加速器作業(yè)全部答案.pdf

《加速器作業(yè)全部答案.pdf》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《加速器作業(yè)全部答案.pdf（14頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

第 一 章作業(yè)及答案 1、 加速器由幾個(gè)部分組成，分別具有什么作用 ? 答： 粒子源 ： 提供所需加速的各種粒子 ； 真空加速系統(tǒng) ： a) 加速管或加速腔； b) 控制束流運(yùn)動(dòng)軌道的導(dǎo)引、聚焦系統(tǒng)電 磁場系統(tǒng)； c) 真空系統(tǒng)。帶電粒子的加速過程必須在真空條件下進(jìn)行，以免 與氣體分子碰撞而損失。 束流輸運(yùn)分析系統(tǒng) ： 用以在源和加速器之間、加速器和靶之間，或當(dāng)多個(gè)加 速器 串接工作時(shí)，在加速器之間輸運(yùn)和分析所需的粒子束 。 輔助系統(tǒng) ： 供電 、 控制 、冷卻 等 作用。 2、 加速器發(fā)展的歷史中，有哪些具有劃時(shí)代的發(fā)明 ? 答： a. 1919 年 E.盧瑟福 (E.Rutherford)用天然放射源實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)人工核 反應(yīng) ; b. 1928年 的 靜電加速器 、 1929年 的 回旋加速器 、 1932 年 的 倍壓加速器 ; c. 1940年美國科學(xué)家科斯特研制出世界上第一個(gè)電子感應(yīng)加速器 ; d. 1945 年，前蘇聯(lián)科學(xué)家維克斯列爾和美國科學(xué)家麥克米倫各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn) 了自動(dòng)穩(wěn)相原理。 3、 推導(dǎo)以下關(guān)系 : ?? = ???? √???? ??????? . ?? = ???? = ?????? = ???? ???? = ???? ??√(??+??)????? (??+??)??? = ????√??? ??(??+??)?? = ???? √???? ??????? . 4、 1 個(gè)電子被電壓為 106 V 的電場加速后，其質(zhì)量為多少？速率為多大？ 解： 5、 1個(gè)電子在勻強(qiáng)電場中經(jīng) 104伏的電壓加速 ,用經(jīng)典力學(xué)和相對(duì)論力學(xué)的方法 分別計(jì)算電 子的動(dòng)量時(shí)相對(duì)誤差為多少 ?(電子的靜止質(zhì)量為 9.1x10-31kg) 第 二 章作業(yè)及答案 1、 闡述帶電粒子束的三個(gè)主要參數(shù)能散度 ,亮度 ,發(fā)射度物理意義 ,單位是什么？ 答： 能散度 ：束流中帶電粒子能量分散的程度 ； 亮度 ： 束流在空間的密度 ； 發(fā)射度 ： 束流中 帶電粒子 在相空間分散的程度 . 2、 哪些離子源可以產(chǎn)生多電荷態(tài)離子 ?其條件是什么 ? 答： 高頻源、潘寧源和雙等 離子體 源在約束時(shí)間長和電子密度高的情況下， 都能產(chǎn)生多電荷態(tài)離子，但由于工作氣壓較高，很難得到高電荷態(tài)的離子。 產(chǎn)生 條件 是：約束時(shí)間長，電子密度高。 哪些離子源可以產(chǎn)生高電荷態(tài)離子 ?其產(chǎn)生機(jī)理是什么？ 答： ECR 源、電子束離子源 產(chǎn)生高電荷態(tài)離子 ，產(chǎn)生條件是： 電離用的電子能 量要高 ， 要求電子密度高和約束時(shí)間長 ， 工作氣壓要低 。 