2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫——粒子加速器在核物理中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)）1.粒子加速器實(shí)現(xiàn)能量提升主要依賴于？(A)粒子間的碰撞(B)磁場對(duì)粒子動(dòng)量的改變(C)電場對(duì)粒子電荷的加速作用(D)粒子在真空中的自加速2.回旋加速器利用粒子在固定磁場中做回旋運(yùn)動(dòng)，其回旋半徑隨粒子能量的增加？(A)不變(B)增加(C)減少(D)先增加后減小3.同步加速器為了維持粒子在固定半徑的軌道上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)粒子能量增加時(shí)，加速腔施加的電壓頻率？(A)必須增加(B)必須減小(C)保持不變(D)可能增加也可能減小4.直線加速器中，為使帶電粒子連續(xù)獲得能量，通常采用？(A)兩個(gè)電極交替加高頻電壓(B)單一電極持續(xù)加高壓(C)磁聚焦系統(tǒng)不斷改變粒子方向(D)真空系統(tǒng)不斷抽除粒子5.在核物理研究中，用于探索原子核結(jié)構(gòu)的反應(yīng)通常是？(A)低能散裂反應(yīng)(B)高能彈性散射(C)輕離子深度非彈性散射(D)重離子熔合反應(yīng)6.產(chǎn)生同步輻射光的高能電子存儲(chǔ)環(huán)，其核心原理是？(A)利用同步加速過程中的能量損失(B)利用電子在磁場中做回旋運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)出的輻射(C)利用加速腔對(duì)電子進(jìn)行倍頻(D)利用束流與靶材碰撞產(chǎn)生的軔致輻射7.粒子加速器中，磁鐵系統(tǒng)的主要作用之一是？(A)提供初始粒子束流(B)增加粒子束的能量(C)改變或控制粒子束的運(yùn)動(dòng)方向和形狀(D)散焦粒子束以增加碰撞截面8.為了在加速器中產(chǎn)生足夠高的粒子能量，需要克服的主要物理效應(yīng)是？(A)粒子的熱運(yùn)動(dòng)(B)粒子的自旋軌道耦合(C)粒子的相對(duì)論質(zhì)量增加(D)粒子的庫侖屏障9.在核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，選擇靶材的主要考慮因素包括？(A)靶材的化學(xué)純度(B)靶材的物理穩(wěn)定性(C)靶材中目標(biāo)核素的豐度(D)以上都是10.與傳統(tǒng)回旋加速器相比，同步加速器的主要優(yōu)勢在于？(A)可以達(dá)到更高的加速能量(B)結(jié)構(gòu)更加簡單(C)對(duì)環(huán)境電磁干擾更小(D)能量利用效率更高二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填在題中的橫線上）1.粒子在均勻磁場中做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)周期與粒子的__________有關(guān)。2.為了補(bǔ)償相對(duì)論效應(yīng)，同步加速器中磁鐵的磁場強(qiáng)度需要隨著粒子能量的增加而__________。3.直線加速器中，為克服粒子速度接近光速時(shí)的相對(duì)論質(zhì)量增加影響，常采用__________或梯度加速等技術(shù)。4.在高能粒子碰撞實(shí)驗(yàn)中，加速器的主要目的是將粒子加速到足夠高的能量，以便產(chǎn)生__________。5.用于分離同位素或研究原子核反應(yīng)過程的粒子束流技術(shù)通常稱為__________。6.加速器產(chǎn)生的高能粒子束轟擊靶材時(shí)，主要的能量損失形式是__________。7.真空系統(tǒng)對(duì)于粒子加速器是必不可少的，其主要作用是__________。8.加速器束流輸運(yùn)線中使用四極磁鐵（quadrupolemagnet）的主要目的是__________。9.標(biāo)識(shí)加速器性能的重要參數(shù)之一是束流強(qiáng)度，即單位時(shí)間內(nèi)通過束流通道橫截面的__________。10.強(qiáng)流質(zhì)子加速器常用水冷銅制加速腔，其主要目的是__________。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述回旋加速器的基本工作原理。