回旋加速器發(fā)明者勞倫斯

　　1930年，世界上第一臺高能粒子加速器——回旋加速器設(shè)計成功。

　　科學家要不斷發(fā)現(xiàn)和研究粒子，除利用宇宙射線外，必須到原子核內(nèi)部去探尋。但原子核內(nèi)部存在非常強大的作用力，把粒子緊緊結(jié)合在一起，需要很大能量才能把原子核打開，于是加速器便應(yīng)運而生。加速器是用人工產(chǎn)生的電磁場，將帶電粒子加速到很高能量的裝置。它是研究原子核和基本粒子的重要設(shè)備，并可廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)和醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)。發(fā)明第一臺高能粒子加速器——回旋加速器的是美國物理學家勞倫斯·奧蘭多。

　　勞倫斯出生于美國南達科他州坎頓，早年在圣奧拉學院學習。1922年畢業(yè)于明尼蘇達大學，獲文學學士學位。1925年獲耶魯大學哲學博士學位，還獲得普林頓大學、哈佛大學、芝加哥大學、密執(zhí)安大學名譽博士學位。1925年他到耶魯大學任物理學研究員，1927—1928年任助理教授。1928年任加利福尼亞大學物理學副教授，兩年后升任教授。勞倫斯構(gòu)思回旋加速器，最早是在1929年。他的學生S.利文斯頓設(shè)計并制造出能把氫離子(質(zhì)子)加速到具有1.3萬電子伏能量的裝置。隨后，他又建造了能把質(zhì)子加速到120萬電子伏能量的裝置，這足以引起核蛻變。為了繼續(xù)這個研究，勞倫斯在伯克利建立了輻射實驗室，于1930年設(shè)計了第一個回旋加速器模型，進行表演。1933年，又建成第一個大型回旋加速器，用磁鐵達80噸。1936年他任實驗室主任，在他的指導下輻射實驗室成為世界研究高能物理的主要中心之一。世界上第一個人造元素鎳就是在勞倫斯的回旋加速器中產(chǎn)生的。其他粒子加速器也采用了勞倫斯的基本設(shè)計，粒子物理學領(lǐng)域的偉大進展，主要是靠這些加速器取得的。

　　30年代，隨著勞倫斯回旋加速器的發(fā)明，各種加速器相繼出現(xiàn)。但產(chǎn)生高能粒子最理想的加速器是回旋加速器，這種加速器使帶電粒子的運動軌道呈圓形，所以叫圓形加速器，回旋加速器是圓形加速器的一種。當時這種加速器的直徑不足1/3米，能把質(zhì)子加速到125萬電子伏。1939年美國加利福尼亞大學回旋加速器直徑已超過1.5米，具有2000萬電子伏的能量。電子回旋加速器的原理，是用交變電場將帶電粒子約束在一定的磁場范圍內(nèi)，隨著粒子能量的提高，所繞圈子的半徑越趨增大，要約束它不致逃逸出6米直徑的范圍就需要7200噸重的實心磁鐵。如果提高能量10倍，就要增加磁鐵1000倍，可見此法是很不經(jīng)濟的。為了減輕重量，科學家又研制出新的加速器。1945年蘇聯(lián)和美國物理學家分別研制成同步回旋加速器，解決了加速器內(nèi)粒子質(zhì)量隨著速度的增加而增大與電磁場作用不協(xié)調(diào)之間的矛盾，使粒子研究不斷取得新成果。

　　勞倫斯由于發(fā)明了回旋加速器，于1939年獲得諾貝爾物理學獎。1946年獲梅里特勛章。1957年獲美國電子能委員會費米獎金，還獲休斯獎?wù)隆⒎ɡ�第獎�(wù)碌取?958年勞倫斯因患潰瘍性腸炎去世。加利福尼亞州伯克利和利弗莫爾的勞倫斯實驗室和第一百零三號元素鐒，就是為紀念他而命名的。

