回旋加速器的发明

时间:2017-08-06 11:50:01

分类:发明的故事

粒子物理学的诞生揭开了物理学发展史中崭新的一页,它不但标志了人类对物质结构的认识进入了更深的一个层次,而且还意味着人类开始以更积极的方式变革自然、探索自然、开发自然和更充分地利用大自然的潜力。

各种加速器的发明对粒子物理学的发展起了很大的促进作用,美国物理学家劳伦斯顺应这一形势,走在时代的前列。他以天才的设计思想、惊人的毅力和高超的组织才能,为加速器的发展作出了重大贡献。劳伦斯1901年出生于美国南达科他州南部的坎顿,父母都是教师,早年就对科学有浓厚兴趣,喜欢做无线电通讯实验,在活动中表现出非凡的才能。他聪慧博学,善于思考,原想学医,却于1922年以化学学士学位毕业于南达科他大学,后转明尼苏达大学当研究生。导师斯旺对劳伦斯有很深影响,使他对电磁场理论进行了深入的学习。

劳伦斯在耶鲁大学继续研究两年之后,于1927年当了助理教授。1928年转到伯克利加州大学任副教授。两年后晋升,是最年轻的教授。在这里他一直工作到晚年,使伯克利加州大学由一所新学校成为粒子物理的研究基地。

1928年前后,人们纷纷在寻找加速粒子的方法。当时实验室中用于加速粒子的主要设备是变压器、整流器、冲击发生器、静电发生器和特斯拉线圈,等等。这些方法全都要靠高电压。可是电压越高,对绝缘的要求也越高,否则仪器就会被击穿。正当劳伦斯苦思解决方案之际,一篇文献引起了他的注意,使他领悟到用一种巧妙的方法来解决这个矛盾。他后来在诺贝尔物理学奖的领奖演说中讲到:“1929年初的一个晚上,当我正在大学图书馆浏览期刊时,我无意中发现在一本德文电气工程杂志上有一篇维德罗的论文,讨论正离子的多级加速问题。我读德文不太容易,只是看看插图和仪器照片。

回旋加速器示意图

从文章中列出的各项数据,我就明确了他处理这个问题的一般方法……在连成一条线的圆柱形电极上加一适当的无线电频率振荡电压,以使正离子得到多次加速。这一新思想立即使我感到找着了真正的答案,解答了我一直在寻找的加速正离子的技术问题。我没有更进一步地阅读这篇文章,就停下来估算把质子加速到一百万电子伏的直线加速器一般特性该是怎样的。简单的计算表明,加速器的管道要好几米长,这样的长度在当时作为实验室之用已是过于庞大了。于是我就问自己这样的问题:不用直线上那许多圆柱形电极,可不可以靠适当的磁场装置,只用两个电极,让正离子一次一次地来往于两电极之间?再稍加分析,证明均匀磁场恰好有合适的特性,在磁场中转圈的离子,其角速度与能量无关。这样它们就可以以某一频率与一振荡电场谐振,在适当的空心电极之间来回转圈。这个频率后来叫做‘回旋频率’。”

劳伦斯不仅提出了切实可行的方案,更重要的是以不懈的努力实现了自己的方案。1930年春,劳伦斯让他的一名研究生爱德勒夫森做了两个结构简陋的回旋加速器模型。真空室的直径大约只有10厘米。其中的一个还真的显示了能工作的迹象。随后,劳伦斯又让另一名研究生利文斯顿用黄铜和封蜡作真空室,直径也只有11.43厘米,但这个“小玩意”已具有正式回旋加速器的一切主要特征。1931年1月2日,在这微型回旋加速器上加不到1000伏的电压,可使质子加速到8000电子伏,也就是说,不到1000伏的电压达到了8万伏的加速效果。1932年劳伦斯又做了22.86厘米和27.94厘米的同类仪器,可把质子加速到1.25兆电子伏。正好这时,英国卡文迪什实验室的科克饶夫和瓦尔顿用高压倍加器做出了锂(li)蜕变实验。消息传来,人心振奋,劳伦斯看到了加速器的光明前景,更加紧工作。

不久他就用27.94厘米回旋加速器轻而易举地实现了锂蜕变实验,验证了科克饶夫和瓦尔顿的结果。这次实验的成功,显示了回旋加速器的优越性,使科学界认识到它的意义,同时也大大增强了劳伦斯等人对工作的信心。于是他和利文斯顿以更大的规模设计了一台D形电极、直径为68.58厘米的机器,准备把质子加速到5MeVB能量。这时氘已经被尤里发现了,劳伦斯可以用氘核作为轰击粒子,以获得更佳效果。因为氘核是由一个质子和一个中子组成的复合核,氘核在静电场作用下有可能解体,变成质子和中子。而中子的穿透能力特别强,这样就可以利用回旋加速器产生许多重要的人工核反应。68.58厘米回旋加速器的运行带来了丰硕成果。许多放射性同位素陆续在伯克利发现。伯克利加州大学成了核物理的研究中心,他们把生产出来的放射性同位素提供给医生、生物化学家、农业和工程科学家,广泛应用在医疗、生物、农业等领域。

1936年,在劳伦斯主持下,他们将68.58厘米回旋加速器改装成93.98厘米的,使粒子能量达到6MeV。用它测量了中子的磁矩,并且产生出了第一个人造元素———锝(De)。为了表彰劳伦斯发明的回旋加速器的功绩,1939年诺贝尔物理学奖授给了劳伦斯。然而,劳伦斯仍不愿加速器停留在这个水平。他认为,在这个水平上工作,还远不足以发现微观世界的奥秘。所以新的一代回旋加速器又在设计之中。一台大型的回旋加速器,从设计、制作、安装、调试直到进行各项实验活动,都需要各种人才的分工协作、互相配合。劳伦斯在诺贝尔奖颁奖会上的演说词中讲到:“从工作一开始就要靠许多实验室的众多能干而积极的合作者的集体努力”,“各方面的人才都参加到这项工作中来,不论从哪个方面来衡量,取得的成功都依赖于密切和有效的合作。”

1958年劳伦斯因病去世,终年57岁。为了纪念他,伯克利加州大学辐射实验室改名为劳伦斯辐射实验室。他的一生为回旋加速器奋斗不息,虽然他自己没有直接做出科学发现或者创立科学理论,但是在他的领导和培养下或者在跟他协作的过程中,许多人做出了重大贡献。在他的实验室里,先后有8人获得诺贝尔奖。由于加速器的应用,物理学进入了一个新阶段,“大科学”从此开始了。

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