「发明创造的故事」（182）——劳伦斯研制出回旋加速器

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劳伦斯研制出回旋加速器

欧内斯特·劳伦斯博士
1939年,美国著名物理学家欧内斯特·劳伦斯博士(1901—1958)，在1932年设计并研制出了世界上第一台高能粒子回旋加速器。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，需要高速具有很大能量的粒子撞击才能把原子核打开。发现和研究粒子，必须到原子核内部去探寻。这种加速器就是打开原子核的利器，既可用于核物理实验，也可用于早期的粒子物理实验，他因此单独获得了1939年的诺贝尔物理学奖。他还参与曼哈顿原子弹计划，主管用电磁法分离制造原子弹用的铀-235工作。此外还发明了彩色显像管并获专利。
1901年8月8日，欧内斯特·劳伦斯出生在南达科他州的坎顿。南达科他州是一个辽阔的大草原。劳伦斯在当地上小学。这时，他就喜欢捣弄电器、收音机，并自制电报机。中学时，他是一个无线电迷，热衷于无线通信和电路实验。
1918年，劳伦斯进入圣奥拉夫学院。第一次世界大战对美国高校的平静生活产生了影响，大二时，他数学、化学、英语等课只得C，宗教是D。后来，劳伦斯转学物理，成绩优异。
他又转入了明尼苏达大学读研究生，导师是斯旺教授。在斯旺的指导下，劳伦斯打好了电动力学和磁学的坚实基础，这是他未来取得伟大成功的根基。
1929年，劳伦斯从一篇文献上读到两只电子管用同步的方法给钾离子升压的报道，受到了很大的启发。他想，难道不能用排成一列的更多的电子管同步升压，使带电粒子获得更高的电压吗？
他非常激动，不断计算，发现直列式升压后部的电子管体积功率都十分巨大。如果能组成一个环形，让带电粒子在圆环的每个电子管中同步升压，将能达到几百万电子伏的高压。如果再用电磁铁把离子束缚在圆环里，那么，这个装置将成为物理学中前所未有的利器，什么高能粒子的实验都可以在它中间完成了。
劳伦斯兴奋不已。这个装置如此简单、有效、高能，为什么前人就没有想到呢？当别人核实他的计算并问这个装置有什么用时，他回答说：“我要用它来轰碎原子。”
1928年，物理学家乔治·伽莫夫提出，可以用质子代替α粒子作为轰击物来实现人工核反应。由氢原子电离而得到的质子能量很小，需要通过电场或磁场进行加速，以保证作为“炮弹”的质子获得足够高的能量。于是，各种类型的粒子加速器逐步发展起来。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。
物理学家爱丁顿曾经提出了一个设想，认为人类可以建造一种能量很高的仪器，能使原子核发生象太阳内部核反应一样的反应。在爱丁顿的提议下，劳伦斯开始研制加速器。
劳伦斯设想利用一个均匀磁场，使加速粒子沿螺旋形路径运动。在运动平面内，粒子将越过一个加速间隙，间隙里有一外加射频电场，其变化频率与离子旋转频率同相，以保证粒子每一次通过加速区时都能得到加速。
劳伦斯首先想到电动机的原理，普通的电动机是靠转子中通电流来实现在磁场中旋转的，那么能不能不用转子，直接让运动电荷代替电流来实现在磁场中旋转呢？劳伦斯以惊人的想象力设计、研制回旋加速器。他不久就提出了回旋加速器的原理，并且制作出一个象儿童玩具一样精致的回旋加速器模型。他用两个D形空盒拼成一个圆形空腔，中间留一条缝隙，带电粒子在缝隙中由带正、负电的D形盒所形成的电场来加速，粒子每绕行半圈受到一次加速，进入D形盒后沿螺旋形轨道旋转，绕行半径增大，经过很多次加速，粒子从D形盒边缘引出，最后带电粒子以很高的能量象炮弹一样打出来,用来轰击靶原子。

回旋加速器原理示意图
1931年劳伦斯与人合作研制成世界上第一台回旋加速器。不断改进，可把质子加速到1.2百万电子伏。
1936年劳伦斯在加利福尼亚大学伯克莱分校用75吨大磁铁，缠8吨钢丝制成一个大电磁铁，建造了一台大型回旋加速器，打出的氘核速率达每秒4万公里，每秒钟可以打出6亿个氘核粒子。
1941年劳伦斯又在伯克莱分校的宪章山上建起了一个更大的加速器，打出的粒子速率接近每秒10万公里，能量达1亿电子伏。
劳伦斯亲自使用回旋加速器研究过多种核反应，相继得到放射性钠、钍、碳-11、铀-233等物质。劳伦斯还在1936年和他弟弟约翰合作用中子来诊治癌症，取得了比X射线效果更好的疗效。1939年用放射性铁对狗进行体内铁的新陈代谢的示踪研究。1940年在劳伦斯实验室中实现了镎和钋的分离，为原子弹的研制提供了原料。1941年后劳伦斯和费米等物理学家一起研制了原子弹。
劳伦斯的生活节奏很快，不知疲倦，他总是一位鼓舞人心的领导者。1958年，他作为美国代表，去日内瓦参加了西方和苏维埃集团科学家的会议，讨论了核试验检测方法。在这次会谈期间，劳伦斯病倒了，在他回到加利福尼亚后一个月于1958年8月27日去世，终年57岁。1961年美国一个研究小组在劳伦斯曾经工作过的实验室里发现了一种新的元素，也就是第103号元素，人们为了纪念劳伦斯，把它叫他“铹”。

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