高中物理回旋加速器

回旋加速器原理高中物理
回旋加速器原理高中物理回旋加速器是一种利用电场和磁场加速带电粒子的装置，主要用于研究微观世界和核物理实验。

其原理可以简单地概括为以下几点：
1.电场加速：回旋加速器中首先通过电场加速器将带电粒子加速到一定速度。

这个电场是通过高压电源产生的，使得粒子获得动能。

2.磁场导引：在加速过程中，磁场被用来导引粒子沿着预定的轨道运动，保持粒子在轨道上运动而不偏离。

这个磁场是通过电磁铁产生的，电磁铁通电后会产生磁场，控制粒子运动方向。

3.交变电场加速：粒子在运动过程中，会穿过一系列交变电场区域，这些电场的方向会周期性地变化。

当粒子穿过这些区域时，电场的方向变化会给粒子一个额外的推动，加速粒子运动。

4.定向磁场：粒子在加速过程中会穿过一系列定向磁场区域，这些磁场的方向使得粒子在每一段路径上都会绕着一个稳定的轴旋转，保持其在轨道上运动。

5.不断加速：粒子会在加速器内多次穿越电场和磁场区域，每次穿越都会增加粒子的速度和能量，最终使得粒子达到目标速度。

通过以上过程，回旋加速器可以将带电粒子加速到很高的速度，从而可以在微观尺度上研究物质的性质和核反应等。

高二物理回旋加速器知识点回旋加速器是一种用于将带电粒子加速到高速的装置。

它广泛应用于高能物理实验和医学放射治疗等领域，具有重要的科学研究和应用价值。

一、回旋加速器的基本原理回旋加速器的基本原理是利用交变电压和磁场相互作用产生的回旋力，使带电粒子在磁场中做回旋运动，并通过逐渐加大电压和磁场的方式，不断增加粒子的动能，实现对粒子的加速。

二、回旋加速器的主要部件1. 加速腔回旋加速器的核心部件是加速腔，它负责产生高频电场，将带电粒子加速。

加速腔通常采用谐振腔结构，具有较高的品质因数和稳定的谐振频率。

2. 磁铁系统磁铁系统包括磁铁和磁场调节系统，它们共同产生稳定的磁场，用于控制粒子的运动轨道和回旋半径。

磁铁通常采用超导磁体，具有较高的磁场强度和较小的能量损耗。

3. 真空系统由于粒子在加速过程中需要在真空环境中运动，所以回旋加速器还需要配备高度精密的真空系统，以保证实验的稳定进行。

三、回旋加速器的工作过程回旋加速器的工作过程可以分为以下几个步骤：1. 加速腔产生高频电场。

2. 加速器中的粒子进入加速腔并受到电场力加速。

3. 粒子由于受到磁场力的作用，开始做回旋运动。

4. 通过逐渐增加电压和磁场强度，不断增加粒子的动能和速度。

5. 在达到所需能量后，粒子被提取出来，用于后续实验或应用。

四、回旋加速器的应用回旋加速器在物理学研究和应用中具有广泛的应用价值，主要体现在以下几个方面：1. 高能物理实验回旋加速器在高能物理实验中扮演着重要的角色，能够加速粒子到高速，并产生高能束流，用于对物质的结构和性质进行研究，深入探索物质构成的最基本粒子。

2. 医学放射治疗回旋加速器被广泛应用于医学放射治疗领域，可以用于肿瘤的放疗，通过加速带电粒子的运动，辐射到肿瘤组织，达到治疗的效果，同时最大限度地减少周围正常组织的损伤。

3. 同位素生产回旋加速器还可以用于同位素生产，通过改变回旋加速器中的粒子种类和能量，实现对目标物质的放射性同位素的生成，用于医学诊断、环境监测等领域。

回旋加速器高中知识点
回旋加速器是高中物理中的一种实验仪器，它的主要作用是通过电场和磁场的作用使带电粒子在空间中不断加速，最终达到提高其速度的目的。

以下是关于回旋加速器的知识点：
1. 结构特点：回旋加速器由两个D形金属盒构成，中间有很强的匀强磁场B。

带电粒子从一端以某一初速度进入该装置后，会在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，并被限制在其中来回加速。

