说法正确的是( ) A．增大电子枪的加速电压，电子束的轨道半径变大 B．增大电子枪的加速电压，电子束的轨道半径不变 C．增大励磁线圈中的电流，电子束的轨道半径变小 D．增大励磁线圈中的电流，电子束的轨道半径不变 2.回旋加速器在科学研究中得到了广泛应用，其原理如图7所示。D1和D2是两个中空的半圆形金属盒，置于与盒面垂直的匀强磁场中，它们接在电压为U、周期为T的交流电源上。位于D1圆心处的质子源A能不断产生质子(初速度可以忽略)，它们在两盒之间被电场加速。当质子被加速到最大动能E k后，再将它们引出。忽略质子在电场中的运动时间，则下列说法中正确的是( ) A.若只增大交变电压U，则质子的最大动能E k会变大 B.若只增大交变电压U，则质子在回旋加速器中运行的时间会变短 C.若只将交变电压的周期变为2T，仍可用此装置加速质子 D.质子第n次被加速前、后的轨道半径之比为n－1∶n 3．劳伦斯和利文斯设计出回旋加速器，工作原理示意图如图所示。置于真空中的D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可忽略。磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，高频交流电频率为f，加速电压为U。若A处粒子源产生的质子的质量为m、电荷量为＋q，在加速器中被加速，且加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响。则下列说法正确的是( ) A.质子被加速后的最大速度不可能超过2πRf B.质子离开回旋加速器时的最大动能与加速电压U成正比
高中物理速度选择器和回旋加速器解题技巧及经典题型及练习题(1) 一、速度选择器和回旋加速器 1．如图为质谱仪的原理图。电容器两极板的距离为d ，两板间电压为U ，极板间的匀强磁场的磁感应强度为B 1,方向垂直纸面向里。一束带电量均为q 但质量不同的正粒子从图示方向射入，沿直线穿过电容器后进入另一磁感应强度为B 2的匀强磁场，磁场B 2方向与纸面垂直，结果分别打在a 、b 两点，若打在a 、b 两点的粒子质量分别为1m 和2m .求： (1)磁场B 2的方向垂直纸面向里还是向外? (2)带电粒子的速度是多少? (3)打在a 、b 两点的距离差△x 为多大? 【答案】(1)垂直纸面向外 (2)1U v B d = (3)12122()U m m x qB B d -?= 【解析】 【详解】 (1)带正电的粒子进入偏转磁场后，受洛伦兹力而做匀速圆周运动， 因洛伦兹力向左，由左手定则知，则磁场垂直纸面向外. (2)带正电的粒子直线穿过速度选择器，受力分析可知： 1U qvB q d = 解得：1U v B d = (3)两粒子均由洛伦兹力提供向心力 2 2v qvB m R = 可得：112m v R qB = ，222 m v R qB = 两粒子打在底片上的长度为半圆的直径，则： 1222x R R ?=- 联立解得：12122() U m m x qB B d -?= 2．如图所示，水平放置的平行板电容器上极板带正电，下极板带负电，两板间存在场强为 E 的匀强电场和垂直纸面向里的磁感应强度为 B 匀强磁场.现有大量带电粒子沿中线 OO ′ 射
入，所有粒子都恰好沿 OO ′ 做直线运动.若仅将与极板垂直的虚线 MN 右侧的磁场去掉，则其中比荷为 q m 的粒子恰好自下极板的右边缘P 点离开电容器.已知电容器两板间的距离为2 3mE qB ，带电粒子的重力不计。 （1）求下极板上 N 、P 两点间的距离； （2）若仅将虚线 MN 右侧的电场去掉，保留磁场，另一种比荷的粒子也恰好自P 点离开，求这种粒子的比荷。 