2.解釋什么是相對(duì)論效應(yīng)對(duì)粒子加速的影響，以及同步加速器是如何克服這種影響的。3.簡述粒子加速器在研究原子核反應(yīng)截面時(shí)發(fā)揮作用的基本過程。4.為什么粒子加速器通常需要配備復(fù)雜的真空系統(tǒng)？四、論述題（每題10分，共20分）1.對(duì)比分析直線加速器和回旋加速器在提高粒子能量方面的基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)及適用能量范圍。2.闡述粒子加速器（特別是高能加速器）在探索基本粒子物理方面的主要作用和意義。試卷答案一、選擇題1.(C)2.(B)3.(C)4.(A)5.(C)6.(B)7.(C)8.(C)9.(D)10.(A)二、填空題1.能量（或動(dòng)量）2.增加3.梯度加速4.新粒子或新現(xiàn)象5.粒子束分離技術(shù)6.散射損失（或軔致輻射、反物質(zhì)產(chǎn)生等，指主要能量損失形式）7.提供粒子束運(yùn)行的低壓環(huán)境，減少碰撞和散射8.散焦和聚焦束流，使其通過特定孔徑9.粒子數(shù)（或粒子流強(qiáng)度）10.散熱降溫三、簡答題1.回旋加速器利用恒定磁場使帶電粒子在固定半徑的平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，利用高頻電場在粒子每次經(jīng)過兩個(gè)D形電極之間的縫隙時(shí)進(jìn)行加速。隨著粒子速度增加，周期保持不變，電場頻率也需同步變化（同步回旋加速器）。2.相對(duì)論效應(yīng)使得粒子質(zhì)量隨速度增加而增大，導(dǎo)致其獲得的加速度減小，限制了傳統(tǒng)加速器能量的進(jìn)一步提高。同步加速器通過保持粒子軌道半徑不變，并隨著粒子能量增加而同步增強(qiáng)磁場（以及調(diào)整加速電壓頻率），從而能夠持續(xù)將粒子加速到很高的能量。3.粒子加速器首先將粒子（通常是質(zhì)子或α粒子）加速到足夠高的能量，然后將其注入到靶材上。高能粒子與靶材原子核發(fā)生碰撞（散射或反應(yīng)），產(chǎn)生新的粒子或激發(fā)原子核進(jìn)入不同的狀態(tài)，通過探測器系統(tǒng)測量這些產(chǎn)物的種類、能量、角分布等信息，從而研究和確定反應(yīng)的類型、截面大小、核結(jié)構(gòu)等。4.粒子（尤其是帶電粒子）在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)與空氣中的原子或設(shè)備表面發(fā)生碰撞、散射和電離，產(chǎn)生大量次級(jí)粒子，這些會(huì)干擾加速器的正常運(yùn)行，降低束流品質(zhì)和能量效率，甚至損壞設(shè)備。因此需要維持高度真空的環(huán)境，以最大程度減少這些不利影響。四、論述題1.直線加速器通過一系列按一定相位關(guān)系排列的加速腔，利用變化的電場連續(xù)加速粒子，粒子運(yùn)動(dòng)方向基本不變。其優(yōu)點(diǎn)是避免了磁場偏轉(zhuǎn)帶來的相對(duì)論效應(yīng)限制，可以持續(xù)將粒子加速到非常高的能量（可達(dá)PeV量級(jí)）。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)非常長，對(duì)精確的同步控制和空間相位穩(wěn)定度要求極高?；匦铀倨骼么艌銎D(zhuǎn)使粒子做回旋運(yùn)動(dòng)，在縫隙中用電場加速。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊（與能量成正比），早期技術(shù)相對(duì)成熟。缺點(diǎn)是受相對(duì)論效應(yīng)限制，能量提升困難（數(shù)GeV量級(jí)），且束流在運(yùn)動(dòng)中能量損失較大。直線對(duì)撞機(jī)是另一種形式，使兩束粒子沿相反方向運(yùn)動(dòng)并在碰撞點(diǎn)相遇，能量利用率高，可研究碰撞產(chǎn)生的粒子。適用范圍上，直線加速器適用于超高能物理，回旋加速器適用于中等能量物理，對(duì)撞機(jī)在超高能物理中占據(jù)主導(dǎo)。2.粒子加速器是探索物質(zhì)基本構(gòu)成和相互作用的核心工具。高能加速器能夠?qū)⒘Ｗ蛹铀俚浇咏馑?，賦予其巨大的動(dòng)能。當(dāng)這些高能粒子轟擊原子核或與其他粒子碰撞時(shí)，可以通