3、 為使從熾熱燈絲發(fā)射的電子（質(zhì)量 m、電量 e、初速為零）能沿入射方向通 過有勻強(qiáng)電場（場強(qiáng)為 E）和勻強(qiáng)磁場（磁感強(qiáng)度為 B）的方形區(qū)域，則電場 E 方向應(yīng)為 ?對(duì)電子的加速電壓應(yīng)為 ? 4、 如何對(duì)離子源進(jìn)行分類 ?加速器中有哪幾種常用的離子源 ? 答： 分類方法有： 按照產(chǎn)生離子的不同 方法分 （ 電子碰撞電離、熱表面電離、粒 子束表面轟擊電離、場致 發(fā)射電離 ） ，按照所需離子束的基本特征分 （ 離子種 類、電荷態(tài)、束流參數(shù) ） ，按照離子源結(jié)構(gòu)中主要元件的特征分 （ 陰極、約束 場、放電功率源、引出結(jié)構(gòu) ） 。 加速器中有 常用的離子源 ： 高頻離子源、潘寧源 (PIG)、雙等源、電子回旋共 振源、電子束離子源 (EBIS)、負(fù)離子源、極化離子源 。 第三章作業(yè)及答案 1、 如何對(duì)高壓加速器進(jìn)行分類。 答： 高壓型加速器分為高壓倍加器和靜電加速器兩種。 高壓倍加器： 1 串激倍壓加速器 2 并激倍壓加速器（高頻高壓加速器） 3 絕緣磁芯加速器 4 強(qiáng)脈沖加速器 靜電加速器： 1 單級(jí)加速器 2 串列加速器 2、 解釋以下名詞：電壓降、紋波 、臨界氣壓現(xiàn)象、剝離器。 電壓降： 高壓發(fā)生器中倍壓線路主電容器 通過負(fù)載放電而導(dǎo)致 輸出電壓 的下降 。 紋波 ：高壓發(fā)生器中倍壓線路主電容器通過負(fù)載放電后，實(shí)際輸出電 壓圍繞平均 輸出電壓的波動(dòng)。 臨界氣壓現(xiàn)象： 對(duì)于正離子靜電加速器，氣壓增大到 一定值時(shí)會(huì)出現(xiàn)臨界氣壓現(xiàn) 象。此時(shí) ，在針尖對(duì)平板的電暈噴電系統(tǒng)中，間隙的火花放電擊穿電壓會(huì)突然下 降，變得與電暈放電的起始電壓相等，因此擊穿前不再出現(xiàn)電暈放電。這使得利 用電暈放電實(shí)現(xiàn)噴電的輸電系統(tǒng)無法工作。臨界氣壓的大小與氣體種類和噴電 裝 置電極的幾何形狀有關(guān)。 剝離器： 串列加速器中，將離子源所產(chǎn)生的（高電荷態(tài)）負(fù)離子中的電子剝離 并 轉(zhuǎn)變?yōu)檎x子的裝置。 3、 一臺(tái)倍加器，給定級(jí)數(shù)為 N=5， Va=110kV, C=0.02μ F， f=50Hz， I=2mA。求 Vmax， V ， Δ V， δ V 和 δ V/V各為多大？ 解： 32 m a x 43V 2 ( )6a N N N iNV fC???? =9.1*105 V ( 1)4N N iV fC? ?? =1.5*104 V maxV VV???=8.95*10 4 V V2 aNV V? ? ? =2.05*105 V VV? =1.7% 4、 下圖 1 中虛線框內(nèi)是串列加速 器的原理示意圖，其中加速管的中部 b處有很 高的正電勢 U， a、 c兩端均有電極接地 (電勢為零 )。現(xiàn)將速度很低的負(fù)一價(jià) 碳離子從 a端輸入．當(dāng)離子到達(dá) b處時(shí)．可被設(shè)在 b 處的特殊裝置將其電子 剝離，成為 n 價(jià)正離子，而不改變其速度大小，這些正 n 價(jià)碳離子從 c 端飛 出后進(jìn)入一個(gè)與其速度方向垂直的、磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B 的勻強(qiáng)磁場中．在磁場 中做半徑為 R 的圓周運(yùn)動(dòng)．已知碳離子的質(zhì)量 m=2.010 -26kg， U=7.5 10 5 V， B =0.50T， n=2，基元電荷 e= l.6l0 -19 C，求 R。 