【答案】（1）3mE x =2）'4'7q q m m = 【解析】 【分析】 （1）粒子自 O 点射入到虚线MN 的过程中做匀速直线运动，将MN 右侧磁场去掉，粒子在MN 右侧的匀强电场中做类平抛运动，根据类平抛运动的的规律求解下极板上 N 、P 两点间的距离；（2）仅将虚线 MN 右侧的电场去掉，粒子在 MN 右侧的匀强磁场中做匀速 圆周运动，根据几何关系求解圆周运动的半径，然后根据2 ''m v q vB R = 求解比荷。 【详解】 （1）粒子自 O 点射入到虚线MN 的过程中做匀速直线运动， qE qvB = 粒子过 MN 时的速度大小 E v B = 仅将MN 右侧磁场去掉，粒子在MN 右侧的匀强电场中做类平抛运动， 沿电场方向：2 2 322mE qE t qB m = 垂直于电场方向：x vt = 由以上各式计算得出下极板上N 、 P 两点间的距离2 3mE x qB = （2）仅将虚线 MN 右侧的电场去掉，粒子在 MN 右侧的匀强磁场中做匀速圆周运动，设经过 P 点的粒子的比荷为 ' ' q m ，其做匀速圆周运动的半径为 R ，
第六节 回旋加速器 ●教学目标 一、知识目标 1.知道回旋加速器的基本构造及工作原理. 2.知道回旋加速器的基本用途. 二、能力目标 先介绍直线加速器，然后引出回旋加速器，并对两种加速器进行对比评述，引导学生思维，开阔学生思路. 三、德育目标 1.通过介绍两种加速器的利和弊，告诉学生应辩证地去看待某一事物. 2.通过介绍回旋加速器不利的一面，希望学生掌握现在的基础知识，将来能研究出更切合实际的加速器. ●教学重点 回旋加速器的工作原理. ●教学难点 回旋加速器的基本用途. ●教学方法 阅读法、电教法、对比法 ●教学用具 实物投影仪、CAI 课件 ●课时安排 1课时 ●教学过程 ［投影］本节课的教学目标： 1.知道回旋加速器的基本构造及工作原理. 2.知道加速器的基本用途. ●学习目标完成过程 一、引入新课 在现代的物理学中，为了进一步研究物质的微观结构，需要能量很高的带电粒子去轰击原子核，为了使带电粒子获得如此高的能量，就必须设计一个能给粒子加速的装置——加速器. 二、新课教学 让学生阅读课文，然后回答以下问题： ［问题1］用什么方法可把带电粒子加速？ ［学生答］利用加速电场给带电粒子加速. ［板书］由动能定理W =ΔE k qu =22 1mv ， v =m qu /2 ［问题2］带电粒子一定，即q/m 一定，要使带电粒子获得的能量增大，可采取什么方法？ ［学生答］带电粒子一定，即q/m 一定，要使带电粒子获得的能量增大，可增大加速电场两极板间的电势差. ［问题3］实际所加的电压，能不能使带电粒子达到所需的能量？（不能）怎么办？ ［学生答］实际所加的电压，不能使带电粒子达到所需要的能量.不能，可采用高极加
高中物理速度选择器和回旋加速器试题(有答案和解析) 一、速度选择器和回旋加速器 1．某一具有速度选择器的质谱仪原理如图所示，A 为粒子加速器，加速电压为U 1；B 为速度选择器，磁场与电场正交，电场方向向左，两板间的电势差为U 2，距离为d ；C 为偏转分离器，磁感应强度为B 2，方向垂直纸面向里。今有一质量为m 、电荷量为e 的正粒子（初速度忽略，不计重力），经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做匀速圆周运动，打在照相底片D 上。求： (1)磁场B 1的大小和方向 (2)现有大量的上述粒子进入加速器A ，但加速电压不稳定，在11U U -?到11U U +?范围内变化，可以通过调节速度选择器两板的电势差在一定范围内变化，使得加速后的不同速度的粒子都有机会进入C ，则打在照相底片D 上的宽度和速度选择器两板的电势差的变化范围。 【答案】（1）2112U m B d U e = 2）()()11112222m U U m U U D B e e +?-?=，()11min 1 U U U U U -?=() 11max 1 U U U U U +?=【解析】 【分析】 【详解】 （1）在加速电场中 2112 U e mv = 12U e v m = 在速度选择器B 中