2. 工作原理：利用电场将带电粒子加速，同时又通过周期性的磁场使其做匀速圆周运动，且轨道半径增大变慢而不断得到加速。

由于洛仑兹力和粒子速度大小成正比（洛仑兹常数与磁场B及粒子的质量、电量有关），随着半径的变大（R ∝1/v）里由速度产生的总角动量变化得越来越小(dL=mrω=mv^2/r)，但荷质比的平方则保持不变,r变大那么里面的辐射区对半径大于射程的最外层磁场的屏蔽就越来越大，导致加速效果越来越明显，这样循环往复地使用使得带电粒子不断获得能量得以飞出。

3. 注意事项：要注意回旋加速器并不是一个理想的加速工具，它只能无限接近于给定的目标能量，而不能真正实现无限次数的完全加速。

4. 应用范围：回旋加速器通常用于研究带电粒子的加速问题，以及进行某些高能物理实验。

以上就是关于回旋加速器的部分知识点，希望对你有所帮助。

如有其他疑问或需要更详细的信息，建议查阅相关书籍或咨询专业教师。

考点6 回旋加速器回旋加速器(选修3-1第三章：磁场的第六节带电粒子在匀强磁场中的运动)★★★★○○回旋加速器：是利用磁场和电场共同使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置。

1、构造：如图乙所示，D 1、D 2是半圆形金属盒，D 形盒的缝隙处接交流电源，D 形盒处于匀强磁场中。

2、原理：交流电的周期和粒子做圆周运动的周期相等，粒子在圆周运动的过程中一次一次地经过D 形盒缝隙，两盒间的电势差一次一次地反向，粒子就会被一次一次地加速。

由qvB ＝mv 2r ，得E km ＝2222q B r m，可见粒子获得的最大动能由磁感应强度B 和D 形盒半径r 决定，与加速电压无关。

回旋加速器的主要特征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，与带电粒子的速度无关。

2、将带电粒子在两盒狭缝之间的运动首尾连起来是一个初速度为零的匀加速直线运动。

3、带电粒子每加速一次，回旋半径就增大一次，所以各半径之比为1∶2∶3…4、粒子的最后速度v ＝BqR m，可见带电粒子加速后的能量取决于D 形盒的最大半径和磁场的强弱。

5、决定带电粒子在回旋加速器内运动时间长短的因素：带电粒子在回旋加速器内运动时间长短，与带电粒子做匀速圆周运动的周期T 有关，同时还与带电粒子在磁场中转动的圈数n 有关。

