回旋加速器实验室
CYCLOTRON LAB
1
直线装配
2
直线实验
3
发现瓶颈
4
回旋装配
5
调参实验
6
结论
高中物理 · 磁场与带电粒子
把粒子
一圈一圈
加速到 10 MeV
先老老实实把一根加速管拼出来，让它跑起来——然后你会发现它有多笨重。最后换成一台直径不到 1 米的机器。
3D 拖拽装配
4 张联动图像
支持平板触控
开始实验
教师演示模式
器材库
0 / 0
装配台
待装配
按住左侧零件，拖进 3D 工作台
0%
下一步
实验条件
参数锁定
本阶段不可调参
粒子
质子 p
每级电压 U
200 kV
高频频率 f
100 MHz
漂移管级数
6 级
装置长度
—
出口能量
—
直线加速器的电压、频率和级数都是
固定设计值
——这一阶段只让你观察它跑起来的样子，找出它的问题。
演示
动画速度
1.0
×
显示漂移管
显示束流轨迹
v
0
x
0
Ek
0
第几级
0
管 1 ＋
管 2 −
开始模拟
重置
发现问题 →
条件
图像
实时图像
未开始
v – t
示波器
Ek – 级数
管长
速度随每次过隙阶梯上升
直线加速器 · 实测数据
达不到目标能量
多级加速 · 数值剖面
U = 200 kV / 级
想加速到
10 MeV
，按每级 200 kV 计算需要
50 级
电极， 装置长度约
15 m
，累计电压
10 MV
。空气的击穿场强只有约 3 MV/m， 这个电压在实验室里根本没法稳定维持。
直线加速器的问题不是"不能加速"，而是
每一级都要把电压重新加满一次
：
能量
E ∝ 级数 n
，装置长度也 ∝ n —— 想要 100 倍能量就要 100 倍长度。
电极间电压越高越容易击穿，单级电压存在物理上限。
粒子只被加速一次就飞走，前面所有设备只用了一次。
所以我们需要一种"
用同一段电压，让粒子反复回来加速
"的装置。
换一种思路：组装回旋加速器
实验参数
—
粒子
质子 p
氘核 d
α
磁场
向外 ⊙
向里 ⊗
磁感应强度 B
1.00
T
粒子属性
质量 m
1.67
×10⁻²⁷ kg
电荷量 q
1.00
e
加速电压
电压幅值 U₀
100
kV
交变周期 T
65.7
ns
共振条件 T = 2πm /(qB) =
65.7 ns
演示
动画速度
1.0
×
显示磁感线
显示轨迹
显示速度矢量
显示洛伦兹力
自动寻找共振（T → T₀）
v
0
r
0
Ek
0
圈数
0
相位比
1.00
D₁ −
D₂ +
开始模拟
重置
参数
图像
实时图像
未开始
v – t
示波器
Ek – 圈数
轨迹
速度随时间阶梯上升
两种装置的对比
实验完成
直线加速器
能量与长度成正比，越高能越长
每级都要承受全部电压，绝缘不可行
粒子只加速一次，设备复用率极低
回旋加速器
同一段电压被反复利用几百次
能量由半径决定：E = q²B²R²/2m
周期与速度无关，这是它能成立的关键
核心结论：
在匀强磁场中，带电粒子做圆周运动的周期 T = 2πm/(qB) 与速度大小无关。 只要交变电场的周期也等于这个值，粒子每次穿过缝隙时电场都恰好反向，就能被持续加速—— 这就是回旋加速器能用一小段电压把粒子送到高能的原理。
回到实验台继续调参
重新开始