2 1U eB v e d = 得 1B = 根据左手定则可知方向垂直纸面向里； （2）由可得加速电压不稳后获得的速度在一个范围内变化，最小值为 1v = 1 12 mv R eB = 最大值为 2v = 2 22 mv R eB = 打在D 上的宽度为 2122D R R =- 22D B = 若要使不同速度的粒子都有机会通过速度选择器，则对速度为v 的粒子有 1U eB v e d = 得 U=B 1vd 代入B 1 得 2U U = 再代入v 的值可得电压的最小值 min U U =最大值 max U U =
回旋加速器与高考物理 河南省信阳高级中学陈庆威 2015.12.08 一、命题分析 无论是2008广东物理卷第4题、2009年江苏物理第14题、2010年山东第25题、2011天津理综物理第12题，还是2015年我们刚经历过的浙江高考物理第25题。回旋加速器这个名字总是熟悉地出现在我们的高考试卷中。 回旋加速器是教材中带电粒子在电磁场中的运动的重要实例，也是近代物理的重要实验装置，是高考考查的重点和热点，高考试题中它可能为选择题，也可能为计算题，一旦出现在计算题中，多半要成为压轴题。这种题的综合性强、难度大、分值高、区分度大，因此也成为我们学习的重点，备考的热点。 二、工作原理 回旋加速器的工作原理如图所示，设离子源中放出的是带正电的粒子，带正电的粒子以一定的初速度v 进入下方D形盒中的匀强磁场做匀速圆周运动，运动 半周后回到窄缝的边缘，这时在A 1、A 1 '间加一向上的电场，粒子将在电场作用下 被加速，速率由v 0变为v 1 ，然后粒子在上方D形盒的匀强磁场中做圆周运动，经 过半个周期后到达窄缝的边缘A 2'，这时在A 2 、A 2 ′间加一向下的电场，使粒子又 一次得到加速，速率变为v 2 ，这样使带电粒子每通过窄缝时被加速，又通过盒内磁场的作用使粒子回旋到窄缝，通过反复加速使粒子达到很高的能量。 1、带电粒子在两D形盒中回旋周期等于两盒狭缝之间高频电场的变化周期，粒子每经过一个周期，被电场加速二次。 2、将带电粒子在狭缝之间的运动首尾连接起来是一个初速度为零的匀加速直线运动。 3、带电粒子每经电场加速一次，回旋半径就增大一次，每次增加的动能为；所有各次半径之比为：； 4、对于同一回旋加速器，其粒子的回旋的最大半径是相同的。 5、由最大半径得：；
回旋加速器与高考物理讲解
————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期： ?
回旋加速器与高考物理 河南省信阳高级中学陈庆威201５.1２.0８ 一、命题分析 无论是2008广东物理卷第４题、２00９年江苏物理第14题、2０10年山东第２５题、２０1１天津理综物理第12题，还是201５年我们刚经历过的浙江高考物理第２5题。回旋加速器这个名字总是熟悉地出现在我们的高考试卷中。 回旋加速器是教材中带电粒子在电磁场中的运动的重要实例,也是近代物理的重要实验装置，是高考考查的重点和热点，高考试题中它可能为选择题,也可能为计算题，一旦出现在计算题中，多半要成为压轴题。这种题的综合性强、难度大、分值高、区分度大，因此也成为我们学习的重点，备考的热点。 二、工作原理 回旋加速器的工作原理如图所示,设离子源中放出的是带正电的粒子,带正电的粒子以一定的初速度v 进入下方D形盒中的匀强磁场做匀速圆周运动，运动半周 后回到窄缝的边缘，这时在Ａ 1、A 1 ＇间加一向上的电场，粒子将在电场作用下被加 速,速率由v 0变为v 1 ，然后粒子在上方D形盒的匀强磁场中做圆周运动，经过半个周 期后到达窄缝的边缘Ａ 2',这时在A 2 、A 2 ′间加一向下的电场,使粒子又一次得到加速, 速率变为v 2 ，这样使带电粒子每通过窄缝时被加速,又通过盒内磁场的作用使粒子回旋到窄缝,通过反复加速使粒子达到很高的能量。 ? 1、带电粒子在两D形盒中回旋周期等于两盒狭缝之间高频电场的变化周期,粒子每经过一个周期，被电场加速二次。 ２、将带电粒子在狭缝之间的运动首尾连接起来是一个初速度为零的匀加速直线运动。?３、带电粒子每经电场加速一次，回旋半径就增大一次,每次增加的动能为;所有各次半径之比为:；?4、对于同一回旋加速器，其粒子 的回旋的最大半径是相同的。?５、由最大半径得:; ?回旋周数:; ?所需时间：。
