图8-3-2 回旋加速器 (1)构造:如图8-3-2所示.D1.D2是半圆金属盒.D形盒的缝隙处接交流电源.D形盒处于匀强磁场中. (2)原理:交变电流的周期和粒子做圆周运动的周期相等.粒子在做圆周运动的过程中一次一次地经过D形盒缝隙.两盒间的电势差一次一次地反向.粒子就会被一次一次地加速.由qvB=.得Ekm=.可见粒子获得的最大动能由磁感应强度B和D形盒半径R决定.与加速电压无关. 带电粒子在复合场中的运动 查看更多

 

题目列表(包括答案和解析)

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.

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回旋加速器在核科学、核技术、核医学等高新技术领域得到了广泛应用,有力地推动了现代科学技术的发展。

 (1)当令医学影像诊断设备PET/CT堪称“现代医学高科技之冠”,它医疗诊断中,常利用能放射正电子的同位素碳11作示踪原子。碳11是由小型回旋加速器输出的高速质子轰击氮14获得,同时还产牛另一粒子,试写出核反应方程。若碳11的半衰期,经剩余碳11的质量占原来的百分之几?(结果取两位有效数字)

 (2)回旋加速器的原理如图.是两个1中空半经为R的半圆金属盒,它们接在电压一定、频率为的交流电源上,位于圆心处的质子源A能不断产生质子(初速度可以忽略,重力不计).它们在两盒之间被电场加速,置于与盒面垂直的磁感应强度为B的匀强磁场中。若质子束从回旋加速器输出时的平均功率为P.求输出时质子束的等效电流I与P、B、R、的关系式(忽略质子在电场中的运动时间,其最大速度远小于光速)。

(3)推理说明:质子在回旋加速器中运动时,随轨道半径的增大,同一盒中相邻轨道的半径之差是增大、减小还是不变?

 

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如图所示是一直线加速器原理的示意图,由个长度逐个增大的共轴金属圆筒排列成一串(图中只画了5个作为示意),奇数筒和偶数筒分别连接到频率为f、最大电压值为的正弦交流电源的两极(设圆筒内部没有电场),整个装置放在真空容器中,圆筒的两底面中心开有小孔。带电粒子从粒子源出发后,经过第一次加速,然后进入第一个圆筒,再向前运动。相邻两圆筒间的间隙很小,问:

   比荷为质子(),以沿轴线射入第一个圆筒,此时第1、2两个圆筒间的电势差为。(不计粒子的重力,不计粒子在两圆筒间运动的时间,不考虑相对论效应)

(1).要使质子每次在圆筒间都能获得最大的加速,质子穿越每个圆筒的时间最短为多大?

(2).在(1)的情形下,第n个圆筒的长度应为多大?若质子某次加速后动能为,则下一个圆筒长为多少?( )

(3).若利用回旋加速器使质子最终加速到动能为,则D形盒的半径应为多大?(D形盒中磁感应强度

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回旋加速器在核科学、核技术、核医学等高新技术领域得到了广泛应用,有力地推动了现代科学技术的发展。
(1)当今医学影像诊断设备PET/CT谌称“现代医学高科技之冠”,它在医疗诊断中,常利用能放射正电子的同位素碳11作示踪原子。碳11是由小型回旋加速器输出的高速质子轰击氮14获得,同时还产生另一粒子,试写出核反应方程,若碳11的半衰期τ为20 min,经2.0 h剩余碳11的质量占原来的百分之几?(结果取2位有效数字)
(2)回旋加速器的原理如图所示,D1和D2是两个中空的半径为R的半圆金属盒,它们接在电压一定、频率为f的交流电源上,位于D1圆心处的质子源A能不断产生质子(初速度可以忽略,重力不计),它们在两盒之间被电场加速,D1、D2置于与盒面垂直的磁感应强度为B的匀强磁场中,若质子束从回旋加速器输出时的平均功率为P,求输出时质子束的等效电流I与P、B、R、f的关系式(忽略质子在电场中的运动时间,其最大速度远 小于光速)。
(3)试推理说明:质子在回旋加速器中运动时,随轨道半径r的增大,同一盒中相邻轨道的半径之差△r是增大、减小还是不变?

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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.

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(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.

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