问题
计算题
1932年,劳伦斯和利文斯顿设计出了回旋加速器。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处粒子源产生的粒子,质量为m、电荷量为+q,在加速器中被加速,加速电压为U。加速过程中不考虑相对论效应和重力作用。
(1)求粒子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比;
(2)求粒子从静止开始加速到出口处所需的时间;
(3)实际使用中,磁感应强度和加速电场频率都有最大值的限制。若某一加速器磁感应强度和加速电场频率的最大值分别为Bm、fm,试讨论粒子能获得的最大动能Ekm。
答案
解:(1)设粒子第1次经过狭缝后的半径为r1,速度为v1
qU=
qv1B=m
解得r1=
同理,粒子第2次经过狭缝后的半径r2=
则r2:r1=:1
(2)设粒子到出口处被加速了n圈
2nqU=mv2
qvB=m
T=
t=nT
解得
(3)加速电场的频率应等于粒子在磁场中做圆周运动的频率,即f=
当磁感应强度为Bm时,加速电场的频率应为fBm=
粒子的动能Ek=mv2
当fBm≤fm时,粒子的最大动能由Bm决定
qvmBm=
解得Ekm=
当fBm≥fm时,粒子的最大动能由fm决定
vm=2πfmR
解得Ekm=2π2mR2