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title: "回旋加速器怎样让质子赶上下一次加速"
description: "磁场让质子绕回来，射频在间隙里一次次推它。相对论改变回转时间，降频与径向增场分别改变下一次相遇。"
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language: "zh-CN"
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  en: "https://sandboxphysics.com/stories/instruments/cyclotron-synchrocyclotron/"
last_modified: "2026-11-12"
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[物理仪器怎样测量](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/)

# 回旋加速器怎样让质子赶上下一次加速

回旋加速器让同一束质子反复穿过一个加速间隙。磁场负责把粒子转回来，电场负责在它经过时推上一把。每次都推对方向，能量就能一点点累积。难处出在节拍：质子的动量增大以后，绕一圈所需的时间也开始改变，原来准时的射频电压会渐渐来错时候。

Sandbox Physics · 2026-11-12

## 电场要在粒子经过时朝对方向

想象两块空心的 D 形金属电极，面对面摆在磁场里，中间留一条缝。电极内部近似屏蔽电场，质子在那里主要转弯；来到缝隙，两个电极之间的电压便能改变它的动能。电压不断翻转，粒子反向穿越时，也应遇到方向相反的电场，才会继续加速。

粒子到达时，波形走到了哪一步，叫作到达相位。电压接近有利的峰值时，一次过隙能获得较多能量；若等到电场反向才到达，同一套电极就会减速。真实间隙还有宽度，粒子穿越期间电压仍在变，电功取决于整个渡越过程。

来源：[1]

## 半径变大，回转时间也开始变长

低速时，速度加倍，磁场中的弯曲半径也近似加倍。路程和速度一起增加，一圈的时间几乎不变。同一对电极可以反复加速粒子，每次回转都把它送回原来的间隙。

能量升高以后，相对论关系改变了速度与动量的对应。动量继续增长，速度却逐渐接近光速。磁场仍按动量决定弯曲半径，轨道的路程增加得比速度快，一圈就花更长时间。每圈迟到一点，许多圈之后就会错过原来的加速半周。

$$
\omega_{\mathrm{rev}}=\frac{qB}{\gamma m}
$$

这是均匀磁场中的回旋角频率。电荷量与磁场出现在分子，静止质量与相对论因子出现在分母；相对论因子增大时，频率降低。

来源：[2]

## 可以改节拍，也可以改外圈磁场

同步回旋加速器安排射频逐渐降频，让后来的电场翻转等一等逐渐变慢的回转。程序依照参考粒子与设计加速过程制定，一批粒子在频率扫描期间获得能量。实际束流的初始状态有分布，能跟上多少、相位差多大，还要从过隙时刻观察。

另一种做法是在外圈增强磁场，把高动量粒子转得更快，维持近似相同的回转时间，这就是等时思想。真实等时回旋加速器还要安排磁场随方位变化，让粒子在竖直方向也保持稳定。只给一条径向增场曲线，能说明中平面的同步原理；完整磁铁还要解决聚焦。

来源：[2]

## 到达外圈以后，还要穿过一道窄出口

高能轨道在外圈越排越密，引出电极要插在相邻两圈之间。薄隔板的一侧仍是回旋轨道，另一侧是偏转通道。最后一圈从正确的一侧进入，电场把它引向外部束线；稍偏一点，粒子就可能打在隔板上。转间距、束流厚度和尾部粒子因而都影响引出损失。

收集器要放在这条真实路径的末端。只有到达它的粒子才能给出探测信号。没有到达的粒子可能仍在回旋，也可能已经撞壁；它们的模拟能量不能拿来补成探测能谱。把通道固定下来，补偿程序之间的差别才会体现在实际到达与损失上。

来源：[3]

## 探测信号怎样变成能量

用理想的完全停止型收集器作一个简单例子：到达的质子把动能交给探测器，电子学把响应变成数字代码。先送入几种独立已知能量，量出代码与能量的关系，再用未参与拟合的已知能量检查它。未知束流的能谱随后由这些标准和收集信号重建。

同一份能量标准影响整组事件。多收集一些粒子能减少随机起伏，却不会自动消除这份共同误差。探测效率也要由独立标记的入射粒子确定。这样的区分把轨迹、真正收集到的束流和最终能量读数连在一起；真实装置还须选择能够停止粒子的材料，并量出其响应。

来源：[4]

## [比较相位滑移与实际引出](https://sandboxphysics.com/zh/labs/charged-particle/?instrument=relativistic-cyclotron)

在相对论回旋模式比较固定射频与参考降频，再查看收集器事件。

有限间隙中平面轨迹连接固定理想引出通道与独立校准的完全停止线性响应。

## 来源与延伸阅读

1. [CERN, Accelerating: radiofrequency cavities](https://home.web.cern.ch/science/engineering/accelerating-radiofrequency-cavities/)

   核读射频电场加速与到达时刻的公开原理说明，不移用 LHC 参数。

2. [M. Seidel, Cyclotrons and Fixed Field Alternating Gradient Accelerators, arXiv:2105.04477v3](https://arxiv.org/abs/2105.04477)

   采用正文 1 至 4 页的回旋频率、磁刚度与等时条件，6 至 8 页的相位滑移、预设调频与径向增场；核看第 7 页图 3 和式 18、19。给定二维增场不代表完整扇区聚焦磁铁。

3. [M. Seidel, Injection and Extraction in Cyclotrons, CERN-2018-008-SP, 151–162](https://e-publishing.cern.ch/index.php/CYRSP/article/download/611/663/3742)

