回旋加速器的发明者_劳伦斯_刘邦勇

好好学习的名人事例：工欲善其事，必无利其器“工欲善其事，必先利其器。

”从事任何工作，都必须讲究方法。

方法好，器利，才能事半功倍。

法国著名生理学家贝尔纳说：“良好的方法能够使我们更好地发挥运用天赋的才能，而拙劣的方法则可能阻碍才能的发挥。

”恩格斯也指出，方法正确，可以“免得走无穷无尽的弯路，并节省在错误方向下浪费掉的无法计算的时间和劳动”。

可见正确的方法在一个人成才的道路上该有多么重要。

善积成诗：宋代大诗人梅尧臣。

此人满腹锦绣、出口成诗。

有人对他横溢的诗才感到惊讶，便留心观察他的“秘诀”何在？后来发现他无论走路、吃饭，还是游玩，手里常常拿着一支笔，时而在一张小纸条上写几下，尔后就把小纸条装进一个布口袋中。

待有人打开他那口袋细看时，嗬！上面写的全都是一联、半联的诗句，原来梅尧臣的秘诀就在于“积”。

秋叶成书：“元末明初人陶宗仪是江苏松江的一位乡村教师。

《明史》上说他教学之暇，亲躬耕耘，想的时候，每每把自己的治学心得和诗作、见闻写到伸手摘下的树叶上，然后把它们放进一口瓮里，满了，就埋在树下。

10年过去了，装满树叶的瓮有了几十个。

一天，他让学生们把那些瓮都挖出来，再将叶子上的文字加以抄录整理成书，这就是我们今天尚可看到的长达30卷的《辍耕录》。

避短扬长：程砚秋年轻时身材不错，中年后发胖了。

这时他给自己提出的练功目标是：一要继续保持自己身体的灵活；二要设计更优美的舞姿，使发胖的身体得到遮盖。

他很讲究使自己的转身加快速度，讲究以正面对观众的时间尽量缩短，而把侧面对观众的时间拉长。

这样，较胖的身体就被他“遮盖”过去，人们往往把他看作是个身段优美的旦角。

化短为长：周信芳的嗓子，青年时并不带哑，后来变得带哑了。

在这种情况下，练功可以起到一定的好转作用，但唱圆可能，唱润难办。

于是他就把功夫放到唱得清晰有力、声情并茂上，终于成了一代名伶。

了不起的“理想实验”：亚里士多德认为：“推一个物体的力不再去推它时，原来运动的物体便归于静止。

高中物理速度选择器和回旋加速器专项训练及答案及解析一、速度选择器和回旋加速器1．如图所示的直角坐标系xOy ，在其第二象限内有垂直纸面向里的匀强磁场和沿y 轴负方向的匀强电场。

虚线OA 位于第一象限，与y 轴正半轴的夹角θ=60°，在此角范围内有垂直纸面向外的匀强磁场；OA 与y 轴负半轴所夹空间里存在与OA 平行的匀强电场，电场强度大小E =10N/C 。

一比荷q =1×106C/kg 的带电粒子从第二象限内M 点以速度v =2.0×103m/s 沿x 轴正方向射出，M 点到x 轴距离d =1.0m ，粒子在第二象限内做直线运动；粒子进入第一象限后从直线OA 上的P 点（P 点图中未画出）离开磁场，且OP =d 。

不计粒子重力。

(1)求第二象限中电场强度和磁感应强度的比值0E B ；(2)求第一象限内磁场的磁感应强度大小B ；(3)粒子离开磁场后在电场中运动是否通过x 轴？如果通过x 轴，求其坐标；如果不通过x 轴，求粒子到x 轴的最小距离。

【答案】(1)32.010m/s ⨯；(2)3210T -⨯；(3)不会通过，0.2m 【解析】 【详解】(1)由题意可知，粒子在第二象限内做匀速直线运动,根据力的平衡有00qvB qE =解得302.010m/s E B =⨯ (2)粒子在第二象限的磁场中做匀速圆周运动，由题意可知圆周运动半径1.0m R d ==根据洛伦兹力提供向心力有2v qvB m R=解得磁感应强度大小3210T B -=⨯(3)粒子离开磁场时速度方向与直线OA 垂直，粒子在匀强电场中做曲线运动，粒子沿y 轴负方向做匀减速直线运动，粒子在P 点沿y 轴负方向的速度大小sin y v v θ=粒子在电场中沿y 轴方向的加速度大小cos y qE a mθ=设经过t ∆时间，粒子沿y 轴方向的速度大小为零，根据运动学公式有y yv t a ∆=t ∆时间内，粒子沿y 轴方向通过的位移大小2y v y t ∆=⋅∆联立解得0.3m y ∆=由于cos y d θ∆<故带电粒子离开磁场后不会通过x 轴，带电粒子到x 轴的最小距离cos 0.2m d d y θ'=-∆=2．如图所示，有一对水平放置的平行金属板，两板之间有相互垂直的匀强电场和匀强磁场，电场强度为E =200V/m ，方向竖直向下；磁感应强度大小为B 0=0.1T ，方向垂直于纸面向里。

