Question

在高能物理研究中，粒子回旋加速器起着重要作用，如图甲为它的示意图．它由两个铝制D型金属扁盒组成，两

在高能物理研究中，粒子回旋加速器起着重要作用，如图甲为它的示意图．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窄缝．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．在磁场力的作用下运动半周，再经狭缝电压加速．如此周而复始，最后到达D型盒的边缘，获得最大速度，由导出装置导出．已知正离子的电荷量为q，质量为m，加速时电极间电压大小为U，磁场的磁感应强度为B，D型盒的半径为R．每次加速的时间很短，可以忽略．正离子从离子源出发时的初速度为零．（1）为了使正离子每经过窄缝都被加速，求交变电压的频率；（2）求离子能获得的最大动能；（3）求离子第1次与第n次在下半盒中运动的轨道半径之比．

Answer 1

（1）使正离子每经过窄缝都被加速，交变电压的频率应等于离子做圆周运动的频率，正离子在磁场中做匀速圆周运动， 由洛伦兹力提供向心力Bqv=m v 2 r 又T= 2πr v 解得T= 2πm qB 所以f= qB 2πm （2）当离子从D盒边缘离开时速度最大，此时离子做圆周运动的半径为D盒的半径有v m = qBr m 离子获得的最大动能为E= 1 2 mv 2m = q 2 B 2 R 2 2m （3）离子从S点经电场加速1次后，以速度v 1 第1次进入下半盒，由动能定理Uq= 1 2 mv 21 得 v 1 = 2Uq m 又 r 1 = mv 1 qB = m qB 2qU m 离子从S点经电场加速3次后，以速度v 3 第2次进入下半盒3Uq= 1 2 mv 23 解得v 3 = 3×2Uq m ， r 2 = mv 3 qB = m qB 3×2qU m …离子经电场加速（2n-1）次后，第n次进入磁场 同理可得r n = m qB (2n-1)×2qU m 所以 r 1 r n = 1 2n-1 答：（1）为了使正离子每经过窄缝都被加速，交变电压的频率为 qB 2πm ； （2）离子能获得的最大动能为 q 2 B 2 R 2 2m ； （3）离子第1次与第n次在下半盒中运动的轨道半径之比为 r 1 r n = 1 2n-1 ．