2025年大學《物理學》專業(yè)題庫——真空技術(shù)在高能物理實驗中的應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項的字母填入括號內(nèi)，每題2分，共20分）1.在高能物理實驗中，需要達到10??Pa的真空度，這屬于真空分類中的？A.粗真空B.低真空C.高真空D.超高真空2.下列哪種真空泵最適合獲得超高真空？A.機械泵B.擴散泵C.離子泵D.渦輪分子泵3.擴散泵工作過程中，產(chǎn)生油蒸氣污染的主要原因是？A.氣體分子碰撞B.電離過程C.低溫表面吸附D.高溫加熱4.用于測量高真空區(qū)域的真空規(guī)通常是？A.熱偶規(guī)B.Pirani規(guī)C.電離規(guī)D.熱陰極電離規(guī)5.真空系統(tǒng)在開始抽氣初期，真空度下降較快，主要原因是？A.系統(tǒng)存在較大漏氣B.前級泵抽速不足C.系統(tǒng)內(nèi)部氣體大量釋放（放氣）D.真空規(guī)本身故障6.在高能物理加速器中，限制束流傳輸能量的一個重要因素是？A.束流衰減B.束流彌散C.束流與管壁二次電子發(fā)射D.以上都是7.離子泵在長期運行后可能會失效，其主要原因是？A.抽速下降B.產(chǎn)生正離子回轟C.被氣體分子“中毒”D.以上都是8.真空系統(tǒng)烘烤除氣的目的是？A.降低系統(tǒng)真空度B.增加系統(tǒng)氣體含量C.加熱并驅(qū)趕系統(tǒng)材料表面吸附的氣體D.清潔管道內(nèi)部9.檢測超高真空系統(tǒng)漏氣常用的方法是？A.真空計讀數(shù)變化法B.氣體注入法C.氦質(zhì)譜檢漏儀法D.觀察油擴散泵油面波動10.對于需要極高潔凈度的粒子探測器真空室，通常選用？A.抽速大的泵B.油封機械泵C.活性炭吸附劑D.鋁箔等多層包覆材料二、填空題（請將答案填入橫線上，每空2分，共20分）1.氣體分子平均自由程增大，意味著氣體的________越低。2.真空度常用單位帕斯卡（Pa）和國際單位制單位________（乇）表示，1Torr=133.322Pa。3.真空獲得設(shè)備按工作原理可分為________泵、________泵和________泵等主要類型。4.在超高真空獲得過程中，油擴散泵通常作為________級泵使用，其前級需要采用________泵。5.真空系統(tǒng)設(shè)計中，除了泵和管道，通常還需要考慮________、閥門、吸附劑和烘烤系統(tǒng)等。6.高能物理實驗中，粒子束流與真空管道內(nèi)壁相互作用會產(chǎn)生________和________，影響束流質(zhì)量和探測器性能。7.真空檢漏的目的是為了發(fā)現(xiàn)并消除系統(tǒng)中的________，確保達到要求的真空水平。三、簡答題（請簡要回答下列問題，每題5分，共20分）1.簡述低溫泵獲得超高真空的基本原理。2.說明離子泵與擴散泵在抽氣氣體種類和真空度上限方面的主要區(qū)別。3.為什么高能物理探測器（如氣泡室、火花室、半導體探測器）通常需要工作在超高真空環(huán)境中？4.簡述真空系統(tǒng)檢漏的基本思路和方法。四、論述題（請結(jié)合具體應(yīng)用場景，深入分析或論述下列問題，每題10分，共20分）1.分析設(shè)計一個用于正負電子對撞機儲存環(huán)的真空系統(tǒng)時，需要重點考慮哪些技術(shù)挑戰(zhàn)？并提出相應(yīng)的解決方案。2.闡述真空技術(shù)（特別是超高真空技術(shù)）對于實現(xiàn)高能物理實驗目標（如提高碰撞截面、精確測量粒子參數(shù)）所起到的關(guān)鍵作用。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.D4.C5.C6.D7.D8.C9.C10.D二、填空題1.真空度2.毫巴（mbar）或巴（bar）3.擴散；低溫；離子4.高真空；機械5.真空計（或測量系統(tǒng)）6.束流衰減；束流彌散7.漏氣三、簡答題1.低溫泵利用制冷劑將泵腔內(nèi)部冷卻至極低溫度（例如液氮溫度），使待抽氣體在泵腔內(nèi)壁上迅速凝結(jié)成固態(tài)或液態(tài)，從而達到抽走氣體的目的。通過多級串聯(lián)或采用不同制冷循環(huán)，可以逐步降低溫度，實現(xiàn)從低真空到超高真空的抽氣。2.離子泵通過高能電子轟擊氣體分子使其電離，產(chǎn)生的正離子在電場作用下被收集極收集，從而直接去除氣體分子，尤其對惰性氣體和氮氣等有很高的抽氣效率，可達到超高真空。其抽氣原理是直接對氣體分子進行物理清除，不涉及油或低溫表面。