1.3质谱仪和回旋加速器一、单选题1．1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，凭借此项成果，他于1939年获得诺贝尔物理学奖，其原理如图所示，置于真空中的D 形金属盒半径为R ，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可忽略；磁感应强度为B 的匀强磁场与盒面垂直，高频交流电频率为f ，加速电压为U 。

若A 处粒子源产生质子的质量为m 、电荷量为q +，在加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响。

则下列说法正确的是（ ）A ．带电粒子由加速器的边缘进入加速器B ．被加速的带电粒子在回旋加速器中做圆周运动的周期随半径的增大而增大C ．质子离开回旋加速器时的最大动能与D 形盒半径成正比D ．该加速器加速质量为4m 、电荷量为2q 的α粒子时，交流电频率应变为2f 2．质谱仪的结构原理图如图所示，带有小孔的两个水平极板12S S 、间有垂直极板方向的匀强电场，圆筒N 内可以产生质子和氚核，它们由静止进入极板间，经极板间的电场加速后进入下方的匀强磁场，在磁场中运动半周后打到底片P 上。

不计质子和氚核的重力及它们间的相互作用。

则下列判断正确的是（ ）A ．质子和氚核在极板12S S 、B ．质子和氚核在磁场中运动的时间之比为C ．质子和氚核在磁场中运动的速率之比为D．质子和氚核在磁场中运动的轨迹半径之比为3．笔记本电脑趋于普及，电脑机身和显示屏对应部位分别有磁体和霍尔元件。

当显示屏开启时磁体远离霍尔元件，电脑正常工作；当显示屏闭合时磁体靠近霍尔元件，屏幕熄灭，电脑进入休眠状态。

如图，一块宽为a、长为c的矩形半导体霍尔元件，元件内的导电粒子是电荷量为e的自由电子，通入方向向右的电流时，电子的定向移动速度为v。

当显示屏闭合时元件处于垂直于上表面、方向向上的匀强磁场中，于是元件的前、后表面间出现电压U，以此控制屏幕的熄灭。

则关于元件的说法正确的是（）A．前表面的电势比后表面的高B．前、后表面间的电压U与v有关C．前、后表面间的电压U与c成正比D．自由电子受到的洛伦兹力大小为eU c4．1930年劳伦斯提出回旋加速器理论并于1932年制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示。

1939年诺贝尔物理学奖——回旋加速器的发明1939年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚州伯克利加州大学的劳伦斯（Ernest Orlando Lawrence，1901——1958），以表彰他发明和发展了回旋加速器，以及用之所得到的结果，特别是人工放射性元素。

核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核物理学的发展起了很大的促进作用，而劳伦斯的回旋加速器则是这类创造中最有成效的一项。

从30年代起，以劳伦斯不断革新回旋加速器的活动为代表，物理学转入了大规模的集体研究，仪器设备越来越复杂，物理学家越来越多地参加有组织的研究工作，物理学与技术的关系也越来越密切，操作调试要求协调配合，实验室的规模要以工程的尺度来衡量，可以说，大规模物理学的出现是我们时代的特征。

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，为原子核物理学和粒子物理学的发展作出了重大贡献。

劳伦斯1901年8月8日出生于美国南达科他州南部的坎顿（Canton）教师的家庭里，早年就对科学有浓厚兴趣，喜欢作无线电通讯实验，在活动中表现出非凡的才能，他聪慧博学，善于思考。

劳伦斯原想学医，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（W.F.G.Swann）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。