设带电粒子在磁场中转动的圈数为n ，加速电压为U 。

因每加速一次粒子获得的能量为qU ，每圈有两次加速。

结合E k n ＝2222q B r m知，2nqU ＝2222n q B r m ，因此n ＝224n qB r mU 。

所以带电粒子在回旋加速器内运动时间t ＝nT ＝222242n n qB r Br m mU Bq Uππ⨯=。

6、该知识点的困难在理解加速器的结构和原理，理解加速器的最大动能和电源的交流频率与粒子周期的关系等。

例：1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示，这台加速器由两个铜质D 形盒D 1、D 2构成，其间留有空隙，下列说法不正确的是 ( )A. 带电粒子由加速器的中心附近进入加速器B. 带电粒子由加速器的边缘进入加速器C. 电场使带电粒子加速，磁场使带电粒子旋转D. 离子从D 形盒射出时的动能与加速电场的电压无关【答案】B【点拨】解决本题的关键掌握加速器的工作原理以及加速器的构造，注意粒子从电场中获得能量，但是出回旋加速器的最大速度与电场无关，与磁感应强度和D形盒的半径有关．1、（河北省张家口市第一中学2016-2017学年高一下学期（衔接班）期末）如图所示，回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得很大动能的装置，其核心部分是两个“D”型金属盒，置于匀强磁场中，两盒分别于高频交流电源相连，则带电粒子获得的最大动能与下列哪些因素有关A. 加速的次数B. 加速电压的大小C. 交流电的频率D. 匀强磁场的磁感应强度【答案】D【点拨】解决本题的关键知道回旋加速器电场和磁场的作用，知道粒子的最大动能与加速的电压无关，与磁感应强度大小和D形盒的半径有关2、回旋加速器是用来加速带电粒子的装置，如图所示．它的核心部分是两个D形金属盒，两盒相距很近，分别和高频交流电源相连接，两盒间的窄缝中形成匀强电场，使带电粒子每次通过窄缝都得到加速．两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，带电粒子在磁场中做圆周运动，通过两盒间的窄缝H)时反复被加速，直到达到最大圆周半径时通过特殊装置被引出．如果用同一回旋加速器分别加速氚核(31He)，比较它们所加的高频交流电源的周期和获得的最大速度的大小，有( )和α粒子(42A. 加速氚核的交流电源的周期较大，氚核获得的最大速度也较大B. 加速氚核的交流电源的周期较大，氚核获得的最大速度较小C. 加速氚核的交流电源的周期较小，氚核获得的最大速度也较小D. 加速氚核的交流电源的周期较小，氚核获得的最大速度较大【答案】B【点拨】解决本题的关键知道带电粒子在磁场中运动的周期与交流电源的周期相同，以及会根据2vqvB m求出粒子的最大速度。

回旋加速器(含详解)
回旋加速器是一种特殊的粒子加速器，它可以将质子或羟基离子加速到非常高的能量
水平。

它是最古老的和最重要的粒子加速器之一，在研究物质的结构和组成方面发挥着重
要作用。

回旋加速器是一种复杂的机械结构，它把匀速旋转的磁体用于加速微粒。

它的结构由
电极和磁体构成，电极提供给磁体极性场，而磁体则把质子或羟基离子加速到多次位移电
场值。

在最基本的原理中，磁体内侧到周围侧的压力会引发精确的振荡和折射，在此过程中，磁场会对微粒施加力，以达到向下照射的效果，即把加速器中的质子或羟基离子加速到非
常高的能量水平。

回旋加速器也可以通过切换电极的极性来控制微粒的加速过程。

一般来说，加速器将
多次地反复加速粒子，从而使其能量不断积累，并最终达到理论上所需的最高能量。

回旋加速器在原子核实验中有广泛的应用，如用来发生X射线的低能离子，用于合成
放射性核素的高能离子，也用于铌同位素的分装反应，以及仿真。

其他应用还包括医学治疗、计算机显示器内部散热研究等。

总而言之，回旋加速器具有极高的精度，并可以将质子或羟基离子加速到专业研究中
所需的最高能量。

它的应用范围非常广泛，从原子核实验到医疗治疗，极大地拓宽了研究
领域。

高考母题解读高考题千变万化，但万变不离其宗。

千变万化的新颖高考题都可以看作是由母题衍生而来。

研究高考母题，掌握母题解法规律，使学生触类旁通，举一反三，可使学生从题海中跳出来，轻松备考，事半功倍。

母题10、回旋加速器【解法归纳】回旋加速器是加速带电粒子的装置，离子由加速器的中心附近进入加速器，经过回旋加速后从加速器的边缘出加速器，离子通过电场加速从电场中获得能量。