解：由已知可達(dá)， 加速管的前半部分實(shí) 際上組成一個(gè)串列加速器 。 則帶電粒子從串列加速器中獲得能量為： E＝ (1＋ n)eU=(1+2) 1.6l0-197.5105=3.610-13 J. 由 E=0.5mv2 可得帶電粒子在 c 端的速度 v=6106m/s. 根據(jù) mv eRBn ? 或 2Rmv nevB? 得 R=0.75m. 第 四 章作業(yè)及答案 1、 從 ddt(??????????) = ?????2(1???)?? 和 ddt(??????????) = ?????2???? 兩個(gè)表達(dá)式出發(fā)推出帶 電粒子在彎轉(zhuǎn)磁鐵中的轉(zhuǎn)換矩陣 Mx, Mz. 解： 見教材 p179-180.不對(duì) 版，注意代換 !! 把原微分方程 化成 （ 不考慮相對(duì)論 ） ?????? ?????? +?? ??(?????)?? = ?? 和 ?????? ?????? +?? ?????? = ?? 對(duì)于下圖的方法，用 ?? = ??;????(?????) = ????????? ; ?????? = ??????. 老師在第 2 題直接引用了 ????和 ????轉(zhuǎn)換矩陣，但 S 用了 ???? 代替 。 2、計(jì)算教材 P188中 4.21圖 a 情況下 (零梯度同步加速器 )的橫向運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定條 件。 解：見教材 p199-200. X 為橫向， Z 為縱向 3、如果加速器二極鐵的偏轉(zhuǎn)半徑為 15m,電子能量為 8Gev,計(jì)算電子的磁剛度 （ B? ）以及二極磁鐵的磁場強(qiáng)度 B。 解： 2200( 2 )WW q e B c q e B c? ? ?? ???? . ∵ 0W ??? ,∴ W qeBc?? . 如果能量的單位用 MeV,則 300WqB?? ，即 300WB q?? 。 代入已知條件：電子的電荷數(shù) q=1，電子能量 W=8103MeV， ρ = 15m得： B=1.78T，以及 G 26 .7 T mB ?? ? ?（ ）. 第 五 章作業(yè)及答案 0、 在電子回旋感應(yīng)加速器中 , （ 1）設(shè)被加速的電子被“約束”在半徑為 r的圓周上運(yùn)動(dòng)，整個(gè)圓面區(qū) 域內(nèi)的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為 ??? ，求電子所在圓周上的感生電場場強(qiáng)的大小 與 ???的變化率滿足什么關(guān)系。 （ 2）在（ 1）條件下，為了維持電子在恒定的軌道上加速，電子軌道處的 磁場應(yīng)滿足什么關(guān)系？ 解： 用高二的知識(shí)其實(shí)就能解的。但是我要用高大上的積分 形式 ?。? 1>因?yàn)?dwdN = ?∮ ????? ???? = ?????????? ?? ? ∮ ??? ???? = ????????? ?? ? E? = ? 12???? ? ???????? 又 ?? = ????2??? 所以 E? = ? 12???? ?????2 ? ????? ???? = ???2????? ???? 2>先對(duì) e??Br???? = ????2?? 求時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，得 ??????? ???? = ???? ???????? 又 eE? = ?????????? = e??2 ????? ???? 對(duì)比兩式得 Br???? = 12??? . 即 電子軌道處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為軌道內(nèi)部平均磁感應(yīng)強(qiáng)度的一半 . 