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(共18张PPT)
带电粒子在匀强磁场中的圆周运动
（第三课时）
如何获得能量很高的粒子？
困难：技术上难以产生过高的电压。
方案一：直线加速器
v0=0
U
根据动能定理：
利用电场使带电粒子加速。
如何获得能量很高的粒子？
困难：真空中的加速距离有限制，建造数千米的直线加速器已很困难。
金属圆筒
方案二：多级直线加速器
如何实现既能不断加速粒子，又能减小设备长度？
北京正负电子对撞机(BEPC)
直线加速器长202m
斯坦福线性对撞机(SLAC)
长达3.2km
方案三：回旋加速器
可以把多级加速电场卷起来，节省空间。
利用磁场改变带电粒子的运动轨迹，让带电粒子转圈式的多级加速。
如何让带电粒子做曲线运动？
问题
如何获得能量很高的粒子？
世界上第一台回旋加速器（劳伦斯）
回旋加速器原理（立体图）
D1
D2
回旋加速器工作原理
方案三：回旋加速器
B
如何实现“转圈式”多级加速？
粒子源G
在电场中加速
在磁场中偏转
改变电场方向，再次加速
在磁场中偏转（r变大）
不断加速，达到预期速率引出。
v1
v2
v3
v4
~
E
G
D形盒狭缝间的电场是不断变化的。
问题
D形盒狭缝
D1
D2
如何让带电粒子再次加速？
带电粒子在磁场中的运动轨迹有何变化？
回旋加速器原理（俯视图）
f
f
f
周期不变，因此粒子每次在磁场中运动的时间相等。
电场变化的周期恒定吗？
问题
粒子的速率增大。
D形盒狭缝
G
D1
D2
v1
v2
v3
v4
~
E
B
电场变化的周期 ，是恒定的。
回旋加速器原理（俯视图）
由于相对论效应，粒子圆周运动的周期随速率的增大而增大，与回旋加速器中电场的变化周期不再相同，限制能量增加。
带电粒子的能量能否无限增大？
问题
限制一：D形盒半径和磁铁面积有限制。
限制二：粒子的速度不会超过光速。
当带电粒子趋于D形盒边缘时会被引出，此时动能最大。
粒子最大动能：
最大动能与粒子的荷质比、磁感应强度、D形盒半径有关，与加速电压无关。
带电粒子在回旋加速器中获得的最大动能与哪些因素有关？
问题
B
R
提高加速电压，能否增加粒子获得的最大动能？
回旋加速器原理（立体图）
回旋加速器可以同时加速同位素吗？
同位素的荷质比不同
做匀速圆周运动的周期不同
电场变化的周期不同
无法同时加速
思考
PET（正电子发射断层显像）-CT（计算机断层显像）成像
医用回旋加速器将粒子加速到需要的能量，再轰击靶材料，获得PET-CT成像所必需的正电子放射性核素。
回旋加速器的用途
回旋加速器的用途
BNCT装备
硼中子俘获疗法（BNCT）离不开加速器提供的中子。
高能粒子加速器
LHC是目前世界上能量最高的粒子加速器，周长27公里。最高质子对撞能量高达 14TeV。
欧洲核子研究中心 大型强子对撞机(LHC)
分析物质最基本的组成成分
研究物质间的相互作用
发现新粒子……
高能粒子加速器对于人们探寻物质本质起到了关键性作用。
上海同步辐射光源(SSRF)
同步辐射光源
思考
如图是回旋加速器的示意图，加速器由两个铜质D形盒D1和D2构成，其间留有空隙，粒子源G产生带电粒子在加速器中加速。
(1)带电粒子获得的能量从何而来？
(2)带电粒子每运动一周被加速几次？
解答
从能量的角度分析
(1)电场力对带电粒子做功，而洛伦兹力对带电粒子不做功，因此带电粒子从电场中获得能量。
(2)带电粒子每运动一周进入电场两次，因此被加速两次。
G
D1
D2
~
B
课堂小结
结构
带电粒子源
回旋加速器
用途
交变电场
偏转磁场
基础物理研究
医疗成像、癌症治疗
同步辐射光源
直线加速器
D形金属盒
章末小结
安培力
方向
洛伦兹力
磁场
磁体
通电导体
大小
运动电荷
方向
大小
f = qvB
F= BIL
左手定则
左手定则
宏观体现
相互作用
应用
应用
回旋加速器
质谱仪……
磁电式电表
电动机……

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