回旋加速器粒子运动周期与狭缝上所加交变电压的周期相等。

回旋加速器狭缝所加交变电压的周期等于粒子做匀速圆周运动的周期，粒子回旋一周加速两次。

由可知粒子加速后的最大动能E km=，与加速电压无关。

典例（2011天津理综卷）回旋加速器在核科学、核技术、核医学等高新技术领域得到了广泛应用，有力地推动了现代科学技术的发展。

（1）当今医学影像诊断设备PET/CT堪称“现代医学高科技之冠”，它在医疗诊断中，常利用能放射正电子的同位素碳11作为示踪原子。

碳11是由小型回旋加速器输出的高速质子轰击氮14获得，同时还产生另一粒子，试写出核反应方程。

若碳11的半衰期τ为20min，经2.0h剩余碳11的质量占原来的百分之几？（结果取2位有效数字）（2）回旋加速器的原理如图，D1和D2是两个中空的半径为R的半圆金属盒，它们接在电压一定、频率为f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，重力不计），它们在两盒之间被电场加速，D1、D2置于与盒面垂直的磁感应强度为B的匀强磁场中。

若质子束从回旋加速器输出时的平均功率为P，求输出时质子束的等效电流I与P、B、R、f的关系式（忽略质子在电场中的运动时间，其最大速度远小于光速）（3）试推理说明：质子在回旋加速器中运动时，随轨道半径r的增大，同一盒中相邻轨道的半径之差△r是增大、减小还是不变？【解析】（1）核反应方程为①设碳11原有质量为m0，经过t1=2.0h剩余的质量为m r，根据半衰期定义有②设在t时间内离开加速器的质子数为N，则质子束从回旋加速器输出时的平均功率⑥输出时质子的等效电流⑦由上述各式得⑧若以单个质子为研究对象解答过程正确的同样得分。

回旋加速器原理
回旋加速器是一种物理实验装置，用来加速带电粒子。

其原理基于磁场和电场的相互作用。

具体原理如下：
1. 初始状态：在回旋加速器中，首先需要将带电粒子注入到一个空间较大的环形真空室中，并使其保持静止。

2. 注入速度增加：通过电场的作用，给粒子一个初始速度。

例如，可以在加速器中产生一个恒定的电场，在电场中注入粒子，使其获得一个初始速度。

3. 引入磁场：将一个强大的恒定磁场施加在整个环形真空室中，使其垂直于加速器的平面。

这个磁场由电磁铁产生。

4. 粒子运动轨迹：带电粒子在磁场中受到洛伦兹力的作用，该力的方向垂直于粒子运动方向和磁场方向，并且大小与粒子速度和磁场强度相关。

洛伦兹力会将粒子弯曲成一个圆弧轨迹，同时也会使粒子在轨道上匀速运动。

5. 高速轨迹和加速：将更高能量的粒子注入到环形真空室中，加速器会在一条特定轨道上将这些粒子加速到很高的速度。

6. 重复加速过程：在加速器中，可以使用一系列的磁场和电场来重复上述的加速过程，使粒子在每个周期中获得更高的速度，进而达到所需的能量。

通过不断循环加速过程，最终可以将带电粒子加速到非常高的
速度，从而使其具有更高的能量。

这种原理被广泛应用于核物理研究和粒子物理研究等领域。

回旋加速器物理
回旋加速器是一种物理装置，用于加速带电粒子（如质子、电子等）到非常高的能量。

这些装置常被用于粒子物理学研究和核物理实验。

工作原理：
1.加速阶段：回旋加速器利用电场和磁场来加速带电粒子。

首先，粒子被注入
到加速器的环形轨道中。

在加速器的内部，粒子被加速器中的电场加速，并在磁场的作用下沿着环形轨道运动。

这些电场和磁场以精确的时序改变，使得粒子在每一个周期都被加速。

2.不断加速：在每一个周期中，粒子会经过一系列的加速段，其中加速器会增
加粒子的速度和能量。

通常，回旋加速器有一个中心的磁场，粒子会在其中运动，并在多个加速段中不断受到加速，从而达到更高的速度和能量。

3.高速碰撞或用于实验：当粒子达到所需的高能量后，它们可能会被用于撞击
靶标或者在实验室中进行不同类型的粒子物理实验，以探索物质的基本性质、粒子间相互作用和宇宙的基本结构等。

