IMRT2 - 2008-2009 Evaluation n°4 – Particules chargées ( 1 heure ) 8/4/2009 Nom : Prénom : Cours ( 5 pts ) 1) Une particule de charge q ( électron dans le cas a et proton dans le cas b ) et de vitesse v pénètre dans une région de l’espace où règne un champ magnétique uniforme B , orthogonal à v . Compléter le schéma en ajoutant le ( ou les ) éléments manquants parmi les suivants : → → Le sens du champ B Le vecteur représentant la force magnétique F → La forme de la trajectoire 2) Dans un spectrographe de masse, pourquoi est-il indispensable d’ioniser les particules dans la chambre d’ionisation ? 3) Dans un spectrographe de masse, pourquoi est-il indispensable d’accélérer les particules dans la chambre d’accélération ? Exercice 2 : Etude d’un cyclotron – d’après DTS 2005 (15 points) Données numériques : Charge électrique élémentaire : e = 1,60.10-19 C Masse d’un proton mp= 1,67.10-27 kg Célérité de la lumière dans le vide : C = 3,00.108 m.s-1 Un cyclotron est constitué de deux «dees» (D1, D2) conducteurs dans le vide desquels règne un champ magnétique uniforme constant B (B = 2,0 T). On applique entre ces «dees» une tension alternative sinusoïdale u (t ) U max sin(t ) qui accélère les protons 11 p quand ils passent entre les deux « dees ». Les protons sortent d'une chambre d'ionisation au voisinage du centre O de l'appareil avec une vitesse supposée négligeable au moment où la tension appliquée aux «dees» est maximum : Umax = 20 kV. 1) Donner sans démonstration la nature du mouvement des protons a- Entre les deux «dees» b- A l'intérieur de D1 ou de D2 2) Représenter sur le schéma du cyclotron a- Le champ électrique E quand le proton passe de D1 à D2. Quel est à cet instant le signe de u(t) = u(t ) VD2 VD1 ( différence de potentiel entre D1 et D2 ) ? b- Le champ magnétique déflecteur B c- Les vecteurs vitesse v1 et v2 en E1 et M. d- La force magnétique FM qui s'exerce sur le proton quand il passe en M. 3) Énergie et vitesse a- Quelle est, en électronvolt et en joule, la variation d'énergie cinétique E des protons quand ils passent d'un « dee » à l'autre ? ' b- En supposant leur énergie négligeable quand ils sont émis en O, quelle est, en électronvolt et en joule, leur énergie cinétique En = f(n) quand ils sont passés n fois d'un « dee » à l'autre ? c- Quelle est alors la vitesse v = f(n) de ces protons supposés non relativistes ? mv d- Quelle est dans ce cas le rayon R = f(n) de la trajectoire ?(on rappelle que R ) q .B e- Quel est le temps mis par ces protons pour effectuer un demi-tour ? Conclusion. d- Quel doit être la période T de la tension sinusoïdale accélératrice ainsi que sa fréquence f ? 4) Vitesse finale a- Les protons sortant du cyclotron avec une énergie finale EC f = 16 MeV, combien de fois N seront-ils passés entre les « dees » ? b- Combien de tours N' auront-ils fait ? c- A quelle vitesse vs sortent-ils si on les considère non relativistes ? d- En réalité, ces protons sont relativistes. Dans ce cas, Ec f ( 1).m.C 2 → → Calculer On donne 1 1 v 's 2 Calculer v 's 2 C2 puis v’S (vitesse relativiste des protons). C2 → Quelle erreur relative commet-on sur la vitesse en supposant ces protons non relativistes ?