劳伦斯获得硕士学位后随斯旺教授转芝加哥大学，在那里他遇见了著名的年轻物理学家康普顿（pton）教授。

他往往在康普顿的实验室里陪康普顿整夜地进行X射线实验，和康普顿倾谈，从康普顿那里吸取了许多经验。

劳伦斯在1925年以钾的光电效应为题完成博士学位。

在这期间，业余从事用示波管做显像实验，如果不是有人捷足先登，说不定他会取得电视机的发明专利。

龙源期刊网 例谈带电粒子在磁场中运动问题分析解答作者：王久平来源：《中学教学参考·理科版》2014年第11期带电粒子在匀强磁场中的运动问题是高考命题的热点。

本文结合例题谈谈这类题的分析解答。

【例1】回旋加速器是美国物理学家劳伦斯发明的，主要用于加速带电粒子，使之获得较大的动能，回旋加速器的核心部分实际上由两个D形金属扁盒组成，两盒分别与一高频交流电源的两极连接，从而在盒间狭缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过狭缝时都得到加速。

并把两盒置于匀强磁场中，只要磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近，如果粒子源射出的粒子电荷量为q、质量为m，粒子最大回旋半径为Rm，磁场的磁感应强度为B，问：（1）粒子在盒内磁场中作何种运动？（2）粒子在两盒间狭缝内作何种运动？（3）所加交变电压频率为多大，粒子运动角速度为多大？（4）粒子离开加速器时速度为多大？解析：（1）D形盒由金属导体制成，可屏蔽外电场，因而盒内无电场。

盒内有垂直盒面的磁场，故粒子在盒内磁场中做匀速圆周运动。

（2）两盒间狭缝内有匀强电场，且粒子速度方向与电场方向在同一条直线上，故粒子做匀加速直线运动。

（3）粒子在电场中运动时间极短，高频交变电压频率要符合粒子回旋频率。

[问题拓展]物理学的发展对科学及生活的各个方面都有重大影响，也是人类社会发展的重要动力。

教学中，如能让学生从物理学科的发展史、现代科技的发展史，甚至人类文明的发展史等角度来进行学科认知，解决问题将会事半功倍。

比如在学习重力时，可以联系牛顿对力学的研究史设计问题；在学习万有引力定律时，通过介绍多位科学家的研究历程及结论，再联系开普勒及牛顿科学研究过程设计问题，可以提高学生学习的积极性，增强学习的兴趣。

3．放射医疗的先驱
在1938年4月30日给查德威克的信中，他无法抑制对可能的医学突破的兴奋之情：
关于人工放射性物质和中子在医学研究和临床治疗上的重要作用已毫无疑问，因此我认为您在伦敦的生物物理学方面的朋友，应该建造一台回旋加速器进行这方面的探索。作为一个由于实验仍在进展还需大约一年才能明确地公之于众的。现在不应该提及的例子，我想提一下，目前我的弟弟约翰·劳伦斯正利用放射性磷治疗一名骨髓性白血病患者，取得了显著的效果。最近他一直在研究老鼠的白血病，发现放射性磷不仅被骨骼和淋巴组织有选择性地吸收，而且还被病变的白细胞以不寻常的程度吸收。例如，他发现患病动物每克脾组织所吸收的放射性磷是正常动物每克脾组织所吸收的5倍，这暗示着临床治疗人类疾病的可能性。从一月初开始，在大约两个月的期间内，他给一个白血病患者总共施用了70mC的放射性磷。起先患者的白细胞数为60万，而红细胞数为250万。放射性磷施用不久，白细胞数量稳定下降，骨髓细胞数量比其他细胞数量下降得更快，而红细胞数量稳定地增加到正常值。几周以前，患者的血象已经接近了正常，白细胞总数大约为0.8万，而红细胞数为500万，只有低于0.5%的白细胞被诊断为病变细胞。现在放射性磷治疗已经结束，患者正在被观察随后会出现什么情况。约翰医生和所有医务人员都觉得这位患者对放射性磷的反应是显著的，但是在另一方面，他们觉得还没有证据表明放射性磷已经治愈了这种疾病。恐怕如果我弟弟知道了我向您叙述这些，他一定会责备我的。
1932年，劳伦斯与耶鲁医学院名誉教务长的女儿布卢默(M．K．Blumer)结婚，生有两男四女。
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日劳伦斯在加州帕洛河阿托去世，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”。

