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题文
图甲是回旋加速器的示意图,其核心部分是两个“D”形金属盒,在加速带电粒子时,两金属盒置于匀强磁场中,并分别与高频电源两极相连。带电粒子在磁场中运动的动能Ek随时间t的变化规律如图乙所示,若忽略带电粒子在电场中的加速时间,则下列说法正确的是

A.在Ek—t图中应有(t2-t1)>(t3-t2)>(t4-t3)>……(tn-tn-1
B.高频电源的变化周期应该等于tn-tn-1
C.要使粒子获得的最大动能增大,可以增大“D”形盒的半径
D.在磁感应强度B、“D”形盒半径R、粒子的质量m及其电荷量q不变的情况下,粒子的加速次数越多,粒子的最大动能一定越大
题型:单选题难度:中档来源:不详
答案
C

试题分析:根据周期公式T= 知,粒子的回旋的周期不变,与粒子的速度无关,所以t4-t3=t3-t2=t2-t1.A错误;交流电源的周期必须和粒子在磁场中运动的周期一致,故电源的变化周期应该等于2(tn-tn-1),B错误;根据公式r=,有v=,故最大动能Ekm=mv2=,与半径有关;要想粒子获得的最大动能增大,可以增大“D”形盒的半径,C正确;与粒子加速的次数无关,D正确。
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回旋加速器质谱仪
考点名称:回旋加速器
  • 回旋加速器:

    (1)构造:
    回旋加速器的核心部件是两个D 形扁金属盒,整个装置放在真空容器中,如图所示。

    ①两个D形盒之间留有一个窄缝,在中心位置放有粒子源。
    ②两个D形盒分别接在高频交变电源的两极上,在两盒间的窄缝中形成一个方向呈周期性变化的交变电场。
    (2)原理:
    利用电场对带电粒子的加速作用和磁场对运动电荷的偏转作用来获得高能粒子,如图所示。

    ①磁场的作用:带电粒子以某一速度垂直于磁场方向进入匀强磁场时,只在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,其中周期与速度和半径无关,使带电粒子每次进入D形盒中都能运动相等时间(半个周期)后,平行于电场方向进入电场中加速。
    ②交流电压:为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被加速,使能量不断提高,要在狭缝处加一个周期与相同的交流电压。
    (3)特点
    ①带电粒子在D形盒中的回转周期等于两盒狭缝间高频电场的变化周期,与带电粒子速度无关(磁场保证带电粒子做回旋运动,如图所示)。
    ②带电粒子在D形金属盒内运动的轨道半径不等距分布。设带正电粒子的质量为m,电荷量为q,狭缝间加速电压大小为U,粒子源产生的带电粒子,经电场加速第一次进入左半盒时速度和半径分别为
    第二次进入左半盒时,经电场加速3次,进人左半盒的速度和半径为
    第k次进入左半盒时,经电场加速(2k一1)次,进入左半盒时速度和半径为
    所以,任意相邻两轨道半径之比
    可见带电粒子在D形金属盒内运动时,越靠近D 形金属盒的边缘,相邻两轨道的间距越小。
    ③带电粒子在回旋加速器内运动的最终能量。由于D形金属盒的大小一定,所以不管粒子的大小及带电荷量如何,粒子最终从加速器内射出时应具有相同的旋转半径。
    由牛顿第二定律得

    动量大小与动能之间存在定量关系

    由①②两式得
    可见,带电粒子离开回旋加速器的动能与加速电压无关,而仅受磁感应强度B和D形盒半径的限制。加速电压的大小只能影响带电粒子在D形盒内加速的次数。
    ④带电粒子在回旋加速器内的运动时间。带电粒子在回旋加速器内运动时间的长短,与带电粒子做匀速圆周运动的周期有关,同时还与带电粒子在磁场中转动的圈数有关。设带电粒子在磁场中转动的圈数为n,加速电压为U。因每加速一次粒子获得的能量为qU,每圈有两次加速。结合因此:
    所以带电粒子在回旋加速器内运动时间
     
    ⑤由于随着带电粒子速度的增大,当速度接近光速时,据爱因斯坦狭义相对论可知,粒子质量增大,回转周期变大,而与交变电压周期不一致,使加速器无法正常工作,所以回旋加速器不能无限地对带电粒子加速。

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