高能物理中的粒子加速器技术

1 第十一届“希望杯”青年优秀论文

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粒子加速器学会 2 第十一届“希望杯”青年优秀论文

专家评阅意见表

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粒子加速器学会 3 “希望杯”青年优秀论文评选条例

一、总则

为了培养和激励青年科技人员的创新和进取精神，使他们为发展我国加速器科学技术、推动加速器在国民经济中的应用做出更大贡献，粒子加速器学会决定举办每两年一次的“希望杯”青年优秀论文评选活动。此项活动也是学会加强青年会员工作，团结广大加速器青年工作者，选拔、举荐、培养、造就优秀青年科技人才的重要措施。

评选活动在学会常务理事会领导下由秘书处具体组织进行。评选活动要坚持公开、公平、公正的原则，充分依靠各理事单位和广大会员，保证评选工作的科学性、广泛性和权威性。

当包含上万亿颗粒子的光束以近光速的速度被压缩时，其中一定会产生某些混乱。在粒子对撞器机限制这种混乱对于获得预想的突破性结果至关重要。欧洲核子研究中心(简称CERN)的一名物理学家细节描述了一种检测和纠正在粒子对撞机里不想要的混乱行为的重要方法。这种方法帮助了研究加速器的物理学家在科研预算紧张的时代设计高性能、有成本效益的加速器。

纠正大型强子对撞机里超导磁体微小缺陷的新方法对于发现希格斯玻色子至关重要。

这一特刊的目标在于全面综合的审阅混沌检测和预测的现有方法及应用，同时也报告这些方法近期在不同科研领域的应用。这辑名为《混沌检测方法和可预测性》的特刊包含了12篇代表一系列应用的文章，从数学、物理、天文学到粒子加速物理学、气象学和医学研究不等。

混沌一直都让试图描述相互作用物体之间精确运动的物理学家们痛苦不已。法国数学家昂利·彭加莱(Henri Poincaré)在19世纪晚期发现了这一现象的精髓，当时他正试图精确的预测太阳系内行星的运动（未果）。相同的混沌行为也发生在类似CERN大型强子对撞机的加速器内的粒子上。在这些机器内部，强大的电场和磁场加速并引导了包含上万亿颗粒子的光束。理想情况下，所有的粒子都将在它们被喷射到的围绕着环的有序轨道上运行。但现实情况是，有些粒子会从环的中心展开，由于彼此之间的相互作用以及引导它们的磁场的缺陷，它们可能会变得混乱。被踢出稳定轨道的粒子可能会撞击对撞机里超冷的超导磁体。如果这一现象发生的过于频繁，那么磁铁会加热，粒子束不得不停止，这会影响实验的正常进行，产生的延迟也会导致成本上升。

基于之前进行的天文学研究，CERN的物理学家杨尼斯·帕帕菲利浦（ Yannis

Papaphilippou）知道了一种名为频率图分析的方法，它能够将物体振荡的频率与它们的混沌行为相联系。在过去的10多年间，帕帕菲利浦和他的同事应用这一方法对加速器里相同频率离子束进行了模拟。利用这类模拟，物理学家设计的对撞机可以避免混沌光束相互作用，并保持粒子走上正轨。

2019-2020年高中物理 带电粒子在匀强磁场中运动应用《回旋加速器》教学设计 新人教版选修3-1

【设计思想】

本节课“回旋加速器”是带电粒子在电场和磁场中运动的一个具体的综合实例。本节课的主要任务在于提高学生应用所学知识分析解决问题的能力，并在应用过程中加深对电场和洛仑兹力的理解，同时体会科学研究的方法和思想。因此，本节课采用问题引导的方式，充分调动学生进行分析讨论，让学生如同身临其境地“参与”加速器的“设计”和“改进”，这样能更好地让学生体验并深入理解回旋加速器的设计原理和结构、用途。

