Alevel物理 U4物理電磁場考點 兩類加速器的異同解析

回旋加速器與(yu) 直線加速器作為(wei) 電磁場中帶電粒子運動的核心研究內(nei) 容之一，其原理推導、結構對比和能量限製在 Alevel物理 U4考綱中被列為(wei) 重點。本篇 G5教研部 Scarlett老師將基於(yu) 原版教材與(yu) 內(nei) 部整合的專(zhuan) 題講義(yi) ，係統性梳理兩(liang) 類加速器的異同點及作答方向。

兩(liang) 類加速器異同點

典型命題方向全解

『考點分析』

在 Alevel物理 U4的課程學習(xi) 中，回旋加速器和直線加速器屬於(yu) 電磁場中帶電粒子的運動模塊，重點考察：原理與(yu) 公式推導，即磁場中的圓周運動、電場加速機製、最大動能計算；對比分析，即兩(liang) 種加速器的結構差異、能量限製、實際應用；綜合應用題，即結合粒子運動學與(yu) 電磁學設計問題。

來源：G5教研部物理 U4考綱截圖

在 Alevel物理考綱中也明確要求，需理解電場和磁場在回旋加速器和直線加速器中的作用，對應考試當中多以文字題出現。下文將重點分析作為(wei) 兩(liang) 大經典加速器類型的回旋加速器和直線加速器，在結構和具體(ti) 操作原理上的異同之處以及真題中的考核方式。

『回旋加速器 (The Cyclotron)』

1.結構與(yu) 原理回旋加速器由美國物理學家勞倫(lun) 斯於(yu) 1930年發明，其核心結構包括兩(liang) 個(ge) 半圓形的 D形金屬盒 (D-shaped electrodes or dees)(置於(yu) 強磁場中)和一個(ge) 高頻交變電場，如下圖所示。

來源：G5教研部物理 U4教材截圖

磁場作用：帶電粒子在磁場中受洛倫(lun) 茲(zi) 力做勻速圓周運動。電場加速：當粒子穿過 D形盒間隙時，電場方向與(yu) 粒子運動方向同步變化，實現多次加速。

關(guan) 鍵公式：r=mv/ Bq(r=p/Bq)，每一次加速都能增加粒子的動能，根據該公式可推出每一次在 D形金屬盒中的軌跡半徑也會(hui) 增加。

2.常見題型與(yu) 答題規範：Explain how the cyclotron accelerates the protons to a high energy？類似的題目要求考生解釋回旋加速器加速的具體(ti) 過程，Scarlett老師建議答題規範可參考以下表述，在實際學習(xi) 過程中加強理解記憶。

來源：G5教研部整合粒子加速器講義(yi) 截圖

『直線加速器 (Linear Accelerators)』

1.結構與(yu) 原理直線加速器將粒子沿直線路徑逐級加速，核心部件是一係列排列成直線的射頻加速腔，如下圖所示。

微波電場加速：每個(ge) 加速腔施加高頻交變電場，粒子穿過時僅(jin) 在電場正半周被加速。

相位聚焦技術：通過精確控製電場頻率，確保粒子在正確相位到達加速腔。

應用場景：大型強子對撞機 (LHC)的前級加速。

來源：G5教研部物理 U4教材截圖

2.常見題型與(yu) 答題規範：

題型一：Explain how the linac accelerates the protons？

類似的題目要求考生解釋直線加速器加速的具體(ti) 過程，答案可參考以下表述，在實際學習(xi) 過程中也要加強背誦。

來源：G5教研部粒子加速器專(zhuan) 題講義(yi) 截圖

題型二：Explain why the drift tubes have a constant length at the other end of the linac？

解釋在線性加速器中末端的管道長度不變的原因。由於(yu) 當粒子加速到接近光速，動能公式不再能夠運用了，根據 E=mc²，隻能增加質量而不是速度，粒子在每個(ge) 管道內(nei) 所花的時間是一樣的，速度也是一樣的，所以管子長度不變。類似的問題答題思路可參考下圖。

來源：G5教研部粒子加速器專(zhuan) 題講義(yi) 截圖

題型三：高能粒子反向碰撞 (high energy proton beams in opposite direction)和高能粒子撞擊靜止粒子 (Stationary target)，哪種類型的碰撞能產(chan) 生擁有更大質量的新粒子。

答案是高能粒子反向碰撞 (high energy proton beams in opposite direction)能產(chan) 生更大質量的新粒子，原因如下圖。對於(yu) Stationary target來說，撞之前總動量不為(wei) 零，根據動量守恒，撞之後總動量也不為(wei) 零，因此新粒子會(hui) 有一部分的動能，所以對於(yu) 新粒子有用的能量就會(hui) 較少。

來源：G5教研部粒子加速器專(zhuan) 題講義(yi) 截圖

題型四：線性加速器中可控電流使用更高的頻率的優(you) 點是什麽(me) ？alternating current use higher frequency，原因是：

1. Time spent in drift tubes is shorter；

2. So it is possible to reach high speed with a shorter linac。

G5教研部 Scarlett老師為(wei) 大家歸納了回旋加速器和線性加速器的異同之處，其相同點有三：

1.粒子都是通過電場加速的；

2.在每一個(ge) dee和 tube中速度都是相同的；

3.粒子都是在 dees和 rubes的 gap中進行加速的。

兩(liang) 者的不同之處包含兩(liang) 點：

1.回旋加速器使用磁場但線性加速器不使用；

2.線性加速器的 tubes越來越長，回旋加速器的軌道半徑越來越大。