   核读 151 至 153、157 至 159 页的转间距、磁电偏转与隔板引出，并核看 158 页图 7 的真实电极通道。未采用 PSI 的尺寸、损失率或性能作为教学模型结果。

4. [JCGM 100, Evaluation of measurement data, section 5](https://www.iso.org/sites/JCGM/GUM/JCGM100/C045315e-html/C045315e_FILES/MAIN_C045315e/05_e.html)

   采用 5.1.3 的灵敏度与 5.2 的相关输入传播，解释独立能量标准如何影响多个事件。

[游标怎样读出毫米的零头](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/length-metrology/) [空气也会托住天平上的物体](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/precision-balance/) [Cavendish 怎样量出两个球的引力](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/cavendish-balance/) [液柱究竟在量哪一边的压强](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/manometer/) [杯子也在吸热，怎样量出样品的比热](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/calorimeter/) [旋转流变仪为什么要同时量转速和扭矩](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/rotational-rheometer/) [管口外的空气怎样改变共振](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/resonance-tube/) [地震仪怎样从机壳里的运动读出地面](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/seismometer/) [电表接上以后，电压为什么变了？](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/electrical-meters/) [检流计归零时，电阻怎样显出读数](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/resistance-bridges/) [电容为什么也会像电感](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/lcr-impedance/) [示波器上的慢波是怎样冒出来的](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/digital-oscilloscope/) [锁相放大器怎样找出埋在噪声里的信号](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/lock-in-amplifier/) [频谱里的小峰会从哪里来](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/spectrum-analyzer/) [网络分析仪怎样把电缆和器件分开](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/vector-network-analyzer/) [石英晶体慢了，怎样判断它是否变重了](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/quartz-microbalance/) [交叉色散怎样把重叠的谱阶铺开](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/echelle-spectrograph/) [只量总亮度，怎样分出许多颜色](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/ftir-spectrometer/) [用一束光量出溶液有多浓](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/uv-vis-spectrophotometer/) [椭偏仪怎样从反射光里读出薄膜厚度](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/spectroscopic-ellipsometer/) [偏振仪怎样看出样品把光混在了一起](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/mueller-polarimeter/) [一颗颗光子怎样告诉我们荧光寿命](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/tcspc-fluorescence-lifetime/) [布里渊显微镜怎样用光听见材料里的声波](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/brillouin-microscope/) [白色积分球怎样比较一盏灯的总输出](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/integrating-sphere-radiometer/) [粉末的圆环怎样显露原子间距](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/powder-xray-diffractometer/) [小角X射线散射怎样从光晕看颗粒](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/small-angle-xray-scattering/) [X 射线荧光为什么要看样品厚度](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/xray-fluorescence-spectrometer/) [原子力显微镜扫出的凸起为什么会变宽](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/atomic-force-microscope/) [小压痕怎样分开硬度与弹性](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/nanoindenter/) [差示扫描量热怎样读懂一个熔化峰](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/differential-scanning-calorimeter/) [热重分析怎样把失重与气体托力分开](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/thermogravimetric-analyzer/) [金刚石对顶砧怎样从红宝石的光读出压力](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/diamond-anvil-cell/) [金刚石怎样从荧光里读出磁场方向](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/nv-center-magnetometer/) [用光听见原子在磁场里的节奏](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/optically-pumped-magnetometer/) [让激光跟着原子走时](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/optical-lattice-clock/) [Kibble 天平怎样用两次实验测质量](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/kibble-balance/) [稀释制冷机怎样一直搬走极低温的热](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/dilution-refrigerator/) [泵很大，为什么样品旁边还抽不干净](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/ultra-high-vacuum-system/) [怎样用微波读出超导量子比特](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/superconducting-qubit-readout/) [电流怎样在薄片两侧留下电压](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/four-probe-hall/) [离子跑一段路，怎样量出质荷比](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/time-of-flight-mass-spectrometer/) [四根直杆怎样筛选离子的质量](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/quadrupole-mass-filter/) [不停变向的电场怎样留住离子](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/paul-ion-trap-mass-spectrometer/) [射频直线加速器为什么把管子越排越长](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/radio-frequency-linac/) [小束斑里还藏着飞行方向](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/beam-diagnostics/) [散焦磁铁怎样帮助束流绕环运行](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/synchrotron-storage-ring/) [每次碰撞都有信号，为什么只留下少量事件](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/collider-trigger-daq/) [同步辐射的光怎样送到样品上](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/synchrotron-beamline/) [自由电子激光怎样把电子排成发光的队伍](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/xray-free-electron-laser/) [用中子的飞行时间看样品怎样交换能量](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/pulsed-neutron-time-of-flight/)

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### 物理仪器怎样测量

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1. [实验 **带电粒子的电磁运动**](https://sandboxphysics.com/zh/labs/charged-particle/)
2. [文章 **Lenard 给阴极射线开了一扇窗**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/lenard-cathode-ray-window/)
3. [文章 **Thomson 从阴极射线里找到共同的粒子**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/thomson-electron-charge-mass/)
4. [文章 **Wilson 让电离留下看得见的路**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/wilson-cloud-chamber/)
5. [文章 **一块铅板怎样认出了正电子**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/anderson-positron-lead-plate/)
6. [文章 **Glaser 让粒子经过的地方先沸腾**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/glaser-bubble-chamber/)
7. [文章 **怎样从大量 π 介子里挑出反质子**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/particle-evidence/chamberlain-antiproton/)
8. [文章 **回旋加速器怎样一次次推同一个离子**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/nuclear-particle/cyclotron-resonant-acceleration/)