2025年大学《核物理》专业题库- 重离子加速器在核物理研究中的应用

2025年大学《核物理》专业题库——重离子加速器在核物理研究中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的字母填在题后的括号内）1.与质子相比，在相同动能下，重离子（如α粒子）在物质中引起的电离损失（RBE）通常（）。A.更大B.更小C.相同D.无法确定2.现代高能重离子加速器中，用于将带电粒子能量提升到数千MeV量级的主体部分通常是（）。A.回旋加速器B.直线加速器C.同步加速器D.螺旋加速器3.在串列加速器中，粒子在两个加速间隙之间通过（）来实现能量的连续提升。A.电磁铁的偏转B.专用的高频加速腔C.透镜系统的聚焦D.靶材的散射4.对于同步加速器，为了使粒子在半径不断增加的轨道上保持同步运行，其回旋频率（）。A.必须恒定B.必须逐渐增加C.必须逐渐减小D.与半径无关5.在重离子加速器中，用于将直线加速段产生的连续或短脉冲束流转换成适合后续实验的脉冲束流的设备是（）。A.能量选择器B.能量分析器C.束流调制器D.聚焦透镜6.重离子深度非弹性散射实验中，研究的主要目标是（）。A.测量原子核的半径B.探索原子核内部的夸克结构C.产生新的核素D.研究原子核的形状7.通过重离子碰撞合成超重元素时，通常需要采用（）。A.低能、高流强的重离子束B.高能、低流强的重离子束C.中等能量、中等流强的重离子束D.任意能量和流强的重离子束8.在中子产生反应堆或加速器中，利用重离子轰击特定靶材产生中子的主要机制是（）。A.散裂反应B.转变反应C.联合反应D.弹性散射9.重离子放射治疗（HIT）相对于传统放射治疗的主要优势之一是（）。A.束流更易获得B.对周围健康组织的损伤更小C.治疗成本更低D.患者耐受性更好10.下列哪一项不是重离子加速器面临的主要技术挑战？（）A.实现超高能量B.获得高束流流强C.极高真空环境的维持D.完全消除束流碎裂二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在题中的横线上）1.重离子加速器产生的束流在穿过物质时，除了电离损失外，主要的能量损失机制是__________。2.在同步加速器中，利用__________来改变粒子回旋半径，并利用__________来补偿粒子在加速过程中的能量损失，从而实现稳定的高能加速。3.重离子束流在输运线中传输时，需要使用__________和__________系统来控制束流的方向和形状。4.合成超重元素通常通过重离子与靶核发生的__________反应或__________反应来实现。5.重离子深度非弹性散射实验中，散射角越大，反映出的原子核内部结构信息越__________（填“深”或“浅”）。6.用于产生中子的重离子靶材通常需要选择具有特定__________的核素。7.重离子放射治疗主要利用重离子在物质中具有的__________特性来提高对肿瘤组织的杀伤力。8.串列加速器相比于直线加速器，其主要优点之一是可以克服__________的限制，达到更高的加速电压。9.重离子加速器工作时，维持其内部管道达到超高真空（优于10⁻⁹Pa）对于保证束流传输__________至关重要。10.在核物理研究中，重离子加速器除了用于探索物质结构外，还在__________等领域发挥着重要作用。三、简答题（每题5分，共15分）1.简述同步加速器中，磁铁（如四极磁）在束流聚焦中扮演的角色。2.简述重离子在合成超重元素过程中的关键作用。3.简述重离子放射治疗相比于传统放射治疗的主要优势。