【教学目标】

1． 了解回旋加速器的基本结构，理解回旋加速器的设计原理

2． 理解回旋加速器加速带电粒子的特点

3． 通过回旋加速器的设计过程，加深对磁场和电场特点的认识

4． 经历回旋加速器的设计过程，体会科学研究的方法和思想

【教学重点】

回旋加速器对带电粒子的加速原理及特点

【教学难点】

1．加速电场与带电粒子运动周期的同步关系

2．带电粒子最大动能和最大速度的影响因素

【教学过程】

一、引入

1．类比情景导入

出示一个核桃，如果需要知道它内部是怎样的，需要怎么做？

（打开看个究竟，用锤砸开）

2．课题引入

科学研究也是如此，对于原子核，要深入研究或者让原子核发生反应，也必须用“炮弹”把它轰开。这样的“炮弹”需要用高能粒子来充当，通常为质子、电子、中子、氦核等。

首先需要解决的问题是，如何获得高能粒子。

二、加速器的实现和改进

1．加速原理

如何获得高能粒子呢？对于带电粒子来说很容易想到办法，让带电粒子加速。

（带电粒子在电场中加速） 带电粒子经过电场加速后，能够获得多大的能量？怎样使这个能量高一些？

（ΔEK=qU，提高能量，可以提高加速电压）

当初科学家也是这么想的，进行了许多尝试去获得高电压，采用多级变压器，静电发生器等。但产生高压要受到许多限制，那个年代大概只能到几十万伏，不足以得到所需的高能粒子。必须考虑其它的办法。

第ｌ４卷第５期　２００７年ｌ０月　东莞理工学院学报　

ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＤＯＮＧＧＵＡＮ　Ｉ　ⅡＶＥＲＳｒＩＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＶＯ１．１４　ＮＯ．５　Ｏｃｔ．　２００７　

带电粒子沟道辐射在高能物理中的　

一种可能应用　

胡必武　

（东莞理工学院电子工程系，广东东莞５２３８０８）　

摘要ｉ引入正弦平方势，并在抛物线近似下解析地处理了沟道辐射的瞬时辐射强度和平均辐射强度．　结果表明沟道辐射的平均辐射强度与相对论因子，，的平方成正比．于是指出了可望用它来识别超高能粒子，　而且强调了粒子能量越高越容易被识别．注意到沟道辐射大部分都集中在粒子运动方向、角宽　ｌｈ，的范　围内，可见粒子能量越高角宽越窄，这又为超高能粒子的识别进一步提供了有利条件．最后，以正电子在　碳单晶中的（１１０）面沟道辐射为例进行了计算，揭示了如何从平均辐射强度来识别超高能粒子的可能性．　关键词：超高能；粒子识别；沟道辐射；相对论　中图分类号：Ｏ５７１．３３；０４４２；０４８２．３ｌ文献标识码：Ａ　文章编号：１００９－－０３１２（２００７）０５—００２８—０５　

０　引言　

当带电粒子沿着晶体某些方向（特别是低晶面指数方向）运动时，就像进入了一条通道一样很　容易穿透到晶体内部，这个现象称为沟道效应。经典物理学证明…，在电磁场中运动的带电粒子，　

只要它的加速度不为零，就要自发地向外辐射电磁波。在晶格场中运动的带电粒子也不例外，强大　

的晶格场可以使辐射能量达到很高。作沟道运动的带电粒子也将不断向外辐射能量，这种辐射称为　

沟道辐射。带电粒子的沟道辐射是由于粒子横向运动引起的，对于１０ＭｅＶ的正电子，辐射能量可达　

ｋｅＶ量级。　．　

人们在对沟道效应和沟道辐射进行研究的同时，对它的可能应用也十分关注。文献［２】分析了利　

用沟道辐射获得ｘ一激光或’，一激光的可能性。指出了在平面连续近似下，正电子在面沟道中的运动行　

为类似于线极化摆动器中的电子运动；并指出了在连续近似下，电子在轴沟道中的运动行为十分类　似于螺旋摆动器中的自由电子。自由电子激光的相干性是自由电子通过摆动器（场）同辐射场相互　作用形成“拍波”（有质动力波），并被“拍波”俘获（同步）来实现的。目前，自由电子激光的