劳伦斯的回旋加速器

博物馆礼品店经常出售漂亮的抛光菊石，这是一种软体动物家族的化石，具有扁平的螺旋壳。但只有当你看到它们的现代后代鹦鹉螺通过从螺旋的外端喷射水柱移动时，它们的美丽才会完全显现出来。

在某种程度上，鹦鹉螺象征着20世纪最伟大的科学发明之一:回旋加速器。这种粒子加速器背后的想法始于欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)，他利用镭发射的α粒子来发现原子核并分裂氮原子。但到1927年，这些粒子的能量显然不足以满足他的需求，他渴望“大量的原子和电子，它们的能量远远超过放射性物体的α和β粒子”。他的同事们很快就着手调查了。

也许加速带电粒子所需要的只是一个巨大的电压。在英国剑桥，约翰·科克罗夫特(John Cockcroft)和欧内斯特·沃尔顿(Ernest Walton)设计了一种精巧的电压倍增器，这是一组由电子整流器连接起来的巨大电容器阵列，可以将800keV的质子发射到真空管中。在美国，Robert van de Graaf使用移动传送带将电荷转移到球形绝缘体上(manbetx手机客户端3.0， 2011年10月，p70)，实现更高的电压。

这两组人都不知道，物理学家古斯塔夫·伊辛(Gustav Ising)的想象有所不同。如果带电粒子可以通过一系列的轻推而连续加速呢?挪威博士生Rolf Wideröe受Ising想法的启发，建造了一个原型。他在一个真空管中排列了三个交替的管状电极，远端有一个目标。穿过第一根管子的粒子会加速进入第二根管子;然后电极的电位被切换，使粒子再次加速进入第三个管。这是第一台直线加速器，可以将钠和钾离子加速到50keV。如果这个设计的美妙之处在于你不需要很大的电压，那么问题就在于你的粒子的最终能量取决于你实验室的长度。

Wideröe的论文引起了欧内斯特·劳伦斯(Ernest Lawrence)的注意，劳伦斯是当时几乎不知名的加州伯克利分校的讲师，他与杰西·比姆斯(Jesse Beams)建立了光电效应动力学。manbetx手机客户端3.0， 2016年2月，p39)。为了建造自己的加速器，劳伦斯聘请了纽约通用电气研究实验室(General Electric Research Laboratory)的物理学家戴维·斯隆(David Sloan)。劳伦斯的想法完全不同:如果带电粒子在磁场中运动，它们就会偏转到轨道上。轨道的频率与粒子的能量无关;只有半径会改变。因此，一个加速的粒子将在装置内沿着螺旋路径，并可能像水推动鹦鹉螺一样被喷射出去。

这个简短的描述完全忽略了工作的激烈强度:每周70个小时是最低的。他们花了无数的时间从头开始加工、焊接和测试部件、制造真空泵和设计电子控制设备;这是物理学的基础。劳伦斯的目标是达到1MeV的能量，利文斯顿开始建造一个11英寸的仪器，现在有一对d之间的电位来回振荡，以推动粒子达到更高的速度。

就在劳伦斯和利文斯顿准备第一次真正的核试验时，科克罗夫特和沃尔顿宣布他们已经分裂了锂。这促使劳伦斯扩大了他的团队，他们用一个只有几百美元的桌面设备重复了这对英国人的工作。随着研究小组不断深入未知的核科学领域，仪器的规模不断扩大，最终达到了惊人的184英寸和100MeV。

回旋加速器现在是核医学的主力，为成像和放射治疗提供同位素和光束。它们也是产生新元素的关键;回旋加速器被用来合成超铀元素，填补了元素周期表中的一个关键漏洞，Emilio Segré在劳伦斯实验室的钼样品中发现了氚(该实验室的碳14样品对梅尔文·加尔文和安德鲁·本森追踪光合作用的生物化学也至关重要)。

今天，劳伦斯被认为是“大科学”之父之一。然而，他的工作始于一种几乎可以用一只手握住的科学菊石。无数的想法从这个装置中涌现出来，引发了多次科学革命。

致谢

我非常感谢Stephen D Price, Jon Butterworth和Suzy Sheehy的建议和纠正。