类型：
●环形对撞机（例如大型强子对撞机，LHC）：用于高能物理实验，加速质子或
其他带电粒子，然后使它们在环形轨道上相互碰撞，以探索新粒子或基本粒子的性质。

●同步加速器（例如正负电子对撞机，PEP-II）：通过一系列加速段使粒子速度
逐步增加到同步速度，然后进行实验。

●旋转加速器（例如环形加速器）：粒子被加速器加速并保持在环形轨道上，
以达到更高的能量。

回旋加速器在研究基本物理学、核物理学、粒子物理学等领域发挥着重要作用，帮助科学家们探索并理解物质的基本性质和宇宙的奥秘。

●备课资料一、关于回旋加速器的两个问题回旋加速器是用来使带电粒子加速的仪器,它的内部存在着互相垂直的两个场—-交变电场(电势差为U ）和匀强磁场（磁感应强度为B ），交变电场用来使带电粒子加速，而匀强磁场只用来使带电粒子旋转，回旋加速器的名称即由此而来.它的优点在于能在较小的空间范围内让粒子受到多次电场的加速.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 形盒之间留一个狭缝，在中心附近放有粒子源，交变电场就加在两个D 形盒之间的狭缝处,而匀强磁场则垂直于D 形盒的底面。

为了保证粒子在匀强磁场中每转半圈都正好赶上适合的电场方向而被加速，要求高频交流电源的周期与带电粒子在D 形盒中运动周期相同，当然这其中忽略了带电粒子被加速所需的时间。

根据它的工作原理,回旋加速器一次可以同时加速一束同种带电粒子，加速后这束带电粒子的能量都相同.那么它能不能同时加速一束多种带电粒子，或同时加速一对电量和质量都相等的正离子和负离子呢?现分析如下：根据回旋加速器的工作原理，只要带电粒子的电量和质量的比值相等，它们经过同一加速电场的第一次加速后所获得的速度v 1=m qU /2是相等的；它们以此速度垂直进入匀强磁场后做匀速圆周运动的半径R =mv 1/Bq 是相等的;周期T =2πm /Bq 也是相等的。

转了半圈后经过加速电场的第二次加速后所获得的速度v 2=m qU v /221 仍然是相等的，甚至它们被加速一次所需的时间t =d qU m /2也是相等的（d 为狭缝宽度).由此我们完全可以断定，多种带电粒子（带同种电荷）,只要它们的电量和质量的比值相等,它们在回旋加速器中的运动完全是同步的，完全可以同时被回旋加速器加速，而且加速后这些带电粒子的速度都相同.那么为什么不能同时加速一对电量和质量都相等的正离子和负离子呢?那是由于它们带异种电荷，所以在电场和磁场中的运动方向总是相反的,这样，它们在运动过程中就要发生相撞，即使能够想办法使它们开始运动的时刻相隔半个周期，但由于回旋加速器的出口只有一个,加速后的离子也只能飞出一种.在高中物理练习中经常要求把一些不同的带电粒子分开,例如分开“具有相同动能的质子和α粒子”.由于它们在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径相等而周期不等（α粒子的周期是质子的两倍），有的学生由此认为利用匀强磁场不能做到。

