回旋加速器之父劳伦斯

加速器是使带电粒子不断地加速以获得很大能量的一种装置。 二十世纪，关于加速器的不同设想几乎在同一时期提了出来，例如静电加速器（1928 年）、回旋加速器（1929 年）、倍压加速器（1932 年）。

1929年，劳伦斯从一篇文献上读到两只电子管用同步的方法给钾离子升压的报道，受到了很大的启发。他想，难道不能用排成一列的更多的电子管同步升压，使带电粒子获得更高的电压吗？后来劳伦斯提出磁共振加速器（即回旋加速器）的构造原理，即利用一个均匀磁场，使加速粒子沿螺旋形路径运动。在运动平面内，粒子将越过一个加速间隙，间隙里有一外加射频电场，其变化频率与离子旋转频率同相，以保证粒子每一次通过加速区时都能得到加速。1931年，劳伦斯和他的学生建成了第一台回旋加速器（直径只有12厘米，可以拿在手里，加速粒子能量可达到0.8MeV）并开始运行。后来，在劳伦斯的领导下，在美国建成了一系列不同的回旋加速器。

40年代初，这类加速器的能量达到40MeV，远远超过了天然放射源的能量。可以用于加速质子、α粒子和氖核，由此发现了许多新的核反应，产生了几百种稳定的和放射性的同位素，回旋加速器对核裂变及核力的研究起着特别重要的作用。劳伦斯由于发明了回旋加速器以及借此取得的成果而于1939年获得诺贝尔物理学奖。

回旋加速器示意图

1945 年，前苏联科学家维克斯列尔和美国科学家麦克米伦各自独立发现了自动稳相原理，自动稳相原理的发现是加速器发展史上的一次重大革命，它导致一系列能突破回旋加速器能量限制的新型加速器产生：同步回旋加速器（高频加速电场的频率随倍加速粒子能量的增加而降低，保持了粒子回旋频率与加速电场同步）、现代的质子直线加速器、同步加速器（使用磁场强度随粒子能量提高而增加的环形磁铁来维持粒子运动的环形轨迹，但维持加速场的高频频率不变）等。从此，加速器的建造解决了原理上的限制，但提高能量受到了经济上的限制。随着能量的提高，回旋加速器和同步回旋加速器中使用的磁铁重量和造价急剧上升。同步加速器的环形磁铁的造价虽然较少，但因横向聚焦力较差，真空盒尺寸必须很大，造成磁铁的磁极间隙大，依然需要很重的磁铁。1952 年美国科学家柯隆、李温斯顿和史耐德发表了强聚焦原理的论文，根据这个原理建造强聚焦加速器可使真空盒尺寸和磁铁的造价大大降低，使加速器

有了向更高能量发展的可能。这是加速器发展史上的又一次革命，影响巨大。此后，在环形或直线加速器中，普遍采用了强聚焦原理。

大型强子对撞机

如今，加速器已经可以小到几毫米长，劳伦斯的加速器也早已经成为高中物理的习题。高能物理实验发展到今天LHC时代， 不仅仅是实验技术本身的演化，也有理

论物理学的浇铸。如今，加速器已经成为了顶尖人才的聚集处，工程、仪器、电子、物理、计算机各路英雄好汉齐聚一堂，为了研究世界的本质而不懈努力。

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作者：沈智 婷婷（热心读者）

配图：沈智

校对：叶君耀

排版：王纪尧

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