2025年大學《核物理》專業(yè)題庫——重離子加速器在核物理研究中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)）1.與質(zhì)子相比，在相同動能下，重離子（如α粒子）在物質(zhì)中引起的電離損失（RBE）通常（）。A.更大B.更小C.相同D.無法確定2.現(xiàn)代高能重離子加速器中，用于將帶電粒子能量提升到數(shù)千MeV量級的主體部分通常是（）。A.回旋加速器B.直線加速器C.同步加速器D.螺旋加速器3.在串列加速器中，粒子在兩個加速間隙之間通過（）來實現(xiàn)能量的連續(xù)提升。A.電磁鐵的偏轉(zhuǎn)B.專用的高頻加速腔C.透鏡系統(tǒng)的聚焦D.靶材的散射4.對于同步加速器，為了使粒子在半徑不斷增加的軌道上保持同步運行，其回旋頻率（）。A.必須恒定B.必須逐漸增加C.必須逐漸減小D.與半徑無關(guān)5.在重離子加速器中，用于將直線加速段產(chǎn)生的連續(xù)或短脈沖束流轉(zhuǎn)換成適合后續(xù)實驗的脈沖束流的設(shè)備是（）。A.能量選擇器B.能量分析器C.束流調(diào)制器D.聚焦透鏡6.重離子深度非彈性散射實驗中，研究的主要目標是（）。A.測量原子核的半徑B.探索原子核內(nèi)部的夸克結(jié)構(gòu)C.產(chǎn)生新的核素D.研究原子核的形狀7.通過重離子碰撞合成超重元素時，通常需要采用（）。A.低能、高流強的重離子束B.高能、低流強的重離子束C.中等能量、中等流強的重離子束D.任意能量和流強的重離子束8.在中子產(chǎn)生反應堆或加速器中，利用重離子轟擊特定靶材產(chǎn)生中子的主要機制是（）。A.散裂反應B.轉(zhuǎn)變反應C.聯(lián)合反應D.彈性散射9.重離子放射治療（HIT）相對于傳統(tǒng)放射治療的主要優(yōu)勢之一是（）。A.束流更易獲得B.對周圍健康組織的損傷更小C.治療成本更低D.患者耐受性更好10.下列哪一項不是重離子加速器面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)？（）A.實現(xiàn)超高能量B.獲得高束流流強C.極高真空環(huán)境的維持D.完全消除束流碎裂二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在題中的橫線上）1.重離子加速器產(chǎn)生的束流在穿過物質(zhì)時，除了電離損失外，主要的能量損失機制是__________。2.在同步加速器中，利用__________來改變粒子回旋半徑，并利用__________來補償粒子在加速過程中的能量損失，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的高能加速。3.重離子束流在輸運線中傳輸時，需要使用__________和__________系統(tǒng)來控制束流的方向和形狀。4.合成超重元素通常通過重離子與靶核發(fā)生的__________反應或__________反應來實現(xiàn)。5.重離子深度非彈性散射實驗中，散射角越大，反映出的原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息越__________（填“深”或“淺”）。6.用于產(chǎn)生中子的重離子靶材通常需要選擇具有特定__________的核素。7.重離子放射治療主要利用重離子在物質(zhì)中具有的__________特性來提高對腫瘤組織的殺傷力。8.串列加速器相比于直線加速器，其主要優(yōu)點之一是可以克服__________的限制，達到更高的加速電壓。9.重離子加速器工作時，維持其內(nèi)部管道達到超高真空（優(yōu)于10??Pa）對于保證束流傳輸__________至關(guān)重要。10.在核物理研究中，重離子加速器除了用于探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)外，還在__________等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。三、簡答題（每題5分，共15分）1.簡述同步加速器中，磁鐵（如四極磁）在束流聚焦中扮演的角色。2.