医学检查中磁共振成像简化模型如图所示,其中一个重要的部件“四极铁”,能够提供梯度磁场,从而控制电子束在运动过程中汇聚或发散,图甲为该磁场的磁感线分布情况。一束电子从M板上均匀分布的小孔飘入(初速度可以忽略不计),经过平行板MN间电场加速后获得速度v,沿垂直纸面向里的方向进入“四极铁”空腔。电子质量为m,电量为e,不计粒子重力和粒子间相互作用。(1)求加速电压
大小,判断图甲中a、c和b、d两对电子,哪一对电子进入磁场后会彼此靠近;
(2)以图甲中磁场中心为坐标原点O建立坐标系,垂直纸面向里为x轴正方向,沿纸面向上为y轴正方向,在xOy平面内的梯度磁场如图乙所示,该磁场区域的宽度为d。在
范围内,电子束沿x轴正方向射入磁场,磁感应强度
(
且已知,以垂直xOy平面向里为磁场正方向)。电子速度大小均为v,穿过磁场过程中,电子的y坐标变化很小,可认为途经区域为匀强磁场。
①求从
处射入磁场的电子,在磁场中运动的半径
及速度偏转角的正弦值
;
②研究发现,所有电子通过磁场后,将聚焦到x轴上
处。由于d很小,可认为电子离开磁场时,速度方向的反向延长线通过
点,且速度方向的偏转角很小,
, 求f的表达式;
③在
处再放置一个磁场区域宽度为d的“四极铁”(中心线位于
处),使②问中的电子束通过后速度方向变成沿x轴正方向,若该“四极铁”的磁感应强度
, 求
;
④如图丙,仪器实际工作中,加速电压U会在
附近小幅波动,导致电子聚焦点发生变化。若要求聚焦点坐标偏差值不超过
, 求电压波动幅度
的最大值。
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