回旋加速器 回旋加速器原理和考点分析 作者：丑佳丽黑龙江省铁力职业教育中心学校 【内容摘要】回旋加速器的原理和意义，并利用原理解决相关问题。增大加速电压或微粒的核质比增大，能使 一个带电粒子获得很大的速度（能量）,但所占的空间范围大。能不能在较小的范围内实现多级加速呢因此人们创 造出回旋加速器。回旋加速器的构造：两个D形金属盒，粒子源，半径为R D,大型电磁铁，高频振荡交变电压U.回旋加速器是产生大量高能量的带电粒子的实验设备?交变电压的周期与带电粒子做匀速圆周运动的周期相等。 高频交流电源的周期与带电粒子在D形盒中运动的周期相同是加速条件。回旋加速器的优点是体积小，缺点是粒子的能量不会很高。高频考点：回旋加速器中的D形金属盒，它的作用是静电屏蔽。带电粒子从电场中获得能量。做题过程中注意应用公式推导和运算。 【关键词】带电粒子加速回旋加速器 一、如何能使带电粒子在较小的范围内实现多级加速 1如何使一个带电的微粒获得速度（能量） 由动能定理W E K qU 1mv2v 2qU 2.如何使一个带电粒子获得很大的速度（能量） 拓展：如：①增大加速电压；②使微粒的核质比增大，等等。 3.带电粒子一定，即q/m 一定，要使带电粒子获得的能量增大，可采取什么方法 4.实际所加的电压，能不能使带电粒子达到所需要的能量（不能）怎么办 多级加速::带电粒子增加的动能为 1 2 1 2 E mv mv0qU 2 2 qU i qU? qU n q(U i U2 U3 U n) 分析：方法可行，但所占的空间范围大。能不能在较小的范围内实现多级加速呢因此人们创造出回旋加速器。 回旋加速器的原理和考点 图1 —M 二鱷益蜒列缰
高考回归复习—电学选择之回旋加速器 1．回旋加速器的工作原理如图所示，置于高真空中的D 形金属盒半径为R ，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可以忽略不计，磁感应强度为B 的匀强磁场与盒面垂直，A 处粒子源产生质量为m 、电荷量为+q 的粒子，在加速电压为U 的加速电场中被加速，所加磁场的磁感应强度、加速电场的频率可调，磁场的磁感应强度最大值为B m 和加速电场频率的最大值f m 。则下列说法正确的是（ ） A ．粒子获得的最大动能与加速电压无关 B ．粒子第n 次和第n +1 C ．粒子从静止开始加速到出口处所需的时间为2 π2BR t U = D ．若 2πm m qB f m < ，则粒子获得的最大动能为222 2πkm m E mf R = 2．回旋加速器的工作原理如图所示，置于高真空中的D 形金属盒半径为R 。两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过狭缝的时间忽略不计，磁感应强度为B 的匀强磁场与盒面垂直。A 处粒子源产生质量为m 、电荷量为+q 的粒子，在加速器中被加速，加速电压为U 。下列说法正确的是（ ） A ．交变电场的周期为 m Bq π B ．粒子射出加速器的速度大小与电压U 成正比 C ．粒子在磁场中运动的时间为 2 2BR U π D ．粒子第13．粒子回旋加速器的工作原理如图所示，置于真空中的D 型金属盒的半径为R ，两金属盒间的狭缝很小，