回旋加速器高中知识点回旋加速器是高中物理的一个重要知识点，主要涉及到磁场、电场和洛伦兹力等概念以及带电粒子在两极之间的电场中的运动规律。

以下是一些关键点：1. 回旋加速器的结构和工作原理：回旋加速器由两个D形金属盒构成，中间有高频交流电源（通常为工频）。

当带电粒子的速度进入圆形轨道后，受到高频交变电压的作用而不断改变方向，同时被限制在两个D形盒之间做匀速圆周运动。

2. 电场的周期性变化与粒子运动的周期性匹配：为了使粒子能够不断地从高能级回到低能级并最终获得动能，必须保证电场的变化周期等于粒子的运动周期。

具体来说，应该使用同步辐射方式或某些特定频率的电子学装置来实现这一点。

3. 粒子受洛伦兹力的特点及其应用：粒子在做圆周运动时始终受到与其运动方向垂直的洛伦兹力作用，该力只改变其速度的方向而不影响其大小。

因此，可以通过调节磁感应强度来控制粒子运动的速度和半径，从而实现对其能量的控制。

4. 最大动能和最大速度的关系：根据能量守恒定律可知，粒子的最大动能为Ekm = (Bqv0)²/2m，其中v0为粒子在未加电场时的初始速度。

但实际上，由于在经过多次减速后最后达到回旋半径处已经不是最大动能了，所以理论上可以无限接近于最大动能。

5. D形盒材料的影响因素及研究方法：通过实验测量不同材料的D形盒对粒子能量的影响程度，进而确定最佳的材料选择。

此外，还可以采用理论分析和数值模拟的方法进行辅助研究。

6. 相对论效应的影响：在高能状态下，带电粒子将受到相对论效应的影响，导致其质量和能量发生变化。

这些效应对于实际应用中如何利用回旋加速器提高粒子能量具有重要意义。

7. 其他注意事项：在使用回旋加速器的过程中需要注意安全操作规程，避免出现意外事故；同时也需要定期维护和检修设备以确保正常运行。

总之，回旋加速器是一个复杂而又实用的装置，涉及到的知识点多且广泛。

在学习过程中要注重理解其中的基本概念和原理，并结合实际问题进行分析和应用。

第22讲回旋加速器回旋加速器是用来加速带电粒子的装置，它的工作原理是在匀强磁场中带电粒子做匀速圆周运动的周期与速度无关。

回旋加速器的核心部分是两个D型金属扁盒，如图所示，盒正中间开有一条窄缝，在两个D型盒之间加交变电压，于是在缝隙中形成交变电场，由于屏蔽作用，在D型盒内部电场很弱，D型盒装在真空容器中，整个装置放在巨大电磁铁的两极之间，磁场方向垂直于D型盒的底面。

只要在缝隙中的交变电场的频率不变，便可保证粒子每次通过缝隙时总被加速，粒子的轨道不断增大，并逐渐靠近D型盒边缘。

当达到预期的速率后，再用特殊的装置将它引出。

在D型盒上半面中心出口A处有一正离子源，正离子带电量为q，质量为m，加速时电极间电压大小为U，磁场的磁感应强度为B（加速时的时间很短，在考虑交变电场周期时可不予以考虑，正离子从离子源出发时初速为零）。

解析：考虑以下三方面（1）带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，运动周期与速度无关；（2）上述交变电场的频率不变，与粒子在磁场运动频率一致。

（3）离子能获得的最大动能与D型盒的半径为R有关。

例：(2011年海淀一模/18分）在高能物理研究中，粒子加速器起着重要作用，而早期的加速器只能使带电粒子在高压电场中加速一次，因而粒子所能达到的能量受到高压技术的限制。

1930年，Earnest O. Lawrence 提出了回旋加速器的理论，他设想用磁场使带电粒子沿圆弧形轨道旋转，多次反复地通过高频加速电场，直至达到高能量。

图12甲为Earnest O. Lawrence设计的回旋加速器的示意图。

它由两个铝制D型金属扁盒组成，两个D形盒正中间开有一条狭缝；两个D型盒处在匀强磁场中并接有高频交变电压。

图12乙为俯视图，在D型盒上半面中心S处有一正离子源，它发出的正离子，经狭缝电压加速后，进入D型盒中。

在磁场力的作用下运动半周，再经狭缝电压加速；为保证粒子每次经过狭缝都被加速，应设法使交变电压的周期与粒子在狭缝及磁场中运动的周期一致。