“魅力之光”核电知识竞赛试题和答案（一）1.原子核中没有（）。

A、中子B、质子C、电子答案：C2、核能分为核裂变能和核聚变能两种，都是通过（）释放出的能量。

A、物理变化B、化学变化C、原子核变化答案：C3、以下哪个是自然界天然存在的易于发生裂变的核素：（）。

A、铀-235B、铀-233C、钚-239答案：A4、1896年，法国科学家（）发现了放射性。

A、伦琴B、贝克勒尔C、居里夫人答案：B5、1898年，居里夫人发现了放射性元素钋，她又通过艰苦努力，于1902年发现了另一种放射性元素（）。

A、铀 B 钍 C、镭答案：C6、1914年，物理学家卢瑟福确定氢原子核是一个正电荷单元，称为（）。

A、质子B、电子C、中子答案：A7、1932年，物理学家查德威克发现了（）。

A、中子B、质子C、电子答案：A答案：A8、1905年，著名科学家爱因斯坦提出了（）公式E=mC2（E为能量，m 为转换成能量的质量，C为光速）。

核能就是通过原子核反应，由质量转换成的巨大能量。

A、能量计算通用B、质量能量转换C、能量光速转换答案：B9、容易发生核裂变的核素有（）三种，其中只有（）是天然存在的。

A、铀-233 铀-235 铀-238 ；铀-235B、铀-233 铀-235 钚-239 ；铀-235C、钍-232 铀-233 钚-239；钍-232答案：B10、太阳发出我们人类所必需的光和热是由（）产生的。

A、核聚变反应B、核裂变反应C、氢气燃烧答案：A太阳核聚变反应发出光和热11、在我们赖以生存的环境中，（）无处不在。

地球上所有的生命都是在此类辐射背景下不断演化而成。

A、人工辐射B、天然辐射C、核爆辐射答案：B12、按照辐射作用于物质时所产生效应的不同，人们将辐射分为电离辐射和非电离辐射，下面不属于电离辐射的是（）。

A、α射线B、β射线C、γ射线D、紫外线答案：D13、 1897年英国物理学家汤姆逊(J.J Thomson)在进行阴极射线测定时候，发现阴极射线与氢离子电荷相反，但质量要比氢离子小1000多倍。

一、单选题（题数：50，共 50.0 分）1无磷洗衣粉是没有添加（）的洗衣粉。

1.0 分A、三聚氰胺B、三聚磷酸钠C、磷酸二氢钾D、硫酸钠正确答案：B 我的答案：B2铹元素的名称是为纪念回旋加速器的发明者（）。

1.0 分A、洛伦兹B、伦琴C、斯特恩D、劳伦斯正确答案： D 我的答案：D3碳五在常温常压下会呈现什么形态？（）1.0 分A、固态B、气态C、液态D、混合态正确答案：C 我的答案：C4苏伊士运河位于哪个国家？（）1.0 分A、埃及B、英国C、沙特阿拉伯D、利比亚正确答案：A 我的答案：A5聚酰胺（尼龙）是有机酸和（）的反应合成的。

1.0 分A、有机氮B、有机胺C、有机磷D、有机盐正确答案： B 我的答案：B6以下哪一项不是聚酰胺（尼龙）的优点？（）1.0 分A、柔滑B、有弹性C、透气D、牢固正确答案：C 我的答案：C7下面哪一项不属于温室气体？（）1.0 分A、氧气B、二氧化碳C、甲烷D、一氧化氮正确答案：A 我的答案：A8水力发电站是通过什么能量转换建成的？（）1.0 分A、势能B、核能C、风能D、电能正确答案：A 我的答案：A9石油输出国组织成立于（）年。

