回旋加速器發明者勞倫(lun) 斯

　　1930年，世界上第一台高能粒子加速器——回旋加速器設計成功。

　　科學家要不斷發現和研究粒子，除利用宇宙射線外，必須到原子核內(nei) 部去探尋。但原子核內(nei) 部存在非常強大的作用力，把粒子緊緊結合在一起，需要很大能量才能把原子核打開，於(yu) 是加速器便應運而生。加速器是用人工產(chan) 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備，並可廣泛應用於(yu) 工農(nong) 業(ye) 和醫療衛生事業(ye) 。發明第一台高能粒子加速器——回旋加速器的是美國物理學家勞倫(lun) 斯·奧蘭(lan) 多。

　　勞倫(lun) 斯出生於(yu) 美國南達科他州坎頓，早年在聖奧拉學院學習(xi) 。1922年畢業(ye) 於(yu) 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(ya) 大學物理學副教授，兩(liang) 年後升任教授。勞倫(lun) 斯構思回旋加速器，最早是在1929年。他的學生S.利文斯頓設計並製造出能把氫離子(質子)加速到具有1.3萬(wan) 電子伏能量的裝置。隨後，他又建造了能把質子加速到120萬(wan) 電子伏能量的裝置，這足以引起核蛻變。為(wei) 了繼續這個(ge) 研究，勞倫(lun) 斯在伯克利建立了輻射實驗室，於(yu) 1930年設計了第一個(ge) 回旋加速器模型，進行表演。1933年，又建成第一個(ge) 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(wei) 世界研究高能物理的主要中心之一。世界上第一個(ge) 人造元素鎳就是在勞倫(lun) 斯的回旋加速器中產(chan) 生的。其他粒子加速器也采用了勞倫(lun) 斯的基本設計，粒子物理學領域的偉(wei) 大進展，主要是靠這些加速器取得的。

　　30年代，隨著勞倫(lun) 斯回旋加速器的發明，各種加速器相繼出現。但產(chan) 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，能把質子加速到125萬(wan) 電子伏。1939年美國加利福尼亞(ya) 大學回旋加速器直徑已超過1.5米，具有2000萬(wan) 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範圍內(nei) ，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米直徑的範圍就需要7200噸重的實心磁鐵。如果提高能量10倍，就要增加磁鐵1000倍，可見此法是很不經濟的。為(wei) 了減輕重量，科學家又研製出新的加速器。1945年蘇聯和美國物理學家分別研製成同步回旋加速器，解決(jue) 了加速器內(nei) 粒子質量隨著速度的增加而增大與(yu) 電磁場作用不協調之間的矛盾，使粒子研究不斷取得新成果。

　　勞倫(lun) 斯由於(yu) 發明了回旋加速器，於(yu) 1939年獲得諾貝爾物理學獎。1946年獲梅裏特勳章。1957年獲美國電子能委員會(hui) 費米獎金，還獲休斯獎章、法拉第獎章等。1958年勞倫(lun) 斯因患潰瘍性腸炎去世。加利福尼亞(ya) 州伯克利和利弗莫爾的勞倫(lun) 斯實驗室和第一百零三號元素鐒，就是為(wei) 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域以O點為(wei) 圓心， 磁感應強度大小為(wei) B，加速電壓的大小為(wei) U、質量為(wei) m、電荷量為(wei) q的粒子從(cong) O附近飄入加速電場，多次加速後粒子經過P點繞O做圓周運動，半徑為(wei) R，粒子在電場中的加速時間可以忽略。為(wei) 將粒子引出磁場，在P位置安裝一個(ge) “靜電偏轉器”，如圖2所示，偏轉器的兩(liang) 極板M和N厚度均勻， 構成的圓弧形狹縫圓心為(wei) Q、圓心角為(wei) α，當M、N間加有電壓時，狹縫中產(chan) 生電場強度大小為(wei) 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，而且都命製地別有風味，與(yu) 眾(zhong) 不同。
（1）問還是傳(chuan) 統考點，回旋加速器，電場加速，磁場偏轉。電場中的加速時間不計，隻考慮在磁場中的運動時間，磁場中運動時，每次經過電場後，在磁場中的偏轉半徑變大，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(ge) 半周期。

           
式子中為(wei) 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，假如經過兩(liang) 次加速就剛好到了P點，那不就是在磁場中偏轉的半圈嗎？          
（2）問求解偏轉電極的最大厚度，一讀題會(hui) 感覺無頭無腦，設身處地想想粒子在磁場中偏轉的情景，估計就會(hui) 想到是問什麽(me) 問題了。把自己物化為(wei) 粒子，會(hui) 不會(hui) 有這樣的感覺？從(cong) P點往出引粒子，但偏轉器不可能在引入粒子前才安裝吧？機器設備應該是事先裝配好的，到了P點順利把粒子引出來就算完事。因此這個(ge) 電極不可能在引出這個(ge) 過程阻擋粒子，厚度不合適，可能阻擋粒子在前麵的加速過程，否則就無法加速到P點，無粒子可引的話，偏轉器不就成了一個(ge) 擺設了？          畫圖找幾何關(guan) 係是通行辦法。在回旋加速器中加速時，粒子每經過電場加速一次，圓心變換一次，偏轉半徑就要增大一點，但相鄰的半徑差經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(cong) “減二圈”上邊旋轉至下邊，再由紅色的減一圈旋轉至上邊到達P點。所以P點擋板的厚度不能擋住“減二圈”。  考了一個(ge) 什麽(me) 考點呢？回旋加速器中兩(liang) 個(ge) 圓弧的半徑差，但不是明著考，嵌套到了一個(ge) 電極的厚度問題中來考。        
         
（3）問磁場區域的最大半徑。偏轉器的兩(liang) 極板的縫隙間有電場，電場強度大小為(wei) E，由於(yu) 兩(liang) 極板是圓弧形的，所以兩(liang) 極板縫隙間的電場為(wei) 中心輻射電場。同時，偏轉極板無法屏蔽磁場，因此，粒子在電場力、磁場力的共同作用下做圓周運動，但由於(yu) 圓心變為(wei) Q，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，粒子在偏轉電極中運動時，電場力和洛倫(lun) 茲(zi) 反向。

 R為隻受洛倫茲力時的偏轉半徑，r為電場力、洛倫茲力同時作用時的偏轉半徑。當粒子離開偏轉器後，在磁場中繼續做半徑為R的圓周運動。題幹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域。