*六、回旋加速器

在现代物理学中，为了深入到原子核内部（原子核大小的数量级是10-14 米），进一步研究物质的微观结构和相互作用规律，以便利用它们为人类造福，人们要用能量很高的带电粒子去轰击各种原子核，观察它们的变化情况。例如，要从原子核中把中子或质子打出来，就得用 8 兆电子伏的质

子。为了探索质子的内部结构，使用了 200 亿电子伏的电子去轰击质子。怎样才能在实验室大量产生这样高能量的带电粒子呢？这就要用一种新的实验设备——加速器。

我们已经学过，利用电场可以使带电粒子加速。早期制成的加速器， 就是用高压电源的电势差来加速带电粒子的。英国的两位物理学家就是利用这种加速器把质子加速到具有 700 千电子伏的能量，在历史上首次用人工加速的粒子实现了核反应。但是，这种类型的加速器受到实际所能达到的电势差的限制，粒子获得的能量并不太高，只能达到几十万到几兆电子伏。1932 年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，很巧妙地克服了这个困难。这种回旋加速器不是利用高电压使粒子一次得到巨大的速度，而是用电压较低的高频电源，使粒子每隔一定的时间受到一次加速，经过多次加速后达到巨大的速度。

回旋加速器（彩图 6）的工作原理如图 7－21 所示。放在 A0 处的粒子源发出一个带正电的粒子，它以某一速率 v0 垂直进入匀强磁场中，在磁场中做匀速圆周运动。经过半个周期，当它沿着半圆弧A0A1 到达A1 时，

我们在 A1A’1 处造成一个向上的电场，使这个带电粒子在 A1A’1 处受到一次

电场的加速，速率由 v0 增加到 v1。然后粒子以速率 v1 在磁场中做匀速圆周运动。我们知道，粒子的轨道半径跟它的速率成正比，因而粒子将沿着半径增大了的圆周运动。又经过半个周期，当它沿着半圆弧A1′A′2 到达A′2时，我们在 A’2A2 处造成一个向下的电场，使粒子又一次受到电场的加速， 速率增加到 v2。如此继续下去，每当粒子运动到 A1A’1、A3A’3 等处时都使它受到一个向上电场的加速，每当粒子运动到 A’2A2、A’4A4 等处时都使它受到一个向下电场的加速，那么，粒子将沿着图示的螺线 A0A1A’1A’2A2⋯⋯回旋下去，速率将一步一步地增大。

我们讲过，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期 T＝2πm／qB 跟运动速率和轨道半径无关，对一定的带电粒子和一定的磁感应强度来说，这个周期是恒定的。因此，尽管粒子的速率和半径一次比一次增大， 运动周期 T 却始终不变，这样，如果我们在直径 AA、A’A’处造成一个交变电场，使它也以相同的周期 T 往复变化，那就可以保证粒子每经过直径 AA 和 A’A’时都正好赶上适合的电场方向而被加速。

回旋加速器的核心部分是两个 D 形的金属扁盒（图 7-22）。这两个 D 形盒就像是沿着直径把一个圆形的金属扁盒切成的两半。两个 D 形盒之间留一个窄缝，在中心附近放有粒子源。D 形盒装在真空容器中，整个装置放在巨大电磁铁的两极之间，磁场方向垂直于 D 形盒的底面。把两个 D 形盒分别接在高频电源的两极上，如果高频电源的周期与从粒子图 7-22 回旋加速器的 D 形盒源发出的带电粒子在 D 形盒中的运动周期相同，那么，带

电粒子就可以像图 7-21 所示的那样不断地被加速了。带电粒子在 D 形盒内沿螺线轨道逐渐趋于盒的边缘，达到预期的速率后，用特殊装置把它们引出。

回旋加速器的出现，使人类在获得具有较高能量的粒子方面前进了一步。为此，1939 年劳伦斯荣获了诺贝尔物理学奖。但是，在三十年代末期发现，用这种经典的回旋加速器加速质子，最高能量仅能达到 20 兆电子伏，要想进一步提高质子的能量就很困难了。这是因为，在粒子的能量很高的时候，它的运动速度接近于光速，按照狭义相对论，这时粒子的质量将随着速率的增加而增大。因此，粒子在磁场中回旋一周所需的时间要发生变化。交变电场的频率不再跟粒子运动的频率一致，这就破坏了加速器的工作条件，进一步提高粒子的速率就不可能了。

为了把带电粒子加速到更高的能量，以适应高能物理实验的需要，人们设计制造了各种类型的新型加速器，如同步加速器、电子感应加速器、直线加速器、对撞机等等。这些加速器可以把带电粒子加速到几十亿电子伏以上。如目前世界上最大的质子同步加速器，能使质子的能量达到 10000

亿电子伏。我国 1989 年初投入运行的第一台高能粒子加速器——北京正负电子对撞机（彩图 3），能使电子束流的能量达到 28＋28 亿电子伏。