2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫——核反應(yīng)產(chǎn)生的加速器技術(shù)研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題3分，共15分。請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)。）1.以下哪種核反應(yīng)通常伴隨著質(zhì)量的顯著損失并釋放大量能量？(A)散射反應(yīng)(B)光致裂變(C)聚變反應(yīng)(D)彈性散射2.在回旋加速器中，粒子回旋頻率主要取決于？(A)粒子的電荷(B)粒子的質(zhì)量(C)磁場強度(D)電場頻率3.利用核反應(yīng)產(chǎn)生的帶電粒子進行加速，哪種方法通常效率較高？(A)直接利用中子束(B)利用核反應(yīng)產(chǎn)生的γ射線電離氣體(C)利用核反應(yīng)產(chǎn)生的α粒子(D)利用質(zhì)子同步加速器產(chǎn)生的中子束4.Q值代表核反應(yīng)的什么物理量？(A)反應(yīng)截面(B)反應(yīng)速率常數(shù)(C)能量釋放或吸收(D)粒子動能5.同步輻射輻射損失在哪些加速器中可能成為主要的能量損失機制？(A)直線加速器(B)回旋加速器(C)同步加速器(D)所有加速器二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上。）6.核反應(yīng)截面描述了入射粒子與靶核發(fā)生______反應(yīng)的概率。7.帶電粒子在均勻磁場中做______運動。8.加速器中，為了維持粒子在固定軌道上運動，磁場通常需要隨粒子______而變化。9.利用核反應(yīng)產(chǎn)生的中子束進行加速，通常需要首先將中子轉(zhuǎn)化為______。10.核反應(yīng)堆可以作為產(chǎn)生中子的______，用于驅(qū)動各種加速器技術(shù)。三、簡答題（每題10分，共30分。請簡要回答下列問題。）11.簡述中子源產(chǎn)生的帶電粒子加速技術(shù)的原理及其主要特點。12.比較直線加速器和回旋加速器在基本原理和能量增長方面的主要區(qū)別。13.為什么利用核反應(yīng)產(chǎn)生的γ射線進行粒子加速通常比利用中子源更具有挑戰(zhàn)性？四、論述題（每題15分，共30分。請詳細論述下列問題。）14.論述利用核反應(yīng)產(chǎn)生的粒子束進行加速的不同技術(shù)路徑，并比較它們各自的優(yōu)勢和局限性。15.結(jié)合具體應(yīng)用場景，論述核反應(yīng)產(chǎn)生的加速器技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)研究或工業(yè)應(yīng)用中的重要性。試卷答案1.C2.B3.B4.C5.C6.核7.圓周8.能量（或動量）9.帶電粒子（或正離子）10.源解析1.聚變反應(yīng)是質(zhì)量數(shù)較小的原子核結(jié)合成質(zhì)量數(shù)較大的原子核的過程，伴隨著巨大的質(zhì)量虧損，根據(jù)質(zhì)能方程E=mc2，釋放出大量能量。散射反應(yīng)通常是彈性或非彈性碰撞，質(zhì)量基本不變。光致裂變是γ光子照射重核使其分裂，吸收反應(yīng)是靶核吸收粒子，能量變化不確定。故選C。2.回旋加速器利用磁場使帶電粒子做勻速圓周運動，其回旋周期T=2πm/Bq是固定的，其中m是粒子質(zhì)量，B是磁感應(yīng)強度，q是粒子電荷。粒子在每次通過D形電極間隙時，由電場加速，速度增加，但半徑不變。隨著速度增加，為了維持粒子在固定半徑的軌道上運動，磁感應(yīng)強度B必須隨之增加，或者等效地說，粒子回旋頻率（單位時間內(nèi)繞行的圈數(shù)）近似與質(zhì)量平方根成反比，與電荷成正比，與磁場強度成正比，但主要體現(xiàn)為依賴于粒子質(zhì)量。故選B。3.利用核反應(yīng)產(chǎn)生的γ射線電離氣體來產(chǎn)生帶電粒子（如電子），這些電離產(chǎn)生的電子可以被電場加速。這種方法的關(guān)鍵在于γ射線與物質(zhì)的相互作用截面相對較小，且產(chǎn)生的帶電粒子能量分布寬，需要后續(xù)電場進行有效加速和能量選擇。直接利用中子束較難直接加速，通常需要轉(zhuǎn)換。α粒子能量高但產(chǎn)生效率可能不高。質(zhì)子同步加速器產(chǎn)生的是質(zhì)子束，不是由核反應(yīng)直接產(chǎn)生用于此目的。γ射線電離產(chǎn)生電子然后加速是常見的技術(shù)路徑。故選B。4.Q值定義為核反應(yīng)后產(chǎn)物的總動能與反應(yīng)前入射粒子總動能之差，它表示核反應(yīng)過程中是吸收能量（Q<0）還是釋放能量（Q>0）。當反應(yīng)釋放能量時，Q值等于反應(yīng)釋放的凈能量。它反映了核反應(yīng)的energetics。反應(yīng)截面描述概率，反應(yīng)速率常數(shù)描述速率，故選C。5.