1.0 分A、1940 B、1950 C、1960 D、1970 正确答案：C 我的答案：C10以下哪位美国总统没有获得诺贝尔和平奖？（）1.0 分A、卡特B、奥巴马C、戈尔D、华盛顿正确答案：D 我的答案：D11铬镍电池的负极是什么元素？（）1.0 分A、铜B、锰C、镍D、镉正确答案：D 我的答案：D12 1卡路里是等于多少焦耳？（）1.0 分A、4.19 B、5.19 C、6.19 D、7.19 正确答案：A 我的答案：A13世界上第一个合成人工牛胰岛素的国家是哪个？（）1.0 分A、德国B、英国C、美国D、中国正确答案：D 我的答案：D14获取核能的方法有哪些？（）1.0 分A、裂变和质变B、质变和聚变C、裂变和聚变D、质变和量变正确答案：C 我的答案：C15以下哪项不是当今人类使用的四大能源之一？（）1.0 分A、石油B、煤C、原子能D、风能正确答案：D 我的答案：D16带有苯环化合物的烃类是什么烃？（）1.0 分A、直链烃B、芳香烃C、环烷烃D、支链烃正确答案：B 我的答案：B17下面哪个中国的邻国没有制造原子弹的能力？（）1.0 分A、俄罗斯B、蒙古C、巴基斯坦D、印度正确答案：B 我的答案：B18首次提出“催化”和“催化剂”的科学家是谁？（）1.0 分A、贝采里乌斯B、哈伯尔C、门捷列夫D、李比希正确答案：A 我的答案：A19哪一项不是满足植物生长的三大主要营养元素之一？（）1.0 分A、氮B、磷C、钾D、钙正确答案：D 我的答案：D20海水占全球水资源的比例为多少？1.0 分A、.96 B、.02 C、.52 D、.8 正确答案：A 我的答案：A21 以下哪种金属是可以燃烧的？（）1.0 分A、锌B、钛C、镁D、铁正确答案：C 我的答案：C22冷霜适宜哪种肤质？（）1.0 分A、干性皮肤B、中性皮肤C、油性皮肤D、以上都对正确答案：B 我的答案：B23分析化学是研究（）成分的测定方法和原理。

则
202
Vth

2
938 .3

670
KV
不可能实现
除了提高压来增加能量上限之外，另一个途径
是延长离子滑相的“路程”，用以提高离子穿越
加速电场次数。
加大滑相范围
Wm
2 0qeVa h
(sin f
sin i )
i : 0 / 2 使滑相由增加一倍，能量上限增加40%。但轴向散焦。
c 2r 2m
高频电压 : VD Va cos(2fd t )
每通过一次加速缝，离子 能量增量为:
W qeVa cos
谐振加速器的普遍条件可写成 Tc kTd
式中k为等于或大于1的奇整数(k=1,3,5……)。为什么？
二、基本组成部分 1.产生直流磁场的磁体 2.D形盒高频电压发生器 3.离子注入系统与引出系统 4.真空系统和供电控制系统 三、主要问题 1.横向聚焦力 2.滑相问题 3.运动的稳定性（非理想粒子的丢失问题） 4.中心区、注入、引出 5.磁铁、高频
磁场强度沿半径与离子能量同步增长：等时性回 旋加速器，n<0 轴向不稳定！（托马斯加速器）
第六章 回旋加速器
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节
概述 经典回旋加速器 稳相加速器 等时性回旋加速器 离在中心区和引出区的运动 高频与磁铁系统 回旋加速器的发展概况和实例
第一节
前言
劳伦斯（wrence）于1930年提出了回旋加速器的建议。 他设想用磁场使带电粒子沿圆弧轨道旋转，多次反复地通过高频加 速电场，甚至达到高能量。按照劳伦斯的原理建造了一批所谓经典 的回旋加速器 ，最大的几台可产生44MeV的α 粒子或22MeV的质子。 由于相对论引起的矛盾和限制，经典加速器的能量难以超过每核子 二十几兆电子伏的范围。回旋加速器所达到的能量超过了当时其他 加速器的能量。回旋加速器创造的加速方式奠定了人们日后发展各 种高能粒子加速器的基础。

这篇文献给了他启发：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’。
3 回旋加速器的应用
伽玛刀
研究原子核内部结构
伽玛刀
伽玛刀又称立体定向伽玛射线放射治疗系统，是一种融合现代计算机 技术、立体定向技术和外科技术于一体的治疗性设备，它将钴-60发出 的伽玛射线几何聚焦，集中射于病灶，一次性、致死性的摧毁靶点内 的组织，而射线经过人体正常组织几乎无伤害，并且剂量锐减，因此 其治疗照射范围与正常组织界限非常明显，边缘如刀割一样，人们形 象的称之为“伽玛刀”，它的最大优点是，能量更高而且可调剂量率 更高，可开可停，安全可靠。也可以使用质子束或中子射线，但不论 使用哪种粒子，都需要回旋加速器对粒子进行加速。
2 回旋加速器的原理
• 当电荷被缝隙的电场加速进入某一个 D 形 腔时，加速过程开始，一旦电荷进入该腔， 将沿半圆形路径运动
• 在腔内运动时，带电粒子速度保持不变， 振荡器的频率为
• 那么带电粒子到达空隙的时候外加电压极性正好改变，缝隙中的电场方向随 之改变，使粒子得到加速又进入另一 D 形腔，这时粒子运动的半径也就大了 一些。这样，粒子每次通过空隙都获得一些动能，从而进入更大半径的运动 轨道。这一过程一直重复到粒子从 D 形腔的边界射出。射出速度为
但由于相对论效应所引起的矛盾和限制，经典回旋加速器的能量难以超过20Mev的能量 范围，另外回旋加速器中粒子回旋的轨道半径逐渐地由小到大,因而磁体本身必须是实心的圆 柱,这是极为笨重的,而且耗资昂贵。