1、 一臺(tái)能量為 300Mev的電子感應(yīng)型加速器，平衡軌道半徑為 1.05m,求電子 每轉(zhuǎn)一圈輻射損失的能量。 解 ： 由電動(dòng)力學(xué)可推出，電子在單位時(shí)間內(nèi)由于磁輻損失的能量為 22 4 316dW e adt c ???? 介 電 電子轉(zhuǎn)一圈由于輻射損失的能量為 dWWTdt?? ， 又 向心加速度 22 ss vca rr? , 0 ?? ?? , 22 srT c???? ， 上式可化為： 294 02 6 1 0 ( )s d W eWT d t r ?? ?? ? ? ? ?= 4-88.85 10 sr ?? ， 4-8 [ ( ) ]( ) 8 . 8 5 1 0 s M e VW e V r?? ? ? 將已 知條件代入 ? =300MeV， sr =1.05m 上式可得： W? =682.7eV 2、 電子感應(yīng)加速器磁場 2:1 條件的推導(dǎo)。 解 ： 教材 p214-215. 3、 電子感應(yīng)加速器和電子直線感應(yīng)加速器原理有什么不同？ 解：電子感應(yīng)加速器 利用隨時(shí)間變化的磁通量產(chǎn)生的渦 旋電場來加速帶電粒子， 粒子在加速過程中做回旋運(yùn)動(dòng)。它 只適用于加速電子 （或正電子） 。 電子直線感應(yīng)加速器的 加速電場是由電磁感應(yīng)產(chǎn)生的，很多個(gè)加速組元（每個(gè)組 元可以看成一個(gè)用磁感應(yīng)原理制成的特殊變壓器）感生的加速電場排成直線，粒 子在加速過程中沿直線運(yùn)動(dòng)。 它除適用于加速電子外，還可用于加速輕離子或重 離子。 第 六 章作業(yè)及答案 1、 比較經(jīng)典回旋加速器和電子感應(yīng)回旋加速器在結(jié)構(gòu)和工作原理上的異同？ 答： 經(jīng)典回旋加速器 主要由以下六個(gè)部分組成 ：（ 1）產(chǎn)生直流磁場的磁體；（ 2） 一個(gè)包括 D 形盒的高頻電壓發(fā)生器 ；（ 3） 離子源或離子注入系統(tǒng)；（ 4）偏轉(zhuǎn)引出 系統(tǒng)； （ 5） 真空系統(tǒng)和（ 6）供電與控制系統(tǒng) 。 它利用磁場使帶電粒子沿圓弧形 軌 道旋轉(zhuǎn)，多次反復(fù)地通過高頻電場，直至達(dá)到高能量 。 電子感應(yīng)加速器的主要部件有：電磁鐵、真空室、電子槍以及控制電子注入和引 出時(shí)刻的同步線路等。它是利用隨時(shí)間變化的磁通量產(chǎn)生的渦旋電場來加速帶電 粒子，粒子在加速過程中做回旋運(yùn)動(dòng)。它只適用于加速電子（或正電子）。 兩類加速 器 的相同點(diǎn)在于： 都用到磁鐵，以 外部離子源作為注入， 皆有真空系統(tǒng) 和供電與 控制系統(tǒng) （ 或線路 ） ，以及偏轉(zhuǎn)引出裝置 。 不同點(diǎn)在于：（ 1） 磁鐵的功能不同，前者用磁體產(chǎn)生直流磁場，使帶電粒子發(fā)生 偏轉(zhuǎn)，后者主要是利用磁體來加速電子； （ 2） 經(jīng)典回旋加速器 中帶電 粒子的運(yùn)動(dòng) 軌道是開螺旋的， 電子感應(yīng)回旋加速器 中電子在較固定的平衡軌道上運(yùn)動(dòng)； （ 3） 經(jīng)典回旋加速器 與 電子感應(yīng)回旋加速器 相比， 多一個(gè) D 形盒（高頻電壓發(fā)生器） ， 用于加速帶電粒子； （ 4） 經(jīng)典回旋加速器 不僅可加速電子，還可加速其它粒子（原 則上可以加速周期表上全部元素的全離子），但 電子感應(yīng)回旋加速器 僅適用于加 速電子。 2、 比較穩(wěn)相加速器和等時(shí)性回旋加速器與經(jīng)典回旋加速器在工作原理上的 不同 ？ 答： 書 P328。