簡述重離子在合成超重元素過程中的關(guān)鍵作用。3.簡述重離子放射治療相比于傳統(tǒng)放射治療的主要優(yōu)勢。四、計算題（共10分）已知一束α粒子（氦核，質(zhì)量數(shù)為4，電荷數(shù)為2）在同步加速器中運行，磁鐵的磁場強度為1.5T，每次回旋周期內(nèi)能量增加50MeV。試估算該束流運行在半徑為5km的軌道時，其速度的大?。僭O(shè)相對論效應可以忽略，普朗克常數(shù)h=6.626×10?3?J·s，電子電荷e=1.602×10?1?C，α粒子質(zhì)量m≈6.64×10?2?kg）。五、論述題（共15分）論述重離子加速器在探索天體物理現(xiàn)象（如中子星碰撞、超新星爆發(fā)）的模擬研究中具有的獨特優(yōu)勢及其主要應用方向。試卷答案一、選擇題1.B2.C3.B4.B5.C6.B7.B8.A9.B10.D二、填空題1.彈性散射損失2.電磁鐵，同步輻射損失補償系統(tǒng)3.磁，電磁4.熔合裂變，熔合5.深6.中子截面7.穿透深度大/射程長8.加速電壓9.可靠性/穩(wěn)定性10.天體物理研究三、簡答題1.解析思路：四極磁（quadrupolemagnet,QM）具有非均勻的磁場分布，能在某個方向上聚焦束流而在垂直方向上散焦束流，或者反之。通過交替放置正負四極磁鐵，可以構(gòu)成聚焦系統(tǒng)，使束流在特定平面內(nèi)（例如，垂直于紙面的平面）實現(xiàn)聚焦，從而控制束流尺寸，提高束流品質(zhì)和與靶的相互作用效率。2.解析思路：合成超重元素需要克服原子核巨大的庫侖屏障。高能重離子具有足夠的動能，在與靶核碰撞時能夠克服庫侖勢壘發(fā)生深度非彈性散射或熔合反應，形成復合核。隨后，復合核通過放射性衰變（如α衰變、β衰變）逐步穩(wěn)定，最終形成超重元素。重離子的選擇（如鈣、鍶、鋦等）和能量需要精心設(shè)計，以優(yōu)化熔合概率和產(chǎn)物半衰期。3.解析思路：重離子具有比質(zhì)子更大的質(zhì)量和電荷。高電荷使得重離子在物質(zhì)中損失能量更快（電離損失大），但同時也意味著其射程相對較短。這種特性使得重離子束束能夠更精確地停留在腫瘤組織內(nèi)部，將高劑量的放射線集中作用于癌細胞，同時減少對周圍正常組織的輻射損傷。此外，重離子的獨特的射程-劑量分布特性（RDD）也可能為某些特定類型的腫瘤提供更好的治療效果。四、計算題解析思路：首先，根據(jù)能量增加量和周期數(shù)，估算粒子在半徑為5km軌道上運行的總能量。然后，利用同步加速器的特性，粒子在半徑為R的軌道上運行時，其速度v大致等于光速c。最終計算出速度值。具體步驟如下：1.每周期能量增加ΔE=50MeV=50×10?eV×1.602×10?1?J/eV≈8.01×10?13J。2.粒子在半徑為R=5km=5×103m的軌道上運行時，其速度v≈c=3×10?m/s。（同步加速器中v非常接近c，且隨能量變化不大，此處忽略相對論效應）。答案：v≈3×10?m/s。五、論述題解析思路：論述應圍繞重離子加速器產(chǎn)生的“高能量”和“高重子密度”（或“高電荷”）這兩個核心特點展開，闡述它們?nèi)绾螏椭M天體物理過程中的極端條件。1.高能量優(yōu)勢：重離子加速器能提供從幾MeV到幾百GeV的能量范圍。對于模擬中子星碰撞、超新星爆發(fā)等天體物理事件中涉及的極端高能粒子（如宇宙射線）與物質(zhì)的相互作用，或模擬恒星內(nèi)部核反應，所需的高能量條件可以通過重離子加速器實現(xiàn)。高能量使得重離子能夠產(chǎn)生大量的次級粒子（如中子、質(zhì)子、介子等），這些次級粒子可以用來模擬天體事件中產(chǎn)生的粒子束流。2.高重子密度/高電荷優(yōu)勢：重離子是重子，其密度遠高于光子或輕子束。在模擬中子星碰撞等事件中，涉及巨大的物質(zhì)擠壓和核物質(zhì)相互作用，重離子束可以模擬這類碰撞中的強子成分。重離子的電荷高，其在物質(zhì)中的相互作用截面大，產(chǎn)生的電離和散射效應顯著，這有助于研究高能粒子在稠密介質(zhì)（如星際介質(zhì)、超新星remnants）中的傳播和能量損失機制，這些是理解宇宙射線起源和傳播的關(guān)鍵。3.主要應用方向：*中子星碰撞模擬：使用重離子碰撞模擬中子星并合過程中的物質(zhì)擠壓、核合成、中微子發(fā)射等物理過程。*超新星爆發(fā)模擬：利用重離子