东方超环,俗称“人造小太阳”,是中国科学院自主研制的磁约束核聚变实验装置。该装置需要将加速到较高速度的离子束变成中性粒子束,没有被中性化的高速带电离子需要利用“偏转系统”将带电离子从粒子束中剥离出来。假设“偏转系统”的原理如图所示,均匀分布的混合粒子束先以相同的速度通过加有电压的两极板间,再进入偏转磁场Ⅱ中,中性粒子继续沿原方向运动,被接收器接收;未被中性化的带电粒子一部分打到下极板被吸收后不可再被利用,剩下的进入磁场Ⅱ后发生偏转,被吞噬板吞噬后可以再利用。 已知粒子带正电、电荷量为
q,质量为
m,两极板间电压
U可以调节,间距为
d,极板长度为

,吞噬板长度为2
d,极板间施加一垂直于纸面向里的匀强磁场Ⅰ,磁感应强度为
B1,带电粒子和中性粒子的重力可忽略不计,不考虑混合粒子间的相互作用。
(1)当电压
U=0 时,恰好没有粒子进入磁场Ⅱ,求混合粒子束进入极板间的初速度
v0等于多少?若要使所有的粒子都进入磁场Ⅱ,则板间电压
U0为多少?
(2)若所加的电压在
U0~(1+
k)
U0内小幅波动,
k>0 且
k≪1,此时带电粒子在极板间的运动可以近似看成类平抛运动。则进入磁场Ⅱ的带电粒子数目占总带电粒子数目的比例至少多少?
(3)在(2)的条件下,若电压小幅波动是随时间线性变化的,规律如图乙所示,变化周期为
T,偏转磁场边界足够大。要求所有进入磁场Ⅱ的粒子最终全部被吞噬板吞噬,求偏转磁场Ⅱ的磁感应强度
B2满足的条件?已知粒子束单位时间有
N个粒子进入两极板间,中性化的转化效率为50%,磁场Ⅱ磁感应强度
B2取最大情况下,取下极板右端点为坐标原点, 以向下为正方向建立
x坐标,如甲图所示,求一个周期
T内吞噬板上不同位置处吞噬到的粒子数密度
λ(单位长度的粒子数)。
