110年:放射器材(1)

有關迴旋加速器的敘述,下列何者錯誤?

A對一個典型的迴旋加速器而言,電場的頻率是固定的
B對一個典型的迴旋加速器而言,質子迴旋的週期與能量無關
C在等時迴旋加速器( isochronous cyclotron )中,磁場會隨半徑增加而增加
D在等時迴旋加速器( isochronous cyclotron )中,迴旋頻率( cyclotron frequency )會隨著質子能量的改變而改 變

詳細解析

本題觀念:

本題探討「迴旋加速器(Cyclotron)」的基本物理原理及其不同型態的設計差異。 迴旋加速器主要分為以下三種演進型態,考生必須釐清它們在「磁場(Magnetic field)」與「射頻頻率(RF frequency)」上的不同:

  1. 典型/傳統迴旋加速器(Classical Cyclotron):利用均勻且固定不變的磁場固定的電場頻率來加速粒子。在非相對論極限下,粒子的質量視為常數,因此其迴旋頻率與週期皆為固定值,與能量或軌道半徑無關。
  2. 同步迴旋加速器(Synchrocyclotron):為了解決粒子加速至高能時,因「相對論效應」導致質量增加、迴旋頻率變慢而無法與電場同步的問題。此機型維持磁場固定,但改變(降低)電場頻率以配合粒子的運行。缺點是只能提供脈衝射束(Pulsed beam)。
  3. 等時迴旋加速器(Isochronous Cyclotron):為了能持續輸出連續射束(Continuous wave),此機型的設計是保持電場頻率固定(恆定),並將磁場設計為隨著軌道半徑變大(即能量增加)而漸強。這樣可以完美抵銷相對論性質量增加的影響,讓粒子無論能量多高,其「迴旋週期與頻率」皆保持等時不變。

選項分析

  • (A) 對一個典型的迴旋加速器而言,電場的頻率是固定的

...(解析預覽)...