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回旋加速器示意如图,其中置于高真空中的金属D形盒的半径为R,两盒间距为d,在左侧D形盒圆心处放有粒子源S,匀强磁场的磁感应强度为B,方向如图所示.质子质量为m,电荷量为q.设质

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回旋加速器示意如图,其中置于高真空中的金属D形盒的半径为R,两盒间距为d,在左侧D形盒圆心处放有粒子源S,匀强磁场的磁感应强度为B,方向如图所示.质子质量为m,电荷量为q.设质子从粒子源S进入加速电场时的初速度不计,质子在加速器中运动的总时间为t(其中已略去了质子在加速电场中的运动时间),质子在电场中的加速次数与回旋半周的次数相同,加速质子时的电压大小可视为不变.求:
(1)此加速器所需的高频电源频率f和加速电压U;
(2)试推证当R>>d时,质子在电场中加速的总时间相对于在D形盒中回旋的时间可忽略不计(质子在电场中运动时,不考虑磁场的影响).
▼优质解答
答案和解析
(1)设质子加速后最大速度为v,由牛顿第二定律得得:
qvB=m
v2
R
    ①
质子的回旋周期为:
T=
2πR
v
=
2πm
qB
   ②
离频电源的频率为:
f=
1
T
=
qB
2πm
     ③
质子加速后的最大动能为:
EK=
1
2
mv2       ④
设质子在电场中加速的次数为n,则:
EK=nqU        ⑤
又t=n
T
2
        ⑥
可解得:
U=
πBR2
2t
     ⑦
(2)在电场中加速的总时间为:
t1=
nd
v
2
=
2nd
v
    ⑧
在D形盒中回旋的意时间为:
t2=n
πR
v
     ⑨
由于R>>d
t1
t2
=
2d
πR
<<1
即当R>>d时,质子在电场中加速的总时间相对于在D形盒中回旋的时间可忽略不计.
答:(1)此加速器所需的高频电源频率f为
qB
2πm
,加速电压U为
πBR2
2t

(2)当R>>d时,质子在电场中加速的总时间相对于在D形盒中回旋的时间可忽略不计.
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