图甲是中国自行设计、研制的最大的受控核聚变实验装置:其原理如图乙,带电粒子被强电流线圈产生的磁场约束在一个半经为r的“容器”中,通电线圈产生的圆形磁场可看作匀强磁场,磁场圆半径为R,R>r且两圆同心,磁感应强度为B,它们的截面如图丙所示。“容器”中有质量均为m,带电量均为q的带电粒子,在“容器”内运动, 有些粒子会运动到“容器”的边缘,观察到在“容器”的边缘各处,有向各个方向离开“容器”的粒子,且每个方向的粒子的速度都从0到v分布。不久,所有粒子都能返回“容器”。 (本题只考虑运动方向与磁场垂直的粒子,不计粒子重力和粒子间相互作用和碰撞)
⑴要产生如图乙所示的磁场,逆着磁场方向看,线圈中的电流方向如何?不改变装置结构,要改变磁场,可釆取什么方法?
(2)为保证所有粒子从“容器”边缘处离开又能返回,求带电粒子的最大速度v
(3)如果“容器”中带电粒子是核聚变的原料、,它们具拥同的动能,但被该装置约束后,它们的“容器”半径会不同。现用该装置约束这两种粒子,设它们“容器”的最大的半径分别为r1、r2,试推导r1、r2和R应满足的关系式。