能量逐渐增加
随着粒子在回旋加速器中不断加速， 其能量逐渐增加。
粒子能量与速度
能量与速度关系
粒子的能量与其速度的平方成正比。
粒子的最大速度
粒子的最大速度受限于回旋加速器的磁场强度和半径。
03 回旋加速器的应用
核物理研究
01
02
03
核能研究
回旋加速器用于加速带电 粒子，以研究核反应和核 能释放过程。
培训。
感谢您的观看
THANKS
原理应用
通过强大的磁场和电场，回旋加速器将带电粒子加速到极 高速度，并引导它们进入聚变反应室。这些粒子碰撞会产 生足够的热量，触发核聚变反应。
特点与贡献
ITER的回旋加速器是迄今为止最大的同类设备之一，其规 模和性能对实现持续的聚变能源输出具有关键作用。
医用回旋加速器
01
概述
医用回旋加速器用于生产放射性药物，这些药物在肿瘤治疗、诊断成像
核结构研究
通过加速带电粒子并使其 与原子核碰撞，研究原子 核的结构和性质。
核衰变研究
回旋加速器用于研究放射 性衰变过程，探索元素的 起源和演化。
放射性治疗
肿瘤治疗
利用回旋加速器产生的质子束或碳离子束等重离子束进行放射治疗，对肿瘤进行高精度和高剂量的照 射。
放射生物学研究
通过回旋加速器产生的射线，研究放射对生物体的影响和机制，为放射治疗提供理论基础。
06 总结与展望
回旋加速器的贡献与意义
推动科技进步
回旋加速器在粒子物理、核物理等领域发挥了关键作用，推动了 相关领域的科技进步。
促进人才培养
回旋加速器实验涉及到多个学科领域，为培养跨学科的旋加速器实验有助于探索宇宙的奥秘，拓展人类对自然界的认识 。

A、聚乙烯
B、聚异戊二烯
C、丙烯腊
D、丁二烯
我的答案：B
29所有重要的医学手术设备都是用( )来消毒的。
A、酒精
B、射线
C、巴氏消毒剂
D、高温
我的答案：A
30游泳池的水呈蓝色是因为水里添加了( )。
A、硫酸铜
B、硫酸钾
C、石灰硫
D、石灰钾
我的答案：A
31什么是明矾的化学成分?()
A、硫酸铜
B、硫酸铝
A、半导体
B、合成橡胶
C、合成纤维
D、塑料
我的答案：A
19我国淡水资源总量处于世界第几名?()
A、4名
B、6名
C、8名
D、10名
我的答案：A
20哪个科学家第一次提出了“催化”和“催化剂”?()
A、哈伯尔
B、门捷列夫
C、李比希
D、贝采里乌斯
我的答案：D
21氨基甲酸酯类新农药是( )发明的。
A、意大利
B、芬兰
A、电子
B、物质
C、量子
D、原子
我的答案：B
12( )是紫色的晶体物质。
A、醋酸
B、硝酸
C、高锰酸钾
D、三氧化铬
我的答案：C
13( )国家正式公布“食盐加碘”条例以防治缺碘症。
A、1990年
B、1994年
C、1998年
D、2000年
我的答案：B
14对于可燃液体科学家用( )来对其进行评判。
A、亮点
B、燃点
25( )可以让化学体系和电极材料复原。
A、碱式锌锰电池
B、二次电池
C、锌银电池
D、干电池
我的答案：B
26什么电池是心脏起搏器采用的主要电源?()

避躲市安闲阳光实验学校第14讲磁场三难之回旋加速器题一：如图所示是回旋加速器的示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两盒相距很近，分别与高频交流电源连接，带电粒子每次通过两盒之间的窄缝时都能被加速；将两盒置于匀强磁场中，磁场方向垂直盒底面，带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，当其做圆周运动的轨迹半径达到最大时被引出。

