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(共18張PPT)
帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的圓周運(yùn)動(dòng)
（第三課時(shí)）
如何獲得能量很高的粒子？
困難：技術(shù)上難以產(chǎn)生過高的電壓。
方案一：直線加速器
v0=0
U
根據(jù)動(dòng)能定理：
利用電場使帶電粒子加速。
如何獲得能量很高的粒子？
困難：真空中的加速距離有限制，建造數(shù)千米的直線加速器已很困難。
金屬圓筒
方案二：多級直線加速器
如何實(shí)現(xiàn)既能不斷加速粒子，又能減小設(shè)備長度？
北京正負(fù)電子對撞機(jī)(BEPC)
直線加速器長202m
斯坦福線性對撞機(jī)(SLAC)
長達(dá)3.2km
方案三：回旋加速器
可以把多級加速電場卷起來，節(jié)省空間。
利用磁場改變帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，讓帶電粒子轉(zhuǎn)圈式的多級加速。
如何讓帶電粒子做曲線運(yùn)動(dòng)？
問題
如何獲得能量很高的粒子？
世界上第一臺(tái)回旋加速器（勞倫斯）
回旋加速器原理（立體圖）
D1
D2
回旋加速器工作原理
方案三：回旋加速器
B
如何實(shí)現(xiàn)“轉(zhuǎn)圈式”多級加速？
粒子源G
在電場中加速
在磁場中偏轉(zhuǎn)
改變電場方向，再次加速
在磁場中偏轉(zhuǎn)（r變大）
不斷加速，達(dá)到預(yù)期速率引出。
v1
v2
v3
v4
~
E
G
D形盒狹縫間的電場是不斷變化的。
問題
D形盒狹縫
D1
D2
如何讓帶電粒子再次加速？
帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)軌跡有何變化？
回旋加速器原理（俯視圖）
f
f
f
周期不變，因此粒子每次在磁場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間相等。
電場變化的周期恒定嗎？
問題
粒子的速率增大。
D形盒狹縫
G
D1
D2
v1
v2
v3
v4
~
E
B
電場變化的周期 ，是恒定的。
回旋加速器原理（俯視圖）
由于相對論效應(yīng)，粒子圓周運(yùn)動(dòng)的周期隨速率的增大而增大，與回旋加速器中電場的變化周期不再相同，限制能量增加。
帶電粒子的能量能否無限增大？
問題
限制一：D形盒半徑和磁鐵面積有限制。
限制二：粒子的速度不會(huì)超過光速。
當(dāng)帶電粒子趨于D形盒邊緣時(shí)會(huì)被引出，此時(shí)動(dòng)能最大。
粒子最大動(dòng)能：
最大動(dòng)能與粒子的荷質(zhì)比、磁感應(yīng)強(qiáng)度、D形盒半徑有關(guān)，與加速電壓無關(guān)。
帶電粒子在回旋加速器中獲得的最大動(dòng)能與哪些因素有關(guān)？
問題
B
R
提高加速電壓，能否增加粒子獲得的最大動(dòng)能？
回旋加速器原理（立體圖）
回旋加速器可以同時(shí)加速同位素嗎？
同位素的荷質(zhì)比不同
做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期不同
電場變化的周期不同
無法同時(shí)加速
思考
PET（正電子發(fā)射斷層顯像）-CT（計(jì)算機(jī)斷層顯像）成像
醫(yī)用回旋加速器將粒子加速到需要的能量，再轟擊靶材料，獲得PET-CT成像所必需的正電子放射性核素。
回旋加速器的用途
回旋加速器的用途
BNCT裝備
硼中子俘獲療法（BNCT）離不開加速器提供的中子。
高能粒子加速器
LHC是目前世界上能量最高的粒子加速器，周長27公里。最高質(zhì)子對撞能量高達(dá) 14TeV。
歐洲核子研究中心 大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)
分析物質(zhì)最基本的組成成分
研究物質(zhì)間的相互作用
發(fā)現(xiàn)新粒子……
高能粒子加速器對于人們探尋物質(zhì)本質(zhì)起到了關(guān)鍵性作用。
上海同步輻射光源(SSRF)
同步輻射光源
思考
如圖是回旋加速器的示意圖，加速器由兩個(gè)銅質(zhì)D形盒D1和D2構(gòu)成，其間留有空隙，粒子源G產(chǎn)生帶電粒子在加速器中加速。
(1)帶電粒子獲得的能量從何而來？
(2)帶電粒子每運(yùn)動(dòng)一周被加速幾次？
解答
從能量的角度分析
(1)電場力對帶電粒子做功，而洛倫茲力對帶電粒子不做功，因此帶電粒子從電場中獲得能量。
(2)帶電粒子每運(yùn)動(dòng)一周進(jìn)入電場兩次，因此被加速兩次。
G
D1
D2
~
B
課堂小結(jié)
結(jié)構(gòu)
帶電粒子源
回旋加速器
用途
交變電場
偏轉(zhuǎn)磁場
基礎(chǔ)物理研究
醫(yī)療成像、癌癥治療
同步輻射光源
直線加速器
D形金屬盒
章末小結(jié)
安培力
方向
洛倫茲力
磁場
磁體
通電導(dǎo)體
大小
運(yùn)動(dòng)電荷
方向
大小
f = qvB
F= BIL
左手定則
左手定則
宏觀體現(xiàn)
相互作用
應(yīng)用
應(yīng)用
回旋加速器
質(zhì)譜儀……
磁電式電表
電動(dòng)機(jī)……

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