回旋加速器原理圖：

如下圖 1 所示，回旋加速器的圓形勻強磁場區(qū)域以O(shè)點為圓心， 磁感應(yīng)強度大小為B，加速電壓的大小為U、質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子從O附近飄入加速電場，多次加速后粒子經(jīng)過P點繞O做圓周運動，半徑為R，粒子在電場中的加速時間可以忽略。為將粒子引出磁場，在P位置安裝一個“靜電偏轉(zhuǎn)器”，如圖2所示，偏轉(zhuǎn)器的兩極板M和N厚度均勻， 構(gòu)成的圓弧形狹縫圓心為Q、圓心角為α，當M、N間加有電壓時，狹縫中產(chǎn)生電場強度大小為E的電場，使粒子恰能通過狹縫， 粒子在再次被加速前射出磁場， 不計M、N間的距離。求：(1)粒子加速到P點所需要的時間t；(2)極板N的最大厚度dm ；(3)磁場區(qū)域的最大半徑Rm 。

           
江蘇高考卷好像特別青睞回旋加速器，而且都命制地別有風味，與眾不同。
（1）問還是傳統(tǒng)考點，回旋加速器，電場加速，磁場偏轉(zhuǎn)。電場中的加速時間不計，只考慮在磁場中的運動時間，磁場中運動時，每次經(jīng)過電場后，在磁場中的偏轉(zhuǎn)半徑變大，但周期不變，因此（1）問也就是變相的求解粒子在磁場中運動了幾個半周期。

           
式子中為何將n減一需要思考一下，P點正好在加速電場的邊緣，稍微推導一下，假如經(jīng)過兩次加速就剛好到了P點，那不就是在磁場中偏轉(zhuǎn)的半圈嗎？          
（2）問求解偏轉(zhuǎn)電極的最大厚度，一讀題會感覺無頭無腦，設(shè)身處地想想粒子在磁場中偏轉(zhuǎn)的情景，估計就會想到是問什么問題了。把自己物化為粒子，會不會有這樣的感覺？從P點往出引粒子，但偏轉(zhuǎn)器不可能在引入粒子前才安裝吧？機器設(shè)備應(yīng)該是事先裝配好的，到了P點順利把粒子引出來就算完事。因此這個電極不可能在引出這個過程阻擋粒子，厚度不合適，可能阻擋粒子在前面的加速過程，否則就無法加速到P點，無粒子可引的話，偏轉(zhuǎn)器不就成了一個擺設(shè)了？          畫圖找?guī)缀侮P(guān)系是通行辦法。在回旋加速器中加速時，粒子每經(jīng)過電場加速一次，圓心變換一次，偏轉(zhuǎn)半徑就要增大一點，但相鄰的半徑差經(jīng)過推導可知是越來越小的，作圖是需要注意這一點。

   


 

           
        如圖，粒子從“減二圈”上邊旋轉(zhuǎn)至下邊，再由紅色的減一圈旋轉(zhuǎn)至上邊到達P點。所以P點擋板的厚度不能擋住“減二圈”。  考了一個什么考點呢？回旋加速器中兩個圓弧的半徑差，但不是明著考，嵌套到了一個電極的厚度問題中來考。        
         
（3）問磁場區(qū)域的最大半徑。偏轉(zhuǎn)器的兩極板的縫隙間有電場，電場強度大小為E，由于兩極板是圓弧形的，所以兩極板縫隙間的電場為中心輻射電場。同時，偏轉(zhuǎn)極板無法屏蔽磁場，因此，粒子在電場力、磁場力的共同作用下做圓周運動，但由于圓心變?yōu)镼，所以新圓周運動的半徑增大，同時電場和磁場對粒子都不做功，所以粒子的速度大小不變，這樣的話，粒子在偏轉(zhuǎn)電極中運動時，電場力和洛倫茲反向。

 R為只受洛倫茲力時的偏轉(zhuǎn)半徑，r為電場力、洛倫茲力同時作用時的偏轉(zhuǎn)半徑。當粒子離開偏轉(zhuǎn)器后，在磁場中繼續(xù)做半徑為R的圓周運動。題干中要求粒子再次被加速前離開磁場，則粒子再次以半徑R做圓周運動時，能到達磁場的邊界，切著磁場邊界離開磁場區(qū)域。