忽略带电粒子在电场中的加速时间，则下列说法中正确的是（）A．加速电压越大，粒子被引出时获得的动能就越大B．因粒子每次通过窄缝时都被加速，由v rTπ2=知粒子在磁场中运动的周期变小C．加速次数越多，粒子获得的最大动能一定越大D．增大磁感应强度B或增大D形盒面积都能使粒子的最大动能增大题二：1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其核心部分由分别与高频电源的两极相连接的两个铜质D形盒D1、D2构成，两盒间的狭缝中有周期性变化的电场，粒子每次通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示，则下列说法中正确的是（）A．增大狭缝间的加速电压，可增大带电粒子射出时的动能B．改变狭缝间的加速电压，可改变带电粒子在磁场中运动的周期C．改变磁场的磁感应强度，不影响带电粒子射出时的动能D．用同一回旋加速器不能同时加速质子(H11)和氚核(H31)题三：如图所示为回旋加速器的工作原理示意图，D形金属盒置于真空中，半径为R，两金属盒间的狭缝很小，磁感应强度大小为B的匀强磁场与金属盒盒面垂直，高频交流电的频率为f，加速电压为U，若中心粒子源处产生的初速度为零的质子（质量为m，电荷量为＋e）在加速器中被加速。

不考虑相对论效应，则下列说法正确的是（）A．加速的粒子获得的最大动能随加速电压U的增大而增大B．不改变磁感应强度B和交流电的频率f，该加速器一定可加速其他带正电荷的粒子C．质子被加速后的最大速度不能超过2πRfD．质子第二次和第一次经过狭缝后的轨道半径之比为2∶1题四：如图所示为一种回旋加速器的示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连，现分别加速氘核（H21）和氦核（He42），下列判断中正确的是（）A．它们在D形盒中运动的周期不相同B．仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能C．它们的最大动能相同D．它们的最大速度相同题五：回旋加速器的工作原理如图1所示，置于真空中的D形金属盒半径为R，两盒间狭缝的间距为d，磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，被加速粒子的质量为m 、电荷量为＋q ，加在狭缝间的交变电压如图2所示，电压值的大小为U 0，周期BqmT π2=。

加速器的发展简史1919年英国科学家卢瑟福(E.Rutherford)用天然放射源中能量为几个MeV、速度为2×109厘米/秒的高速α粒子束（即氦核）作为“炮弹”，轰击厚度仅为0.0004厘米的金属箔的“靶”，实现了人类科学史上第一次人工核反应。

利用靶后放置的硫化锌荧光屏测得了粒子散射的分布，发现原子核本身有结构，从而激发了人们寻求更高能量的粒子来作为“炮弹”的愿望。

静电加速器（1928年）、回旋加速器（1929年）、倍压加速器（1932年）等不同设想几乎在同一时期提了出来，并先后建成了一批加速装置。

美国科学家柯克罗夫特1932年美国科学家柯克罗夫特（J.D.Cockcroft）和爱尔兰科学家沃尔顿(E.T.S.Walton)建造成世界上第一台直流加速器——命名为柯克罗夫特-沃尔顿直流高压加速器，以能量为0.4MeV的质子束轰击锂靶，得到α粒子和氦的核反应实验。

这是历史上第一次用人工加速粒子实现的核反应，因此获得了1951年的诺贝尔物理奖。

爱尔兰科学家沃顿美国科学家凡德格拉夫1933年美国科学家凡德格拉夫(R.J.van de Graaff)发明了使用另一种产生高压方法的高压加速器——命名为凡德格拉夫静电加速器。

以上两种粒子加速器均属直流高压型，它们能加速粒子的能量受高压击穿所限，大致在10MeV。

凡德格拉夫的实验装置劳伦斯与回旋加速器 奈辛(G.Ising)于1924年，维德罗(E.Wideroe)于1928年分别发明了用漂移管上加高频电压原理建成的直线加速器，由于受当时高频技术的限制，这种加速器只能将钾离子加速到50keV ，实用意义不大。

但在此原理的启发下，美国实验物理学家劳伦斯(wrence)1932年建成了回旋加速器，并用它产生了人工放射性同位素，为此获得了1939年的诺贝尔物理奖。

这是加速器发展史上获此殊荣的第一人。

由于被加速粒子质量、能量之间的制约，回旋加速器一般只能将质子加速到25MeV 左右，如将加速器磁场的强度设计成沿半径方向随粒子能量同步增长，则能将质子加速到上百MeV ，称为等时性回旋加速器。