同步輻射是指帶電粒子在磁場中做回旋運動時，其同步軌道半徑與磁場強度成正比，當粒子能量足夠高，其回旋半徑與加速器半徑相當時，會發(fā)生同步輻射，這是一種強烈的輻射損失，尤其在同步加速器中，當粒子能量接近光速時尤為顯著。直線加速器粒子沿直線運動，主要考慮輻射損失和能量損失?；匦铀倨髁Ｗ幼鰣A周運動，除非是超高能，否則同步輻射通常不是主要問題。故選C。6.核反應(yīng)截面是一個與靶核和入射粒子能量相關(guān)的量，它表示單位面積靶核在單位時間內(nèi)與單位通量的入射粒子發(fā)生核反應(yīng)的概率。橫截面越大，發(fā)生反應(yīng)的概率越高。故填核。7.帶電粒子在均勻磁場中受到洛倫茲力的作用，該力垂直于速度方向，不做功，只改變粒子速度的方向，使粒子做勻速圓周運動。故填圓周。8.在回旋加速器中，為了使粒子在不斷增加能量的同時，能夠保持在固定半徑的軌道上回旋，所需的向心力（由洛倫茲力提供）必須隨粒子速度的增大而增大。而向心力F=qvB，速度v隨時間增加，為維持半徑r不變，磁感應(yīng)強度B必須隨粒子動能（或速度）的增大而相應(yīng)增加?；蛘邚闹芷诮嵌龋瑸榫S持固定周期T，磁場B必須隨粒子質(zhì)量m的增加而增加。故填能量（或動量）。9.中子是電中性粒子，無法直接在電場中加速。因此，利用核反應(yīng)產(chǎn)生的中子束進行加速，通常需要首先通過核反應(yīng)（例如，中子與輕核反應(yīng)）產(chǎn)生中子，然后利用慢化劑將快中子減速，使其轉(zhuǎn)化為熱中子或冷中子，這些具有較低能量的中子再通過核反應(yīng)（如(n,α)反應(yīng)）或其他轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生出可以被電場加速的帶電粒子（如質(zhì)子或α粒子）。故填帶電粒子（或正離子）。10.核反應(yīng)堆通過核裂變鏈式反應(yīng)持續(xù)穩(wěn)定地產(chǎn)生大量中子。這些中子可以被引導(dǎo)出來，形成一個中子束流。這個中子束可以作為一種原始粒子束源，用于驅(qū)動或激發(fā)其他類型的加速器，例如中子束驅(qū)動的質(zhì)子加速器或用于產(chǎn)生帶電粒子的轉(zhuǎn)換靶。故填源。11.該技術(shù)利用核反應(yīng)堆或其他中子源產(chǎn)生的中子束流，中子轟擊特定的轉(zhuǎn)換靶材料（如鈹、鋰、硼等），發(fā)生核反應(yīng)（如(n,α)、(n,γ)等），產(chǎn)生出能量較高的帶電粒子（如α粒子、質(zhì)子等）。產(chǎn)生的帶電粒子束流隨后被引入到加速器（通常是直線加速器或回旋加速器）中進行進一步加速，達到所需的高能。主要特點包括：中子源通常是連續(xù)波發(fā)射，產(chǎn)生的帶電粒子束流能量相對單一（取決于反應(yīng)和靶材），裝置相對緊湊，但中子束方向性和準直性控制是關(guān)鍵。12.直線加速器利用一系列交替變化的電場沿直線對帶電粒子進行加速，粒子做變加速直線運動。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)相對簡單，沒有磁場，適合加速輕離子和電子；缺點是維持高梯度電場較困難，需要使用微波等?；匦铀倨骼媒蛔冸妶鲈贒形電極間加速粒子，利用均勻磁場使粒子做回旋運動。優(yōu)點是能量增加時，粒子軌道半徑增大，可以維持相對較低的場強實現(xiàn)高能量，效率較高；缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在同步加速輻射損失（高能），僅適用于質(zhì)子等重粒子，電子無法使用。能量增長方式上，直線加速器是連續(xù)加速，回旋加速器是周期性加速。13.利用核反應(yīng)產(chǎn)生的γ射線進行粒子加速的挑戰(zhàn)主要在于：首先，γ射線的電離能力較弱，與物質(zhì)的相互作用截面小，需要高強度的γ源和長路徑的輻射管道才能獲得足夠的電離粒子，這導(dǎo)致源強度和效率成為限制。其次，γ射線穿透力強，難以精確控制其能量和方向，產(chǎn)生帶電粒子的能量分散度可能較大，后續(xù)加速和能量選擇比較困難。最后，γ射線可能直接或間接（如產(chǎn)生正負電子對）產(chǎn)生各種次級粒子，導(dǎo)致束流成分復(fù)雜，不純凈。相比之下，中子源產(chǎn)生的中子雖然也需慢化，但電離能力適中，技術(shù)相對成熟。14.主要技術(shù)路徑包括：①中子源產(chǎn)生的帶電粒子加速：利用核反應(yīng)堆中子束轟擊轉(zhuǎn)換靶產(chǎn)生α粒子或質(zhì)子，再進行加速。②核反應(yīng)產(chǎn)生的γ射線電離氣體加速：利用強γ源照射氣體，電離產(chǎn)生電子，再進行加速。③利用核反應(yīng)鏈產(chǎn)生的粒子束加速：例如，某些核反應(yīng)鏈可以產(chǎn)生連續(xù)譜的α粒子或質(zhì)子束，直接用于加速。優(yōu)勢：中子源路徑相對成熟，裝置緊湊；γ射線路徑可產(chǎn)生高能電子；核反應(yīng)鏈路徑可能提供連續(xù)能譜。局限性：中子源路徑效率受中子通量和轉(zhuǎn)換效率限制；γ射線路徑受限于γ源強度和電離效率，束流控制難；核反應(yīng)鏈路徑能譜可能不理想。15.該技術(shù)在基礎(chǔ)物理研究中具有重要地位，例如用于產(chǎn)生高