质谱仪与回旋加速器共36页文档

直线加速器优点是结构简单，可以把粒子的能量加速到 足够大，缺点是加速器的空间尺寸太大,实验必须在真空 条件下进行,20世纪初要获得大范围的真空条件同样是困 难的.
三.回旋加速器
思考与讨论：能否让粒子加速后拐个弯，从而在 一个有限的空间里多次加速呢？如何拐弯？
1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器， 实现了在较小的空间范围内对带电粒子进行多级 加速。
r
1 B
2mU q
一.质谱仪
一.质谱仪
典型例题
例1.如图为质谱仪原理示意图，电荷量为q、质量为m的带正电的 粒子从静止开始经过电压为U的加速电场后进入粒子速度选择
器．选择器中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场，匀强电场的
场强为E、方向水平向右．已知带电粒子能够沿直线穿过速度选择 器，从G点垂直MN进入偏转磁场，该偏转磁场是一个以直线MN
三.回旋加速器
4.从发射到离开一共加速几次？ 每次加速获得能量qU，故加速次数：
n Ek qB2R2 qU 2mU
5.粒子在磁场中一共运动多少时间？ 每次加速后转半圈，故磁场中时间：
t磁
nT 2
BR 2
2U
6.如果要求电场中的时间呢？
法一：t电
v a
BdR U
法二：nd
1 2
at电2
t电
BdR U
； (2)E
m 2qU
方向垂直纸面向外；(3)L2
2mU q
要认识原子核内部的情况，必须把核“打开”进 行“观察”。然而，原子核被强大的核力约束， 只有用极高能量的粒子作为“炮弹”去轰击，才 能把它“打开”。产生这些高能“炮弹”的“工 厂”就是各种各样的粒子加速器。
问题：如何才能把粒子加速？

m,q
一、质谱仪
1、质谱仪：
利用磁场对带电粒子的偏转，由带电粒子的电荷量、轨道半径确定其质量的仪器。
2、结构 ：
①电离室：使中性气体电离，产生带电粒子
②加速电场：使带电粒子获得速度
③偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离
④照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径
3、作用：
①可测粒子的质量及比荷
②与已知粒子半径对比可发现未知的元素和同位素
磁场时间与D型盒半径、
磁感应强度、电压U有关
电场时间与缝间距、D型盒半
径、磁感应强度、电压U有关
三、课堂小结
一. 质谱仪
r
1 2mU
B
q
qB 2 r 2
m
2U 0
二. 回旋加速器
T电 q2 B 2r 2
Ek mv
2
2m
二、回旋加速器
2、相关计算
①磁场的作用是什么？写出粒子进入磁场后半径表达
式？周期？粒子在磁场中运动特点？
半 r mv
径
qB
周 T 2 m
期
qB
1
周期与粒子
的速度无关
②再次进入电场，怎么保证能做加速运动？
2 m
T电 T磁
qB
粒子源
狭缝
4
2
3
5
接高频
电源
0
想一想：在我们讨论带电粒子的回旋
进行多次加速。
二、回旋加速器
认识：回旋加速器由两个中空的半圆金属盒构成，两盒之间留有狭缝，
狭缝内有加速电场。粒子源产生的带电粒子，在两盒之间被电场加速。两
个半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，所以粒子在磁场中做匀速圆周运
动。经过半个圆周之后，当粒子再次到达两盒间的缝隙时，这时控制两盒

T n m BR2
tn
2 Bq
2U
【拓展】若加速过程的时间不能忽略又如何？
【拓展】 设在回旋加速器D形盒中加的匀强磁场的磁感应强度 为B，D形盒最大半径为R, 用来加速质量为m、带电荷量为q的 离子, 每次加速时的电压为U，保持不变, 现将离子加速到最大动 能, 从D形盒边缘引出, 求离子从静止开始加速到引出的全过程的 运动总时间(忽略加速过程的时间).
答案
4U lv1
图4
解析 设甲种离子所带电荷量为q1，质 量为m1，在磁场中做匀速圆周运动的半 径为R1，磁场的磁感应强度大小为B，
由几何关系知2R1＝l
③
(2)甲、乙两种离子的比荷之比.
(2)甲、乙两种离子的比荷之比. 答案 1∶4
解析 设乙种离子所带电荷量为q2，质 量为m2，射入磁场的速度为v2，在磁场 中做匀速圆周运动的半径为R2.
qB2
(4) 在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为 x = 2 r
(5) 联立以上各式可得粒子的比荷和质量分别为
q m
=
8U B22 x22
m = qB22 x22 8U
4. 测量：不同质量的带电粒子打出不同谱线, 每一条谱线对应一定
的质量（或比荷）.
例1.如图4，从离子源产生的甲、乙两种离子，由静止经加速电压U加速 后在纸面内水平向右运动，自M点垂直于磁场边界射入匀强磁场，磁场 方向垂直于纸面向里，磁场左边界竖直.已知甲种离子射入磁场的速度大 小为v1，并在磁场边界的N点射出；乙种离子在MN的中点射出；MN长 为l.不计重力影响和离子间的相互作用.求： (1)磁场的磁感应强度大小；
如果尽量增强回旋加速器的磁场或加大D形盒半径， 我们是不是就可以使带电粒子获得任意高的能量吗？

【答案】（1）正电；（2）
2 B
2mU q
；（3） d12
:
d22
解析：（1）由粒子在磁场中的运动轨迹根据左手定则可得出粒子带正电；
（2）粒子在电场中加速，根据动能定理
qU 1 mv2 2
粒子在磁场中做匀速圆周运动时，洛伦兹力提供向心力
联立解得
qvB m v2 R
d 2R
（3）由（2）中结论对同位数可得
图1
二、回旋加速器
1.回旋加速器的构造：两个D形盒，两D形盒接_交___流电源，D形盒
处于垂直于D形盒的匀强_磁__场_中，如图2.
2.工作原理
(1)电场的特点及作用
特点：两个D形盒之间的窄缝区域存在
_周__期__性__变__化__的电场.
作用：带电粒子经过该区域时被_加__速__.
图2
(2)磁场的特点及作用
2
r
Bq
位素电荷量 q 相同，质量不同，在质谱仪照相底片上显示的位置就不同，
故能据此区分同位素. 2.回旋加速器 (1)粒子被加速的条件 带电粒子要保障每次进入电场中能够使其运动速度方向与电场力
方向相同即可被加速，这就要求交流电压的周期等于粒子在磁场 中运动的周期.
(2)粒子最终的能量 粒子速度最大时的半径等于 D 形盒的半径，即 rm＝R，rm＝mvm，则粒
特点：D形盒处于与盒面垂直的_匀__强__磁场中.
作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做_匀__速__圆__周__运动，从而
改变运动__方__向__，__半__个__圆周后再次进入电场.
02
HEXINJIEYI
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核心解疑
掌握要点
1.质谱仪区分同位素：由 qU＝1mv2 和 qvB＝m v2可求得 r＝1 2mU.同