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1.4 质谱仪与回旋加速器
补充一：速度选择器 （选二，P12，EX3）
　　在科学研究和工业生产中，常需要将一束带等量电荷的粒子分开，以便知道其中所含物质的成分。利用所学的知识，你能设计一个方案，以便分开电荷量相同、质量不同的带电粒子吗？
分开比荷不同的带电粒子的方案
猜想一：
先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强电场使带电粒子偏转，从而把它们分开。原理图如图所示：
U0
L
y
U d
m , q
（1）先加速
（2）再偏转（类平抛运动）
由：
得：
纵向：
横向：
得：
由粒子的轨迹方程可知，粒子的轨迹与粒子的性质无关，无法分开比荷不同的粒子。
分开比荷不同的带电粒子的方案
猜想二：
先用加速电场加速比荷不同的带电粒子，再用匀强磁场使带电粒子偏转，从而把它们分开。原理图如图所示：
（1）先加速
（2）再偏转(匀速圆周运动）
由：
得：
得：
由粒子的轨道半径表达式可知，比荷不同的带电粒子的半径不同，这种方法可以分开比荷不同的粒子。
U0
B
m , q
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、结构及作用 ：
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粒子速度选择器：使具有相同速度的粒子进入偏转磁场
④偏转磁场：使不同带电粒子偏转分离
⑤照相底片：记录不同粒子偏转位置及半径
电离室
加速电场
偏转磁场
照相底片
速度选择器
一、质谱仪
3、原理：
4、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
电加速，磁偏转
例1、如图所示，a、b、c、d为四个正离子，电量相等，速度大小关系为va＜vb= vc＜vd，质量关系为ma= mb＜mc= md，同时沿图示方向进入粒子速度选择器后，一粒子射向P1板，一粒子射向P2板，其余两粒子通过速度选择器后，进入另一磁场，分别打在A1和A2两点。则射到P1板的是____粒子，射到P2板的是___粒子，打在A1点的是____粒子，打在A2点的是____粒子。
a
d
c
b
1．加速原理：利用加速电场对带电粒子做正功使带电粒子的动能增加，qU= Ek．
2．直线加速器，多级加速如图所示是多级加速装置的原理图：
(一)、直线加速器
由动能定理得带电粒子经n极的电场加速后增加的动能为：
3．直线加速器占有的空间范围大，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制．
二、回旋加速器
直线加速器
多级直线加速器应具备的条件：
①利用电场加速带电粒子；
②通过多级加速获得高能粒子；
③加速电场以外的区域静电屏蔽，粒子匀速；
④采用交变电源提供加速电压；
⑤电场交替变化与带电粒子运动应满足同步条件。
了解劳伦斯
劳伦斯(Ernest Orlando Rawrence)是美国著名物理学家、回旋加速器的发明者，1901年8月8日出生于美国达科他州南部的坎顿，是一个教书世家，其祖父及父母都是教师，他年仅30岁就闻名于全世界。1930年，劳伦斯受聘于伯克利加利福尼亚大学担任物理学教授。为了研究核物理，劳伦斯提出一种使粒子作曲线运动并同时加速的方案。因人工放射性方面的成果于1939年获诺贝尔物理学奖。1940年，劳伦斯成为麻省理工学院内的另一辐射实验室的美国物理学家之一。在他的实验室中工作过的人，有八人获诺贝尔奖的殊荣，其中四人是劳伦斯的徒弟或低级合作者，另外四人则是以别的方式同“辐射实验室”有联系的。
此加速器可将质子和氘核加速到1MeV的能量，为此1939年劳伦斯获得诺贝尔物理学奖.
1932年劳伦斯研制第一台回旋加速器的D型室.
1．回旋加速器：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进行多级加速．利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子的装置。
(二)、回旋加速器
2、结构及作用 ：
①两个大磁极 ：在带电粒子运动范围内产生很强的匀强磁场，使带电粒子做匀速圆周运动。
②两个D形扁平铜盒：使D形盒内部有磁场没有电场。使带电粒子的圆周运动不受电场影响。
③D形盒间的窄缝：使带电粒子在这一区间被电场加速。
④交变电场：交变电场的周期等于粒子做匀速圆周运动的周期。使带电粒子在D形盒间的窄缝被加速。
接高频
电源
狭缝
原理图
粒子源






3、工作原理：
①带电粒子在D形盒中运行的周期：
（1）加速条件
②每过 电场方向要改变一次，以保证带电粒子始终被加速。
③电场的变化周期要等于粒子的运动周期：
电加速，磁偏转
3、原理：
（2）粒子最大动能：
（离开半径与D形盒半径相同）
对某种粒子q、m一定，粒子获得的最大动能由磁感应强度B和回旋加速器的半径R决定，与加速度电压的大小无关。
3、原理：
（3）回旋加速器不可无限加速。
粒子速度v接近光速c时，质量变大，在磁场中运动周期改变，与交变电场周期不同步。
改进：
1.在磁场中做圆周运动,周期不变
2.每一个周期加速两次
3.电场的周期与粒子在磁场中做圆周运动周期相同
4.电场一个周期中方向变化两次
5.粒子加速的最大速度由盒的半径决定
6.电场加速过程中,时间极短,可忽略
4.回旋加速器的特点
费米实验室环形加速器
——美国伊利诺依州
——同步加速器
法国东南部格勒诺布尔
我国于1994年建成的第一台强流质子加速器 ，可产生数十种中短寿命放射性同位素 .
补充二：磁流体发电机（选二，P12，EX4）

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