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博士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,图甲为他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.如此周而复始,最后到达D型盒的边缘,获得最大速度后被束流提取装置提取.设被加速的粒子为质子,质子的电荷量为q,质量为m,加速时电极间电压大小恒为U,磁场的磁感应强度为B,D型盒的半径为R,狭缝之间的距离为d,质子从离子源出发时的初速度为零,分析时不考虑相对论效应.
(1)求质子经第1次加速后进入一个D形盒中的回旋半径与第2次加速后进入另一个D形盒后的回旋半径之比;
(2)若考虑质子在狭缝中的运动时间,求质子从离开离子源到被第n次加速结束时所经历的时间;
(3)若要提高质子被此回旋加速器加速后的最大动能,可采取什么措施?
(4)若使用此回旋加速器加速氘核,要想使氘核获得与质子相同的最大动能,请你通过分析,提出一个简单可行的办法.
(1)设质子经过窄缝被第n次加速后速度为vn,由动能定理 nqU=
m1 2
①v 2n
第n次加速后质子在磁场中做匀速圆周运动的半径为Rn,由牛顿第二定律 Bqvn=
②m v 2n Rn
由以上两式解得 Rn=
=mvn qB n•mqU qB
则
=R1 R2
=1 2 2 2
(2)由牛顿第二定律
=ma ③qU d
质子在狭缝中经n次加速的总时间 t1=
④vn a
联立①③④解得电场对质子加速的时间 t1=2nm qU
质子在磁场中做匀速圆周运动的周期 T=
⑤2πm qB
粒子在磁场中运动的时间 t2=(n-1)
⑥T 2
联立⑤⑥解得 t2=(n-1)πm qB
故质子从离开离子源到被第n次加速结束时所经历的时间
t=t1+t2=
+2nm qU (n-1)πm qB
(3)设质子从D盒边缘离开时速度为vm 则:Bqvm=
⑦m v 2m R
质子获得的最大动能为 EKm=
m1 2
=v 2m
⑧q2B2R2 2m
所以,要提高质子被此回旋加速器加速后的最大动能,可以增大加速器中的磁感应强度B.
(4)若加速氘核,氘核从D盒边缘离开时的动能为Ek′则:Ek′=
=Ekm ⑨q2
R2B 21 2×2m
联立⑧⑨解得 B1=
B 即磁感应强度需增大为原来的2
倍 2
高频交流电源的周期T=
,由质子换为氘核时,交流电源的周期应为原来的2πm qB
倍. 2
答:(1)质子经第1次加速后进入一个D形盒中的回旋半径与第2次加速后进入另一个D形盒后的回旋半径之比
;2 2
(2)质子从离开离子源到被第n次加速结束时所经历的时间t=
+2nm qU
;(n-1)πm qB
(3)要提高质子被此回旋加速器加速后的最大动能,可以增大加速器中的磁感应强度B;
(4)若使用此回旋加速器加速氘核,即磁感应强度需增大为原来的
倍,交流电源的周期应为原来的2
倍.2