质谱仪与回旋加速器

质谱仪

质谱仪是科学研究中用来分析同位素和测量带电粒子质量的重要工具，质谱仪主要由以下几部分组成：

① 带电粒子注入器

② 加速电场 ( U )

③ 速度选择器 ( B1、E )

④ 偏转磁场 ( B2)

⑤ 照相底片

质谱仪的工作原理

（1）在加速电场中，带电粒子获得速度，即

（2）在速度选择器中，只有满足qvB1 = qE，即 v=E/B1粒子才能通过速度选择器。

（3）在偏转磁场中，带电粒子做匀速圆周运动，其运动半径为：

（4）在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为 x=2r

（5）联立以上各式可得粒子的比荷和质量分别为：

（6）由粒子质量公式可知，如果带电粒子的电荷量相同，质量有微小差别，就会打在照相底片上的不同位置，出现一系列的谱线，不同质量对应着不同的谱线，叫作质谱线。

回旋加速器

1、回旋加速器的发明

1932 年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，实现了在较小的空间范围内对带电粒子进行多级加速。

第一台回旋加速器

2. 回旋加速器的工作原理

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，这些过程在回旋加速器的核心部件 —— 两个 D 形盒和其间的窄缝内完成。

（1）磁场的作用：带电粒子以某一速度垂直磁场方向进入匀强磁场后，在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其周期与速率、半径均无关（ T=2πm/Bq），带电粒子每次进入 D 形盒都运动相等的时间（半个周期）后平行电场方向进入电场中加速。

（2）电场的作用：回旋加速器两个 D 形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的并垂直于两 D 形盒正对截面的匀强电场，带电粒子经过该区域时被加速。

（3）交变电场的作用及变化周期：为保证带电粒子每次经过窄缝时都被加速，使之能量不断提高，需在窄缝两侧加上跟带电粒子在 D 形盒中运动周期相同（ T=2πm/Bq）的交变电压。

（4）带电粒子的轨迹特点：粒子每经过一次加速，其轨道半径就大一些，但粒子在匀强磁场中做圆周运动的周期不变。

（5）因为两个D形盒之间的窄缝很小，所以带电粒子在电场中的加速时间可以忽略不计。

3. 带电粒子的最终能量

当带电粒子的速度最大时，其运动半径也最大，由r=mv/Bq得v=Bqr/m，若 D 形盒半径为R，则带电粒子的最终动能，可见，带电粒子经回旋加速器加速后的最终能量与加速电压无关，只与磁感应强度 B 和 D 形盒半径 R 有关。

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