*八、回旋加速器

在现代物理学中，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。这种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。为了提高粒子的能量，可以设想让粒子经过多次电场来加速，这倒是一个很合乎道理的想法。但是想实现这一设想，需要建一个很长很长的实验装置，其中包含多级提供加速电场的装置(图 3－32)。能不能在较小的空间范围内让粒子受到多次电场的加速呢？1932 年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，巧妙地应用带电粒子在磁场中的运动特点解决了这一问题。

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回旋加速器(彩图 6)的工作原理如图 3－33 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，在磁场中做匀速圆周运动。经过半个周期，当它沿着半圆弧 到达 A₁ 时，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，当它沿着半圆弧到达 A'2 时，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、A3、A’3 等处时都使它受到向上电场的加速，每当粒子运动到 A’2A2、A’4A4 等处时都使它也受到向下电场的加速， 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。

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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 3－34)。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带电粒子在 D 形盒中的运动周期相同，带电粒子就可以像图 3－36 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。

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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 30 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(以后会介绍)，这时粒子的质量将随着速率的增加而显著地增大，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。如果从这一点考虑，我们上面提到的多级加速装置就表现出了它的优越性。因为在这一装置中，粒子是在一条直线形装置上被加速的，不存在上述困难。这种多级加速装置在过去没有条件建造，现在已经建造出来，科学家称它为直线加速器，长度达几公里至几十公里。

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，人们还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。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，能使电子束流的能量达到 28＋28 亿电子伏。