磁感应强度为B的匀强磁场与金属盒盒面垂直，高频率交流电的频率为f，加速器的电压为U，若中心粒子源处产生的质子质量为m，电荷量为+e，在加速器中被加速．不考虑相对论效应，则下列说法正确是（） A．质子被加速后的最大速度不能超过2πRf B．加速的质子获得的最大动能随加速电场U增大而增大 C．质子第二次和第一次经过D D．不改变磁感应强度B和交流电的频率f，该加速器也可加速粒子 4．回旋加速器工作原理示意图如图所示.磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直,两盒间的狭缝很小,粒子穿过的时间可忽略,它们接在电压为U、频率为f的交流电源上,A处粒子源产生的质子在加速器中被加速.质子初速度可忽略，则下列说法正确的是（） A．若只增大交流电压U,则质子获得的最大动能增大 B．若只增大交流电压U,则质子在回旋加速器中运行时间会变短 C．质子第n D．不改变磁感应强度B和交流电频率f,该回旋加速器也能用于加速α粒子 5．如图所示，回旋加速器D形盒的半径为R，所加磁场的磁感应强度为B，用来加速质量为m、电荷量为q的质子，质子从下半盒的质子源由静止出发，加速到最大能量E后，由A孔射出。下列正确的是（） A．回旋加速器不能无限加速质子 B．增大交变电压U，则质子在加速器中运行时间将变短
回旋加速器的五个主要特征 [摘要]：讨论回旋加速器的题目一般在已经学习了带电粒子在磁场中的运动规律，因此本文内容在分析回旋加速器的构造的基础上，研究方便解决高考题的回旋加速器五个特征，使这类题目不再是难题 [关键字]：回旋加速器、带电粒子、D型盒 一、回旋加速器的工作原理 回旋加速器的工作原理如图所示．放在A0处的粒子源发出一个带正电的粒子，它以某一速率v0垂直进入匀强磁场，在磁场中做匀速圆周运动．经过半个周期，当它沿着半圆弧A0A1到达A1时，在A1A1′处造成一个向上的电场，使这个带电粒子在A1A1′处受到一次电场的加速，速率由v0增加到v1．然后粒子以速率v1在磁场中做匀速圆周运动．我们知道，粒子的轨道半径跟它的速率成正比，因而粒子将沿着半径增大了的圆周运动．又经过半个周期，当它沿着半圆弧A1′A2′到达A A2′A2处造成一 个向下的电场，使粒子又一次受 到电场的加速，速率增加到v2．如 此继续下去，每当粒子运动到A1 A1′、A3A3′等处时都使它受到向 上电场的加速，每当粒子运动到A2′A2、A4′A4等处时都使它受到向下电场的加速，粒子将沿着图示的螺线A0A1A1′A2′A2……回旋下去，速率将一步一步地增大．
带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期T＝2πm/qB跟运动速率和轨道半径无关，对一定的带电粒子和一定的磁感应强度来说，这个周期是恒定的．因此，尽管粒子的速率和半径一次比一次增大．运动周期T却始终不变，这样，如果在直线AA、A′A′处造成一个交变电场，使它也以相同的周期T往复变化，那就可以保证粒子每经过直线AA和A′A′时都正好赶上适合的电场方向而被加速．回旋加速器的核心部分是两个D形的金属扁盒,这两个D形盒就 像是沿着直径把一个圆形的金属扁盒切成的两 半．两个D形盒之间留一个窄缝，在中心附近 放有粒子源．D形盒装在真空容器中，整个装置 放在巨大电磁铁的两极之间，磁场方向垂直于D 形盒的底面．把两个D形盒分别接在高频电源的两极上，如果高频电源的周期与带电粒子在D形盒中的运动周期相同，带电粒子就可以不断地被加速了．带电粒子在D形盒内沿螺线轨道逐渐趋于盒的边缘，达到预期的速率后，用特殊装置把它们引出． 二、回旋加速器的五个主要特征 1、带电粒子在D型盒中回转周期等于两盒狭缝间高频电场的变化周期，与带电粒子速度无关（磁场保证带电粒子做回旋运动） 2、带电粒子在D形金属盒内运动的轨道半径：不等距分布。 设正离子的质量为m，电荷量为q，狭缝间加速电压大小为U，离子从离子源飘出，经电场加速第一次进入左半盒时速度和半径分别为 ，。
