原标题：劳伦斯与第一部回旋加速器

■萧如珀、 杨信男/译

■译自 APS News，2003 年6 月

■原标题：《1931年6月：劳伦斯与第一部回旋加速器》

20 世纪20 年代，美国转型成为一个以现代科技为基础的社会，而这也是个人成就辉煌的时代，在科学界，因一位27 岁加州伯克利大学物理教授的努力，开启了现代多领域国家实验室的世纪。

劳伦斯（ Ernest Orlando Lawrence）于1901 年8 月出生在美国南达科塔州大草原的一个小镇，双亲都是挪威的移民。青少年时期的劳伦斯喜欢修理收音机，16 岁时进入明尼苏达州的圣欧拉夫大学（ St. Olaf College）就读。1 年后，他转学至南达科他大学时，有一位电机教授说服他，认为他对于收音机的兴趣，会让他在物理比在医学方面有更好的发展。1922 年，他以优异的成绩毕业后，就到明尼苏达大学跟随史旺（W. F. G. Swann）继续深造，随后又跟着史旺到芝加哥大学，再随他到耶鲁大学，而于1924 年在耶鲁完成他的博士学

位，论文研究光电效应。之后，他续留耶鲁当博士后研究员，继续光电学的研究，并开始研究气体中的原子受电子撞击后如何被游离化。

图1 劳伦斯（右）和李文斯顿（Milton Stanley Livingston 左），大约1933 年所摄

1928 年，劳伦斯获聘加州大学伯克利分校的教职，还由同校的化学系合聘，让他可以接触到不同领域的科学家和学生，这对于他能成为成功的研究员是很关键的因素，也成了他日后创立独特实验室的模式。

劳伦斯从挪威工程师威德洛（Rolf Wideroe）所发表的论文中得到了灵感，发明了一种独特的圆形粒子加速器，即是有名的回旋加速器。威德洛的概念是要使用相同电位势两次，为了先推后拉离子，将正电位转换为负电位，即可产生双倍能量。劳伦斯认为威德洛的直线设计对于轻的原子粒子不实际，因为这样需要使用长达数公尺的真空管。但这也给了他灵感，研究是否能不只一次地重复多次使用相同的电位势。他想出了使用磁场将带电粒子弯曲成圆弧形轨道，然后让它们反复地通过相同的加速区域。但这需要许多复杂精密的科技才能达成：一个高真空室，里面有着以调频变动的电场，以及可以使粒子维持在同一个水平面的方法。最先建构好的装置是馅饼状的，由玻璃、封装用的蜡以及铜等东西凑成，为了操作方便里面还放有一个厨房椅子和一个由电线绕成的架子。这个原型证明了此概念是可行的。

第一部回旋加速器的加速腔于1931 年夏天建造完成，它的直径为4.5 英寸，可以将氢离子加速至80000 电子伏特（译者注：electron volt，或eV，能量单位，指1 个电子经过1 伏特的电位差所获得的能量）的能量。他的助理接着建造了一个11 英寸的加速器，越过了1 百万电子伏特（MeV）的关卡，但劳伦斯早已梦想着要建造一个直径27 英寸加速腔的加速器，可以达到将近5MeV 的能量（图1）。由于需要更大的实验室空间，劳伦斯1931 年8 月时从伯克利大学获得了位于物理系附近一个闲置的建筑物， 他将其重新命名为“ 放射线实验室”

（Radiation Laboratory，简称Rad Lab）。

放射线实验室第一个加速器的27 英寸加速腔很快地就被37 英寸的加速腔所取代，能够加速的能量为重氢子8MeV，α粒子16MeV。至1936 年止已经可以使用这个机器来制造放射性同位素，以及第一个人造元素锝（technetium）。劳伦斯还在这时邀他的医师兄弟约翰也加入实验室，探究放射性同位素于生物与医学研究上的用途，终于建造了克罗克实验室（Crocker Lab），加速腔直径高达60 英寸，于1939 年开始运转，同年劳伦斯也因他的革命性装置获颁诺贝尔物理奖。

劳伦斯下一个加速器的特点是有一个4000 吨重的磁铁，以及直径184 英寸大的加速腔，可以将原子粒子加速到超过100MeV 的能量。为了要放置这部机器以及所需的实验设备，他因此在附近的查德山丘（Charter Hill）上为放射线实验室建造了永久的场址，1946 年完工。

图2 桌上回旋加速器

劳伦斯回旋加速器的发展（图2）有助于改变我们对于自然的认知，从物质微观的结构到人体的新陈代谢，从光合作用的过程以至于包括103 元素铹（lawrencium）等新化学元素的创造。劳伦斯还创建了大科学实验室的模式，其中有两个以他的名字命名：一个是劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence

Berkeley National Laboratory），另一个是劳伦斯利弗莫尔国家实验室（ Lawrence Livermore National Laboratory）。劳伦斯的实验室成功地将跨领域的研究方式推进到诸如环境研究、替代能源、天文物理和分子生物等高成效的新领域中。劳伦斯于1958年8 月27 日因慢性结肠炎而过世，享年57 岁。

取材自http://www.aip.org/history/lawrence“The legacy of E. O. Lawrence”

（本文转载自2011 年6 月《物理双月刊》，网址：http://psroc.phys.ntu.edu.tw/bimonth/index.php; 萧如

珀，自由业；杨信男，台湾大学物理系，Email: [email protected]）

来源：《现代物理知识》第23卷第3期 返回搜狐，查看更多

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