（ 只答不同點(diǎn) ） 穩(wěn)相加速器的磁場與普通回旋加速器幾乎相同，只是因能量 更高而磁極半徑 更大些 ； 穩(wěn)相加速器高頻加速 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與普通回旋加速器相似，也 是采用 D 形 電極來加速粒子 ， 但 穩(wěn) 相加速器的 D 極較大，同時(shí)用共振線作 D 極支 桿 ，將其 與加速電極垂直相聯(lián)（圖 7.2)， D 極系統(tǒng)放在真空室中 。 穩(wěn)相加速器的高頻頻率 需隨粒于的回旋頻率調(diào)變 ，這是由在 D 極和共振線組成的諧振電路中加入可調(diào) 電容或電感來實(shí)現(xiàn)的 ； 穩(wěn)相加速器 的加速電壓可比回旋加 速器的低得多 ； 穩(wěn)相加 速器與回旋加速器一樣，只適于加速離子，一般用于 加速質(zhì)子、 氘 核及 α粒子。 3、 有一回旋加速器，它的交變電壓頻率為 f，半圓形電極的半徑為 R，加速 質(zhì)子所需的磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度要多大？質(zhì)子加速到的最大動(dòng)能是多大？ （已知質(zhì)子的質(zhì)量 m，電量為 q） 解： （ 不考慮相對(duì)論的答案 ） 已知質(zhì)子的質(zhì)量 m，電量為 q. 由 () 22 Dc v qBf f f rm??? ? ? ? 得： 2 mfB q?? ∵ 2mv qBR mR f??? （ 由 E = 12????2和 ????2?? = ????????求得 ） ∴ E?????? = 2 2 2 222mvW m R f??? 4、 對(duì)于 W=10Mev 的氘核 ,考慮相對(duì)論效應(yīng) ,當(dāng)其所處的回旋加速器磁場每下 降 5%時(shí) ,試求運(yùn)轉(zhuǎn)每圈產(chǎn)生的滑相。 解： 已知氘核 動(dòng)能 W=10Mev， 磁場 下降 ()br =5%， 氘核 能量為 1876MeV. 根據(jù) 02 [ ( )] dWbrdN? ? ???， ε0 = ??0??2， 得 運(yùn)轉(zhuǎn)每圈產(chǎn)生的滑相 dφdN ≈ 19.92??. 第七章 作業(yè)：無 第八章 作業(yè)及答案 1、 滿足同步加速器的兩個(gè)基本條件是什么 ?請(qǐng)寫出這兩個(gè) 相關(guān)公式 ,并用文 字表述。 (書本 359-360) 答： 磁場條件 高頻電場條件 綜上所述，要使帶電粒子的能量在上述的圓形加速器中被加 2、 如何對(duì)同步加速器進(jìn)行分類 ?(PPT22) 3、 解釋以下三個(gè)定義： 阻尼冷卻 電子冷卻 隨機(jī)冷卻 對(duì)撞束亮度 阻尼冷卻 （ 這是最相近的一個(gè)解釋 ） 電子冷卻： 隨機(jī)冷卻： 對(duì)撞束亮度 ： 4、 正負(fù)電子能量均為 5Gev,則對(duì)撞時(shí)產(chǎn)生的相互作用能理論上為多大 ?這相 當(dāng)于打靜止靶的多大的束流能量 ? 答： 做在課件上了。 第 九 章 作業(yè)及答案 1、 簡述直線加速器當(dāng)中行波加速與駐波加速的原理。 (PPT 26) 答： 行波加速： 行波 作用方向 與 粒子 加速 方向 相同 的加速方式。 駐波加速 ： 駐波電場被分解為正向基波和反向基波 ，利用正向波加速粒子并避免 反向波損耗的加速方式。 基波正向波 :與離子速度相同 ,離子像騎在基波的正向波上 ,二者一起前進(jìn) ,只要粒 子在正向波加速相位上 ,就能持續(xù)地得到加速 ,粒子越靠近行波正的峰值受加速作 用越強(qiáng) ； 基波反向波 :雖有與離子相同的速率 ,但行進(jìn)方向與粒子相反 ,粒子頻繁受到加速 與減速 ,最終幾乎不對(duì)粒子能量產(chǎn)生作用 .