回旋加速器发明者劳伦斯

　　1930年，世界上第一台高能粒子加速器——回旋加速器设计成功。

　　科学家要不断发现和研究粒子，除利用宇宙射线外，必须到原子核内部去探寻。但原子核内部存在非常强大的作用力，把粒子紧紧结合在一起，需要很大能量才能把原子核打开，于是加速器便应运而生。加速器是用人工产生的电磁场，将带电粒子加速到很高能量的装置。它是研究原子核和基本粒子的重要设备，并可广泛应用于工农业和医疗卫生事业。发明第一台高能粒子加速器——回旋加速器的是美国物理学家劳伦斯·奥兰多。

　　劳伦斯出生于美国南达科他州坎顿，早年在圣奥拉学院学习。1922年毕业于明尼苏达大学，获文学学士学位。1925年获耶鲁大学哲学博士学位，还获得普林顿大学、哈佛大学、芝加哥大学、密执安大学名誉博士学位。1925年他到耶鲁大学任物理学研究员，1927—1928年任助理教授。1928年任加利福尼亚大学物理学副教授，两年后升任教授。劳伦斯构思回旋加速器，最早是在1929年。他的学生S.利文斯顿设计并制造出能把氢离子(质子)加速到具有1.3万电子伏能量的装置。随后，他又建造了能把质子加速到120万电子伏能量的装置，这足以引起核蜕变。为了继续这个研究，劳伦斯在伯克利建立了辐射实验室，于1930年设计了第一个回旋加速器模型，进行表演。1933年，又建成第一个大型回旋加速器，用磁铁达80吨。1936年他任实验室主任，在他的指导下辐射实验室成为世界研究高能物理的主要中心之一。世界上第一个人造元素镍就是在劳伦斯的回旋加速器中产生的。其他粒子加速器也采用了劳伦斯的基本设计，粒子物理学领域的伟大进展，主要是靠这些加速器取得的。

　　30年代，随着劳伦斯回旋加速器的发明，各种加速器相继出现。但产生高能粒子最理想的加速器是回旋加速器，这种加速器使带电粒子的运动轨道呈圆形，所以叫圆形加速器，回旋加速器是圆形加速器的一种。当时这种加速器的直径不足1/3米，能把质子加速到125万电子伏。1939年美国加利福尼亚大学回旋加速器直径已超过1.5米，具有2000万电子伏的能量。电子回旋加速器的原理，是用交变电场将带电粒子约束在一定的磁场范围内，随着粒子能量的提高，所绕圈子的半径越趋增大，要约束它不致逃逸出6米直径的范围就需要7200吨重的实心磁铁。如果提高能量10倍，就要增加磁铁1000倍，可见此法是很不经济的。为了减轻重量，科学家又研制出新的加速器。1945年苏联和美国物理学家分别研制成同步回旋加速器，解决了加速器内粒子质量随着速度的增加而增大与电磁场作用不协调之间的矛盾，使粒子研究不断取得新成果。

　　劳伦斯由于发明了回旋加速器，于1939年获得诺贝尔物理学奖。1946年获梅里特勋章。1957年获美国电子能委员会费米奖金，还获休斯奖章、法拉第奖章等。1958年劳伦斯因患溃疡性肠炎去世。加利福尼亚州伯克利和利弗莫尔的劳伦斯实验室和第一百零三号元素铹，就是为纪念他而命名的。

回旋加速器原理图：

如下图 1 所示，回旋加速器的圆形匀强磁场区域以O点为圆心， 磁感应强度大小为B，加速电压的大小为U、质量为m、电荷量为q的粒子从O附近飘入加速电场，多次加速后粒子经过P点绕O做圆周运动，半径为R，粒子在电场中的加速时间可以忽略。为将粒子引出磁场，在P位置安装一个“静电偏转器”，如图2所示，偏转器的两极板M和N厚度均匀， 构成的圆弧形狭缝圆心为Q、圆心角为α，当M、N间加有电压时，狭缝中产生电场强度大小为E的电场，使粒子恰能通过狭缝， 粒子在再次被加速前射出磁场， 不计M、N间的距离。求：(1)粒子加速到P点所需要的时间t；(2)极板N的最大厚度dm ；(3)磁场区域的最大半径Rm 。

           
江苏高考卷好像特别青睐回旋加速器，而且都命制地别有风味，与众不同。
（1）问还是传统考点，回旋加速器，电场加速，磁场偏转。电场中的加速时间不计，只考虑在磁场中的运动时间，磁场中运动时，每次经过电场后，在磁场中的偏转半径变大，但周期不变，因此（1）问也就是变相的求解粒子在磁场中运动了几个半周期。

           
式子中为何将n减一需要思考一下，P点正好在加速电场的边缘，稍微推导一下，假如经过两次加速就刚好到了P点，那不就是在磁场中偏转的半圈吗？          
（2）问求解偏转电极的最大厚度，一读题会感觉无头无脑，设身处地想想粒子在磁场中偏转的情景，估计就会想到是问什么问题了。把自己物化为粒子，会不会有这样的感觉？从P点往出引粒子，但偏转器不可能在引入粒子前才安装吧？机器设备应该是事先装配好的，到了P点顺利把粒子引出来就算完事。因此这个电极不可能在引出这个过程阻挡粒子，厚度不合适，可能阻挡粒子在前面的加速过程，否则就无法加速到P点，无粒子可引的话，偏转器不就成了一个摆设了？          画图找几何关系是通行办法。在回旋加速器中加速时，粒子每经过电场加速一次，圆心变换一次，偏转半径就要增大一点，但相邻的半径差经过推导可知是越来越小的，作图是需要注意这一点。

   


 

           
        如图，粒子从“减二圈”上边旋转至下边，再由红色的减一圈旋转至上边到达P点。所以P点挡板的厚度不能挡住“减二圈”。  考了一个什么考点呢？回旋加速器中两个圆弧的半径差，但不是明着考，嵌套到了一个电极的厚度问题中来考。        
         
（3）问磁场区域的最大半径。偏转器的两极板的缝隙间有电场，电场强度大小为E，由于两极板是圆弧形的，所以两极板缝隙间的电场为中心辐射电场。同时，偏转极板无法屏蔽磁场，因此，粒子在电场力、磁场力的共同作用下做圆周运动，但由于圆心变为Q，所以新圆周运动的半径增大，同时电场和磁场对粒子都不做功，所以粒子的速度大小不变，这样的话，粒子在偏转电极中运动时，电场力和洛伦兹反向。

 R为只受洛伦兹力时的偏转半径，r为电场力、洛伦兹力同时作用时的偏转半径。当粒子离开偏转器后，在磁场中继续做半径为R的圆周运动。题干中要求粒子再次被加速前离开磁场，则粒子再次以半径R做圆周运动时，能到达磁场的边界，切着磁场边界离开磁场区域。