擴散泵利用高速蒸汽流將氣體分子從入口端推向出口端，主要對動量較大的氣體（如空氣、氮氣）抽氣效率高，但無法抽除輕分子氣體（如氫氣、氦氣）且存在油蒸氣污染問題，極限真空度低于離子泵。離子泵的真空度上限通常遠高于擴散泵。3.高能物理探測器需要超高真空環(huán)境主要為了：①抑制背景氣體放電，避免干擾粒子信號或破壞探測介質(zhì)；②減少粒子與真空管壁的碰撞次數(shù)，保證粒子束能量和方向在傳播過程中損失最小，提高束流傳輸效率或保持粒子軌跡清晰；③防止探測器材料表面吸附氣體在粒子作用下釋放出來，形成本底噪聲或干擾粒子與探測介質(zhì)的相互作用；④對于某些探測器（如氣泡室），需要維持嚴格的氣壓和純凈度。4.真空系統(tǒng)檢漏的基本思路是：首先通過觀察真空計讀數(shù)變化、系統(tǒng)放氣速率等判斷是否存在漏氣；然后采用特定方法（如涂刷真空膠、鹵素檢漏、氦質(zhì)譜檢漏儀）定位漏氣點。具體方法包括：①鹵素檢漏法，利用真空系統(tǒng)泄漏出的油蒸氣與鹵素燈火焰或檢測儀反應(yīng)產(chǎn)生顏色變化或信號指示漏點位置，適用于粗真空到低真空檢漏；②氦質(zhì)譜檢漏儀法，利用氦氣分子直徑小、惰性強、電離截面大等優(yōu)點，將被檢系統(tǒng)抽真空后充入少量氦氣，通過質(zhì)譜儀高靈敏度檢測氦離子流量變化來判斷漏率大小和位置，是目前最常用且靈敏度最高的超高真空檢漏方法；③涂刷真空膠法，將特制膠體涂抹在可疑部位，觀察膠體是否因氣體滲透而出汗，適用于可見漏孔的初步查找。四、論述題1.設(shè)計正負電子對撞機儲存環(huán)的真空系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)及解決方案：①超高真空度要求：儲存環(huán)內(nèi)氣體密度必須極低，以減少電子束與氣體分子的碰撞（導致能量損失和束流彌散），保證高能量電子束能量沉積小、傳輸距離長。解決方案是采用超高真空獲得設(shè)備組合（如離子泵、低溫泵、前級機械泵），并進行嚴格的系統(tǒng)烘烤除氣和持續(xù)的低放氣操作，同時對管道設(shè)計（減少拐彎、光滑內(nèi)壁）和閥門選擇（低放氣、快開關(guān)）提出高要求。②高潔凈度要求：任何氣體釋放或二次電子發(fā)射都可能影響束流穩(wěn)定性和探測器信號。解決方案是選用超高純材料制造真空室，對材料進行充分清洗和烘烤，使用低放氣閥門和吸附劑，并定期維護系統(tǒng)。③大面積均勻性：對于對撞機，整個環(huán)內(nèi)真空度需高度均勻。解決方案是優(yōu)化泵的布局和管道設(shè)計，確保氣流順暢，避免局部高真空或高放氣區(qū)域。④高真空運行穩(wěn)定性：系統(tǒng)需長期穩(wěn)定運行，避免真空度波動影響實驗。解決方案是選擇穩(wěn)定性好的泵，定期檢查漏氣，監(jiān)控放氣源變化，并具備快速恢復真空的能力。⑤束流與管壁相互作用管理：需要控制束流與壁的二次電子發(fā)射和散射。解決方案是選用二次發(fā)射系數(shù)低的材料（如鈹、鋁），并優(yōu)化束流管道幾何形狀，減少束流與壁的接觸面積和相互作用概率。⑥檢漏挑戰(zhàn)：大面積環(huán)狀系統(tǒng)檢漏難度大。解決方案是結(jié)合多種檢漏技術(shù)，如分段隔離檢漏、在線監(jiān)測系統(tǒng)放氣速率、結(jié)合氦質(zhì)譜檢漏儀進行重點區(qū)域精細檢測。2.真空技術(shù)對于實現(xiàn)高能物理實驗目標起到關(guān)鍵作用體現(xiàn)在：①保證高能量粒子束能量和方向穩(wěn)定性：高能物理實驗依賴于粒子加速器產(chǎn)生高能束流。超高真空環(huán)境最大限度地減少了束流粒子與真空管壁及殘余氣體的碰撞，避免了粒子能量的無謂損失和運動方向的散射，確保粒子束能量沉積小、傳輸距離遠，從而維持束流的高能量和高準直度，這是精確測量粒子參數(shù)和實現(xiàn)高碰撞頻率的基礎(chǔ)。②抑制背景輻射和干擾：高能粒子實驗往往需要極高的靈敏度來探測微弱的信號。超高真空環(huán)境能夠?qū)⑻綔y器內(nèi)部的本底氣體密度降至極低水平，有效抑制氣體放電等背景輻射，使得探測器能夠清晰地記錄粒子相互作用產(chǎn)生的信號，提高了實驗的信噪比和探測效率。③維持探測器工作條件：許多探測器（如氣泡室、液氫靶、半導體探測器）的工作環(huán)境對真空度有苛刻要求。超高真空可以防止探測器材料表面吸附氣體，避免在粒子作用下發(fā)生二次釋放干擾信號；對于氣泡室，維持精確的飽和蒸汽壓和純凈的液體環(huán)境也至關(guān)重要。④確保加速器正常工作：粒子加速器本身，特別是直線加速器的波導、對撞機的儲存環(huán)，其性能對真空度極為敏感。良好的真空環(huán)境有助于維持電磁場的穩(wěn)定，減少束流與