Sunday, October 14, 2012

迴旋加速器 由圓周運動的軌跡半經 可以得知 帶電粒子的動量 在不同的位置 引出帶電粒子則可以得到不同 動/能 量的帶電粒子

迴旋加速器





帶電粒子(電量 q )在磁場 B 中運動(速度為( V)時會受到磁力 FB 的作用

    FB = q V × B

由於 磁力 恆與 速度 V 與 磁場 B 垂直,因此磁力所做的功 P = F ‧ V = 0.

因此 磁力的作用並不會改變 帶電粒子的速率。

而且 平行與磁場方向的速度與磁力無關(磁力只與垂直磁場方向的作速度關)

在均勻磁場 Bo 的區域 內,帶電粒子的速度 V = V + V

    沿著磁場方向帶電粒子將以V 等速度運動(無外力作用)
    垂直磁場方向的速度分量 V使得帶電粒子作等速率圓周運動。
    q V × B = m V2/ R ( R為圓周半徑)
    因此 P = m V = q B R
    藉由 帶電粒子在均勻磁場內 圓周運動的軌道半徑 可以得知 帶電粒子動量的資訊!
    帶電粒子作圓周運動的角頻率 ω = V / R = q B / m
      與帶電粒子的速度無關!
    因此有人運用此特性設計了以下動畫中的加速器:迴旋加速器 cyclotron








動畫中 是由 迴旋加速器的上面往下看的 鳥瞰圖。實際裝置如右圖

    灰色 兩半圓區域有著 (垂直於螢幕)指向螢幕內部的磁場。
    兩塊半圓區域分別接在 交流高頻高電壓電源的兩端,
    灰色區域中 藍色點 代表帶電粒子(質子)。
    紅色箭頭代表所受作用力。
      在灰色區域內,作用力為磁力 指向圓周運動的圓心,
        改變運動的方向。
      在灰色區域間,作用力為電力 ,改變粒子的動能。
    開始 後,粒子受電場作用而由靜止開始加速。
    進入灰色區域內,不再受電力作用,但卻受磁力影響而偏轉作圓周運動。
    當繞過半圈後,若是 高電壓電源的頻率調整適當
    則帶電粒子可再度被加速,而進入力依磁場區域。
    如此週而復始,若頻率恰當每半圈便加速一次,可以逐漸增加帶電粒子的動能。
    動畫上端的 『頻率比』指的是 高電壓電源的頻率 與 圓周運動的頻率比值。
    若是相同,則由於電場加速區間帶電粒子運動也會需要時間。
    因此一段時間後,電源的變化與圓周運動 便不再同步。
    你可以試試看 怎樣的頻率比較恰當?
    若是想忽略電子加速區域內所消耗時間,則必須滿足怎樣的條件呢?
      能否加以量化!
    若是以滑鼠鍵在交流電源紅色點處 按下後上下拖動滑鼠,
      可以改變 電源電壓的高低。 試試看 對運動有何影響?
    動畫右邊畫得是 帶電粒子 水平與垂直方向速度的相圖(Vy-Vx)。
    運動中 黃色箭頭代表 帶電粒子的速度向量。
    清除 按鈕可消去舊的軌跡路徑。
    重設 按鈕則恢復原狀。
    動畫中按下滑鼠右鍵可暫停動畫,再按一下則繼續。





由圓周運動的軌跡半經 可以得知 帶電粒子的動量。

因此在不同的位置 引出帶電粒子則可以得到不同 動/能 量的帶電粒子。

    如何引出帶電粒子呢?留給你去想一想!(挑戰你的思考)



進一步討論帶電粒子在均勻磁場內的運動:

    考慮電子 q = 1.6×10-19 C(庫侖),質量 m = 9.1×10-31 kg
    若是電子的動能是 1 eV ( 一伏特加速電壓 - 乾電池 - 可讓電子獲得此能量)
    若 磁場為 1 T (Tesla) : 通常一般用的磁鐵只有 0.1 T 左右。
    則電子的 迴旋角頻率 ω = qB/m = 1.7×1011 (或頻率 f = 2.8×1010 s-1)
      每秒鐘轉 280億 圈!!
    讓我們算一下迴轉半徑:
      mv2/2 = 1 eV = 1.6 ×10-19 J (焦耳)
      因此 電子速度 v = 5.9×105 m/s (沒錯! 每秒跑 590公里)
      r = mv/qB = 3.4×10-6 m ( 頭髮寬度約 10-4 m ,頭髮寬度的 5.9% !!!)
      想一想 電子每秒繞著比頭髮還小的半徑 轉 280億 圈!
      若是電子有 1%的速度不垂直於磁場,
        則將沿著磁力線運動(速度為 5.9公里/秒,不是小時)。
      因此 帶電粒子幾乎是沿著磁場在運動!
    將以上數據結合起來,想像一下帶電粒子在磁場中的運動情形!

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