回旋加速器的原理 回旋加速器的工作原理如图所示，设离子源中放出的是带正电的粒子，带正电的粒子以一定的初速度v 0进入下方D 形盒中的匀强磁场做匀速圆周运动，运行半周后回到窄缝的边缘，这时在A 1、A 1′间加一向上的电场，粒子将在电场作用下被加速，速率由v 0变成v 1，然后粒子在上方D 形盒的匀强磁场中做圆周运动，经过半个周期后到达窄缝的边缘A 2′，这时在A 2A 2′间加一向下的电场，使粒子又一次得到加速速率变为v 2，这样使带电粒子每通过窄缝时被加速，又通过盒内磁场的作用使粒子回旋到窄缝，通过反复加速使粒子达到很高的能量. 带电粒子在磁场中运动的半径为R =qB mv ，所以粒子被加速后回旋半径一次比一次增大， 而带电粒子在磁场中运动的周期T =qB m 2，所以粒子在磁场中运动的周期始终保持不变，这 样只要加在两个电极上的高频电源的周期与带电粒子在磁场中运动的周期相同，就可以保证粒子每经过电场边界AA 和A ′A 时正好赶上合适的电场方向而被加速. 由于相对论效应，当粒子速率接近光速时，粒子的质量将显著增加，从而粒子做圆周运动的周期将随粒子速率的增长而增长，如果加在D 形盒两极的交变电场的周期不变的话，粒子由于每次“迟到”一点而不能保证经过窄缝时总被加速，因此，为了使粒子每次穿过窄缝时仍能不断得到加速，必须使交变电场的周期随着粒子加速的过程而同步变化，根据这个原理设计的回旋加速器叫做同步回旋加速器.另外采用多级电场加速的直线型装置不存在这种困难，这种多级加速装置在过去没有条件建造，现在已经建造出来，科学家们称它为直线加速器，长度达几千米到几十千米，如图所示的长约3 km 的斯坦福大学直线加速器.
高二物理“回旋加速器”工作原理参考资料2011.12.3 带电粒子在电场中的运动的应用---回旋加速器(重点了解工作原理) 思考：怎样对带电粒子加速，使粒子具有较大的能量？ （1）直线加速器 ①加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电的粒子动能增加，即qU =ΔE k ②直线加速器的多级加速：书上图3．6—5所示的是多级加速装置的原理图，由动能定理可知，带电粒子经N级的电场加速后增加的动能，ΔE k=q（U1+U2+U3+U4+…U n） ③直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间内制造直线加速器受到一定的限制。（2）思考：有没有什么办法可以让带电粒子在加速后又转回来被第二次加速，即反复“转圈圈”式的被加速，而磁场正好能使带电粒子“转圈圈”！ 学生活动：自主阅读课本，并阅读“思考与讨论”分析回旋加速器的加速原理 磁场的作用：交变电场以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，其周期在q、m、B不变的情况下与速度和轨道半径无关，带电粒子每次进入D形盒都运动相等的时间（半个周期）后平行电场方向进入电场加速。 电场的作用：回旋加速器的的两个D形盒之间的夹缝区域存在周期性变化的并垂直于两个D形盒正对截面的匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速。 交变电压的作用：为保证交变电场每次经过夹缝时都被加速，使之能量不断提高，须在在夹缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压。 带电粒子经加速后的最终能量：（运动半径最大为D形盒的半径R） 由R=mv/qB 有v=qBR/m 所以最终能量为E m=mv2/2 = q2B2R2/2m ,下列说法不正确的是 A．电场用来加速带电粒子,磁场则使带电粒子回旋 B．电场和磁场同时用来加速带电粒子 C．在交流电压一定的条件下,回旋加速器的半径越大,同一带电粒子获得的动能越大 D．同一带电粒子获得的最大动能只与交流电压的大小有关,而与交流电压的频率无关