回旋加速器發(fā)明者勞倫斯

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

　　科學(xué)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(qiáng)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(kāi)，于是加速器便應(yīng)運(yùn)而生。加速器是用人工產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，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(tái)高能粒子加速器——回旋加速器的是美國(guó)物理學(xué)家勞倫斯·奧蘭多。

　　勞倫斯出生于美國(guó)南達(dá)科他州坎頓，早年在圣奧拉學(xué)院學(xué)習(xí)。1922年畢業(yè)于明尼蘇達(dá)大學(xué)，獲文學(xué)學(xué)士學(xué)位。1925年獲耶魯大學(xué)哲學(xué)博士學(xué)位，還獲得普林頓大學(xué)、哈佛大學(xué)、芝加哥大學(xué)、密執(zhí)安大學(xué)名譽(yù)博士學(xué)位。1925年他到耶魯大學(xué)任物理學(xué)研究員，1927—1928年任助理教授。1928年任加利福尼亞大學(xué)物理學(xué)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(xué)生S.利文斯頓設(shè)計(jì)并制造出能把氫離子(質(zhì)子)加速到具有1.3萬(wàn)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(wàn)電子伏能量的裝置，這足以引起核蛻變。為了繼續(xù)這個(gè)研究，勞倫斯在伯克利建立了輻射實(shí)驗(yàn)室，于1930年設(shè)計(jì)了第一個(gè)回旋加速器模型，進(jìn)行表演。1933年，又建成第一個(gè)大型回旋加速器，用磁鐵達(dá)80噸。1936年他任實(shí)驗(yàn)室主任，在他的指導(dǎo)下輻射實(shí)驗(yàn)室成為世界研究高能物理的主要中心之一。世界上第一個(gè)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(jì)，粒子物理學(xué)領(lǐng)域的偉大進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(dāng)時(shí)這種加速器的直徑不足1/3米，能把質(zhì)子加速到125萬(wàn)電子伏。1939年美國(guó)加利福尼亞大學(xué)回旋加速器直徑已超過(guò)1.5米，具有2000萬(wàn)電子伏的能量。電子回旋加速器的原理，是用交變電場(chǎng)將帶電粒子約束在一定的磁場(chǎng)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(shí)心磁鐵。如果提高能量10倍，就要增加磁鐵1000倍，可見(jiàn)此法是很不經(jīng)濟(jì)的。為了減輕重量，科學(xué)家又研制出新的加速器。1945年蘇聯(lián)和美國(guó)物理學(xué)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(chǎng)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(xué)獎(jiǎng)。1946年獲梅里特勛章。1957年獲美國(guó)電子能委員會(huì)費(fèi)米獎(jiǎng)金，還獲休斯獎(jiǎng)?wù)�、法拉第�?jiǎng)?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(shí)驗(yàn)室和第一百零三號(hào)元素鐒，就是為紀(jì)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(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域以O(shè)點(diǎn)為圓心， 磁感應(yīng)強(qiáng)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(chǎng)，多次加速后粒子經(jīng)過(guò)P點(diǎn)繞O做圓周運(yùn)動(dòng)，半徑為R，粒子在電場(chǎng)中的加速時(shí)間可以忽略。為將粒子引出磁場(chǎng)，在P位置安裝一個(gè)“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(dāng)M、N間加有電壓時(shí)，狹縫中產(chǎn)生電場(chǎng)強(qiáng)度大小為E的電場(chǎng)，使粒子恰能通過(guò)狹縫， 粒子在再次被加速前射出磁場(chǎng)， 不計(jì)M、N間的距離。求：(1)粒子加速到P點(diǎn)所需要的時(shí)間t；(2)極板N的最大厚度dm ；(3)磁場(chǎng)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(fēng)味，與眾不同。
（1）問(wèn)還是傳統(tǒng)考點(diǎn)，回旋加速器，電場(chǎng)加速，磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)。電場(chǎng)中的加速時(shí)間不計(jì)，只考慮在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，每次經(jīng)過(guò)電場(chǎng)后，在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)半徑變大，但周期不變，因此（1）問(wèn)也就是變相的求解粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)了幾個(gè)半周期。

           
式子中為何將n減一需要思考一下，P點(diǎn)正好在加速電場(chǎng)的邊緣，稍微推導(dǎo)一下，假如經(jīng)過(guò)兩次加速就剛好到了P點(diǎn)，那不就是在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的半圈嗎？          
（2）問(wèn)求解偏轉(zhuǎn)電極的最大厚度，一讀題會(huì)感覺(jué)無(wú)頭無(wú)腦，設(shè)身處地想想粒子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)的情景，估計(jì)就會(huì)想到是問(wèn)什么問(wèn)題了。把自己物化為粒子，會(huì)不會(huì)有這樣的感覺(jué)？從P點(diǎn)往出引粒子，但偏轉(zhuǎn)器不可能在引入粒子前才安裝吧？機(jī)器設(shè)備應(yīng)該是事先裝配好的，到了P點(diǎn)順利把粒子引出來(lái)就算完事。因此這個(gè)電極不可能在引出這個(gè)過(guò)程阻擋粒子，厚度不合適，可能阻擋粒子在前面的加速過(guò)程，否則就無(wú)法加速到P點(diǎn)，無(wú)粒子可引的話，偏轉(zhuǎn)器不就成了一個(gè)擺設(shè)了？          畫(huà)圖找?guī)缀侮P(guān)系是通行辦法。在回旋加速器中加速時(shí)，粒子每經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速一次，圓心變換一次，偏轉(zhuǎn)半徑就要增大一點(diǎn)，但相鄰的半徑差經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可知是越來(lái)越小的，作圖是需要注意這一點(diǎn)。

   


 

           
        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(dá)P點(diǎn)。所以P點(diǎn)擋板的厚度不能擋住“減二圈”。  考了一個(gè)什么考點(diǎn)呢？回旋加速器中兩個(gè)圓弧的半徑差，但不是明著考，嵌套到了一個(gè)電極的厚度問(wèn)題中來(lái)考。        
         
（3）問(wèn)磁場(chǎng)區(qū)域的最大半徑。偏轉(zhuǎn)器的兩極板的縫隙間有電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)為中心輻射電場(chǎng)。同時(shí)，偏轉(zhuǎn)極板無(wú)法屏蔽磁場(chǎng)，因此，粒子在電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力的共同作用下做圓周運(yùn)動(dòng)，但由于圓心變?yōu)镼，所以新圓周運(yùn)動(dòng)的半徑增大，同時(shí)電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)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(yùn)動(dòng)時(shí)，電場(chǎng)力和洛倫茲反向。

 R為只受洛倫茲力時(shí)的偏轉(zhuǎn)半徑，r為電場(chǎng)力、洛倫茲力同時(shí)作用時(shí)的偏轉(zhuǎn)半徑。當(dāng)粒子離開(kāi)偏轉(zhuǎn)器后，在磁場(chǎng)中繼續(xù)做半徑為R的圓周運(yùn)動(dòng)。題干中要求粒子再次被加速前離開(kāi)磁場(chǎng)，則粒子再次以半徑R做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，能到達(dá)磁場(chǎng)的邊界，切著磁場(chǎng)邊界離開(kāi)磁場(chǎng)區(qū)域。