Question

（22分）離子推進器是太空飛行器常用的動力系統(tǒng)，某種推進器設(shè)計的簡化原理如圖1所示，截面半徑為R的圓柱腔分為兩個工作區(qū)。I為電離區(qū)，將氙氣電離獲得1價正離子II為加速區(qū)，長度為L，兩端加有電壓，形成軸向的勻強電場。I區(qū)產(chǎn)生的正離子以接近0的初速度進入II區(qū)，被加速后以速度v_M從右側(cè)噴出。I區(qū)內(nèi)有軸向的勻強磁場，磁感應(yīng)強度大小為B，在離軸線R/2處的C點持續(xù)射出一定速度范圍的電子。假設(shè)射出的電子僅在垂直于軸線的截面上運動，截面如圖2所示（從左向右看）。電子的初速度方向與中心O點和C點的連線成α角（0<α<90^?）。推進器工作時，向I區(qū)注入稀薄的氙氣。電子使氙氣電離的最小速度為v₀，電子在I區(qū)內(nèi)不與器壁相碰且能到達的區(qū)域越大，電離效果越好。已知離子質(zhì)量為M；電子質(zhì)量為m，電量為e。（電子碰到器壁即被吸收，不考慮電子間的碰撞）。

（1）求II區(qū)的加速電壓及離子的加速度大小；
（2）為取得好的電離效果，請判斷I區(qū)中的磁場方向（按圖2說明是“垂直紙面向里”或“垂直紙面向外”）；
（3）α為90^?時，要取得好的電離效果，求射出的電子速率v的范圍；
（4）要取得好的電離效果，求射出的電子最大速率v_M與α的關(guān)系。

Answer 1

（1） （2）垂直紙面向外 （3） （4）

試題分析:（1）由動能定律得 

（2）垂直紙面向外
（3）設(shè)電子運動的最大半徑為r，則

所以有，磁感應(yīng)強度滿足
（4）如圖所示
根據(jù)幾何關(guān)系得：
解得：