四、计算题（共10分）已知一束α粒子（氦核，质量数为4，电荷数为2）在同步加速器中运行，磁铁的磁场强度为1.5T，每次回旋周期内能量增加50MeV。试估算该束流运行在半径为5km的轨道时，其速度的大小（假设相对论效应可以忽略，普朗克常数h=6.626×10⁻³⁴J·s，电子电荷e=1.602×10⁻¹⁹C，α粒子质量m≈6.64×10⁻²⁷kg）。五、论述题（共15分）论述重离子加速器在探索天体物理现象（如中子星碰撞、超新星爆发）的模拟研究中具有的独特优势及其主要应用方向。试卷答案一、选择题1.B2.C3.B4.B5.C6.B7.B8.A9.B10.D二、填空题1.弹性散射损失2.电磁铁，同步辐射损失补偿系统3.磁，电磁4.熔合裂变，熔合5.深6.中子截面7.穿透深度大/射程长8.加速电压9.可靠性/稳定性10.天体物理研究三、简答题1.解析思路：四极磁（quadrupolemagnet,QM）具有非均匀的磁场分布，能在某个方向上聚焦束流而在垂直方向上散焦束流，或者反之。通过交替放置正负四极磁铁，可以构成聚焦系统，使束流在特定平面内（例如，垂直于纸面的平面）实现聚焦，从而控制束流尺寸，提高束流品质和与靶的相互作用效率。2.解析思路：合成超重元素需要克服原子核巨大的库仑屏障。高能重离子具有足够的动能，在与靶核碰撞时能够克服库仑势垒发生深度非弹性散射或熔合反应，形成复合核。随后，复合核通过放射性衰变（如α衰变、β衰变）逐步稳定，最终形成超重元素。重离子的选择（如钙、锶、锔等）和能量需要精心设计，以优化熔合概率和产物半衰期。3.解析思路：重离子具有比质子更大的质量和电荷。高电荷使得重离子在物质中损失能量更快（电离损失大），但同时也意味着其射程相对较短。这种特性使得重离子束束能够更精确地停留在肿瘤组织内部，将高剂量的放射线集中作用于癌细胞，同时减少对周围正常组织的辐射损伤。此外，重离子的独特的射程-剂量分布特性（RDD）也可能为某些特定类型的肿瘤提供更好的治疗效果。四、计算题解析思路：首先，根据能量增加量和周期数，估算粒子在半径为5km轨道上运行的总能量。然后，利用同步加速器的特性，粒子在半径为R的轨道上运行时，其速度v大致等于光速c。最终计算出速度值。具体步骤如下：1.每周期能量增加ΔE=50MeV=50×10⁶eV×1.602×10⁻¹⁹J/eV≈8.01×10⁻¹³J。2.粒子在半径为R=5km=5×10³m的轨道上运行时，其速度v≈c=3×10⁸m/s。（同步加速器中v非常接近c，且随能量变化不大，此处忽略相对论效应）。答案：v≈3×10⁸m/s。五、论述题解析思路：论述应围绕重离子加速器产生的“高能量”和“高重子密度”（或“高电荷”）这两个核心特点展开，阐述它们如何帮助模拟天体物理过程中的极端条件。1.高能量优势：重离子加速器能提供从几MeV到几百GeV的能量范围。对于模拟中子星碰撞、超新星爆发等天体物理事件中涉及的极端高能粒子（如宇宙射线）与物质的相互作用，或模拟恒星内部核反应，所需的高能量条件可以通过重离子加速器实现。高能量使得重离子能够产生大量的次级粒子（如中子、质子、介子等），这些次级粒子可以用来模拟天体事件中产生的粒子束流。2.高重子密度/高电荷优势：重离子是重子，其密度远高于光子或轻子束。在模拟中子星碰撞等事件中，涉及巨大的物质挤压和核物质相互作用，重离子束可以模拟这类碰撞中的强子成分。重离子的电荷高，其在物质中的相互作用截面大，产生的电离和散射效应显著，这有助于研究高能粒子在稠密介质（如星际介质、超新星remnants）中的传播和能量损失机制，这些是理解宇宙射线起源和传播的关键。3.主要应用方向：*中子星碰撞模拟：使用重离子碰撞模拟中子星并合过程中的物质挤压、核合成、中微子发射等物理过程。*超新星爆发模拟：利用重离子