Question

(18分）圖所示為回旋加速器的示意圖。它由兩個(gè)鋁制D型金屬扁盒組成,兩個(gè)D形盒正中間開有一條狹縫，兩個(gè)D型盒處在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中并接在高頻交變電源上。在D₁盒中心A處有離子源，它產(chǎn)生并發(fā)出的a粒子,經(jīng)狹縫電壓加速后,進(jìn)入D₂盒中。在磁場(chǎng)力的作用下運(yùn)動(dòng)半個(gè)圓周后，再次經(jīng)狹縫電壓加速。為保證粒子每次經(jīng)過(guò)狹縫都被加速，設(shè)法使交變電壓的周期與粒子在狹縫及磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期一致。如此周而復(fù)始，速度越來(lái)越 大,運(yùn)動(dòng)半徑也越來(lái)越大,最后到達(dá)D型盒的邊緣，以最大速度被導(dǎo)出。已知a粒子電荷量為q,質(zhì)量為m，加速時(shí)電極間電壓大小恒為U,磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,D型盒的半徑為R，設(shè) 狹 縫 很 窄,粒子通過(guò)狹縫的時(shí)間可以忽略不計(jì)，設(shè)α粒子從離子源發(fā)出時(shí)的初速度為零。（不計(jì)α粒子重力）求：

(1)    α粒子第一次被加速后進(jìn)入D₂盒中時(shí)的速度大小；

(2)    α粒子被加速后獲得的最大動(dòng)能E_k和交變電壓的頻率f；

(3)α粒子在第n次由D₁盒進(jìn)入D₂盒與緊接著第n+1次由D₁盒進(jìn)入D₂盒位置之間的距離Δx。

 

Answer 1

【答案】

 （1）（2），（3）

【解析】

試題分析：α粒子在狹縫中做加速運(yùn)動(dòng)，在D形盒內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

（1）設(shè)α粒子第一次被加速后進(jìn)入D₂盒中時(shí)的速度大小為v₁，根據(jù)動(dòng)能定理有

    2分

    2分

（2）α粒子在D形盒內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，軌道半徑達(dá)到最大時(shí)被引出，具有最大動(dòng)能。設(shè)此時(shí)的速度為v_m，有    

    2分

解得：    2分    

設(shè)α粒子的最大動(dòng)能為E_k，則

E_k=     2分               

解得：E_k=   2分

設(shè)交變電壓的周期為T、頻率為f，為保證粒子每次經(jīng)過(guò)狹縫都被加速，帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)一周的時(shí)間應(yīng)等于交變電壓的周期（在狹縫的時(shí)間極短忽略不計(jì)），則

  ，

 解得：T=    1分

   1分                       

（3）離子經(jīng)電場(chǎng)第1次加速后，以速度進(jìn)入D₂盒，設(shè)軌道半徑為r₁

          

離子經(jīng)第2次電場(chǎng)加速后，以速度v₂進(jìn)入D₁盒，設(shè)軌道半徑為r₂

     1分             

離子第n次由D₁盒進(jìn)入D₂盒，離子已經(jīng)過(guò)（2n-1）次電場(chǎng)加速，以速度進(jìn)入D₂盒，由動(dòng)能定理：

解得軌道半徑：      1分

離子經(jīng)第n+1次由D₁盒進(jìn)入D₂盒，離子已經(jīng)過(guò)2n次電場(chǎng)加速，以速度v_2n進(jìn)入D₁盒，由動(dòng)能定理：

軌道半徑：    1分

則     1分（如圖所示）

 

       1分

考點(diǎn)：回旋加速器 帶電粒子在磁場(chǎng)中勻速圓周運(yùn)動(dòng) 動(dòng)能定理 周期和頻率