15.2007年3月1日,国家重大科学工程项目“EAST超导托卡马克核聚变实验装置”在合肥顺利通过了国家发改委组织的国家竣工验收。作为核聚变研究的实验设备,EAST可为未来的聚变反应堆进行较深入的工程和物理方面的探索,其目的是建成一个核聚变反应堆,届时从1升海水中提取氢的同位素氘,在这里和氚发生完全的核聚变反应,释放可利用能量相当于燃烧300公升汽油所获得的能量,这就相当于人类为自己制造了一个小太阳,可以得到无穷尽的清洁能源。作为核聚变研究的实验设备,要持续发生热核反应,必须把温度高达几百万摄氏度以上的核材料约束在一定的空间内,约束的办法有多种,其中技术上相对较成熟的是用磁场约束核材料。

如图所示为EAST部分装置的简化模型:垂直纸面的有环形边界的匀强磁场b区域,围着磁感应强度为零的圆形a区域,a区域内的离子向各个方向运动,离子的速度只要不超过某值,就不能穿过环形磁场的外边界而逃逸,从而被约束。

设离子质量为m,电荷量为q,环形磁场的内半径为R1

  外半径R2 =(1+)R1

⑴若要使从a区域沿任何方向,速率为v的离子射入磁场时都不能越出磁场的外边界,则b区域磁场的磁感应强度至少为多大?

⑵若b区域内磁场的磁感应强度为B,离子从a区域中心O点沿半径OM方向以某一速度射入b区,恰好不越出磁场的外边界。请画出在该情况下离子在a、b区域内运动一个周期的轨迹,并求出周期。

   ⑴当离子的速度沿与内边界圆相切的方向射入磁场,且轨道与磁场外圆相切时所需磁场的磁感应强度B1,即为要求的值。设轨迹圆的半径为r1

r1(1分) 由:qvB1m(1分)

解之得:B1=(2分)

⑵如图(2分)。要使沿OM方向运动的离子不能穿越磁场,则其在环形磁场内的运动轨迹圆中最大值与磁场外边界圆相切。设这时轨迹圆的半径为r2,速度为v2,则:

r22 +R12=(R2r2)2 (1分)  解之得:r 2 R1 (1分)

qv2Bm   解之得:v2 = (1分)

  离子在b区域中做匀速圆周运动的周期T1=   (1分)

  离子在b区域中一次运动的时间t1 =       (1分)

  离子在a区域中由OM点的运动时间t2 =    (1分)

  离子在a、b区域内运动的周期T= 4t1+8t2 =(2分)

 0  407384  407392  407398  407402  407408  407410  407414  407420  407422  407428  407434  407438  407440  407444  407450  407452  407458  407462  407464  407468  407470  407474  407476  407478  407479  407480  407482  407483  407484  407486  407488  407492  407494  407498  407500  407504  407510  407512  407518  407522  407524  407528  407534  407540  407542  407548  407552  407554  407560  407564  407570  407578  447090 

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