回旋加速器与直线加速器作为电磁场中带电粒子运动的核心研究内容之一，其原理推导、结构对比和能量限制在 Alevel物理 U4考纲中被列为重点。本篇 G5教研部 Scarlett老师将基于原版教材与内部整合的专题讲义，系统性梳理两类加速器的异同点及作答方向。
两类加速器异同点
典型命题方向全解
『考点分析』
在 Alevel物理 U4的课程学习中，回旋加速器和直线加速器属于电磁场中带电粒子的运动模块，重点考察：原理与公式推导，即磁场中的圆周运动、电场加速机制、最大动能计算；对比分析，即两种加速器的结构差异、能量限制、实际应用；综合应用题，即结合粒子运动学与电磁学设计问题。
来源：G5教研部物理 U4考纲截图
在 Alevel物理考纲中也明确要求，需理解电场和磁场在回旋加速器和直线加速器中的作用，对应考试当中多以文字题出现。下文将重点分析作为两大经典加速器类型的回旋加速器和直线加速器，在结构和具体操作原理上的异同之处以及真题中的考核方式。
『回旋加速器 (The Cyclotron)』
1.结构与原理回旋加速器由美国物理学家劳伦斯于 1930年发明，其核心结构包括两个半圆形的 D形金属盒 (D-shaped electrodes or dees)(置于强磁场中)和一个高频交变电场，如下图所示。
来源：G5教研部物理 U4教材截图
磁场作用：带电粒子在磁场中受洛伦兹力做匀速圆周运动。电场加速：当粒子穿过 D形盒间隙时，电场方向与粒子运动方向同步变化，实现多次加速。
关键公式：r=mv/ Bq(r=p/Bq)，每一次加速都能增加粒子的动能，根据该公式可推出每一次在 D形金属盒中的轨迹半径也会增加。
2.常见题型与答题规范：Explain how the cyclotron accelerates the protons to a high energy？类似的题目要求考生解释回旋加速器加速的具体过程，Scarlett老师建议答题规范可参考以下表述，在实际学习过程中加强理解记忆。
来源：G5教研部整合粒子加速器讲义截图
『直线加速器 (Linear Accelerators)』
1.结构与原理直线加速器将粒子沿直线路径逐级加速，核心部件是一系列排列成直线的射频加速腔，如下图所示。
微波电场加速：每个加速腔施加高频交变电场，粒子穿过时仅在电场正半周被加速。
相位聚焦技术：通过精确控制电场频率，确保粒子在正确相位到达加速腔。
应用场景：大型强子对撞机 (LHC)的前级加速。
来源：G5教研部物理 U4教材截图
2.常见题型与答题规范：
题型一：Explain how the linac accelerates the protons？
类似的题目要求考生解释直线加速器加速的具体过程，答案可参考以下表述，在实际学习过程中也要加强背诵。
来源：G5教研部粒子加速器专题讲义截图
题型二：Explain why the drift tubes have a constant length at the other end of the linac？
解释在线性加速器中末端的管道长度不变的原因。由于当粒子加速到接近光速，动能公式不再能够运用了，根据 E=mc²，只能增加质量而不是速度，粒子在每个管道内所花的时间是一样的，速度也是一样的，所以管子长度不变。类似的问题答题思路可参考下图。
来源：G5教研部粒子加速器专题讲义截图
题型三：高能粒子反向碰撞 (high energy proton beams in opposite direction)和高能粒子撞击静止粒子 (Stationary target)，哪种类型的碰撞能产生拥有更大质量的新粒子。
答案是高能粒子反向碰撞 (high energy proton beams in opposite direction)能产生更大质量的新粒子，原因如下图。对于 Stationary target来说，撞之前总动量不为零，根据动量守恒，撞之后总动量也不为零，因此新粒子会有一部分的动能，所以对于新粒子有用的能量就会较少。
来源：G5教研部粒子加速器专题讲义截图
题型四：线性加速器中可控电流使用更高的频率的优点是什么？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老师为大家归纳了回旋加速器和线性加速器的异同之处，其相同点有三：
1.粒子都是通过电场加速的；
2.在每一个 dee和 tube中速度都是相同的；
3.粒子都是在 dees和 rubes的 gap中进行加速的。
两者的不同之处包含两点：
1.回旋加速器使用磁场但线性加速器不使用；
2.线性加速器的 tubes越来越长，回旋加速器的轨道半径越来越大。
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