回旋加速器之父1901年8月3日，欧内斯特·奥兰多·劳伦斯在美国南达科他州的坎顿城出生。

父亲卡尔·劳伦斯毕业于威斯康星州立大学，曾先后出任县、市、州公共学校的督学，1919年4月出任南达科他州立师范学院院长。

母亲冈达·雅各布森是一位中学数学老师、一位贤妻良母，深受孩子们的尊敬与爱戴。

良好的家庭条件为劳伦斯创造了不错的学习气氛，他从小就喜欢读书，阅读了不少科学书籍。

9岁时，劳伦斯对电产生了浓厚的兴趣，喜欢自己动手制作一些电报、电话装置，还时常同他最要好的伙伴M·图夫一起收集废电池，给这些废电池充电，用来开动马达。

有趣的是，这两位志趣相投的小伙伴后来都成为著名的物理学家。

劳伦斯成绩出众，提前一年中学毕业。

1918年秋，他进入明尼苏达州诺思菲尔德的圣奥拉夫学院学习，1年后转到南达科他大学。

刚到南达科他大学，他就以超乎寻常的充沛精力投入物理学的学习。

一连6周，每天的大部分时间都用于紧张的学习，要不然就是在实验室做实验。

6周过去了，整个二年级的物理课也就上完了。

在秋季的新学期，除了选修数学、化学、动物学、经济学和法语外，他还选修了三年级的物理。

在四年级，他的课表上又增加了地质学、电工学、高级经济学、高级物理学等课程，同时还主动承担了大学一年级的数学教学工作。

电气工程学院院长阿克利教授对劳伦斯非常赏识，在他的鼓励下，劳伦斯对物理学的兴趣越来越浓厚。

1922年秋，劳伦斯获南达科他大学学士学位。

阿克利教授建议劳伦斯去芝加哥大学攻读研究生，劳伦斯也申请了芝加哥大学的奖学金。

就在此时，他收到了幼时伙伴M·图夫的来信，邀请他到明尼苏达大学一起读研究生。

劳伦斯采纳了M·图夫的建议，驾着他那辆破旧的福特汽车，来到明尼苏达大学。

在明尼苏达大学，在导师斯旺教授的指导下，劳伦斯刻苦学习，很快打好了电动力学和磁学的坚实基础。

仅用了1年时间，便取得了硕士学位。

1923年秋，劳伦斯获硕士学位后，随同斯旺教授来到芝加哥大学继续学习，一年后又随斯旺到了耶鲁大学。

收稿日期:2006-03-13;修回日期:2006-09-01　作者简介:作者简介:方芳(1982—),女,北京人,首都师范大学物理系科学技术史专业硕士生.物理学史　劳伦斯对回旋加速器的研究方　芳,刘战存(首都师范大学物理系,北京　100037) 摘要:介绍了劳伦斯发明回旋加速器的时代背景与劳伦斯的创新过程,阐述了回旋加速器的工作原理和建造、发展加速器的过程,分析了劳伦斯的成功因素.关键词:劳伦斯;回旋加速器;发明中图分类号:O 4-09 文献标识码:A 文章编号:1000-0712200703-0049-05 1939年的诺贝尔物理学奖授予了美国实验物理学家劳伦斯,以表彰他发明和发展了回旋加速器;当时物理学界也有人认为考克饶夫(Sir John Douglas Cockcroft ,1897—1967)和瓦尔顿(Ernest Thomas Sinton Walton ,1903—1995)所做的用人工加速粒子的方法使原子核蜕变的工作应在劳伦斯之前获奖;但是由于诺贝尔物理学奖评审组成员西格班(Manne Siegban ,1886—1978,1924年诺贝尔物理学奖获得者)强烈支持劳伦斯的候选资格,最终使劳伦斯赢得了物理评审组和瑞典科学院的支持.而考克饶夫和瓦尔顿获得了1951年诺贝尔物理学奖[1].1　劳伦斯生平劳伦斯(Ernest Orlando Law renc e )1901年8月8日出生于美国南达科他州坎顿城,父母都是挪威移民的后裔.因父母都是教师,父亲还当过师范学院的院长,使劳伦斯从小就受到了良好的家庭熏陶,养成了勤奋好学、喜欢思考的习惯,也使他有机会接触许多科学书籍.1917年,劳伦斯考入圣·奥拉伏学院,一年后转到南达科他大学,1922年获学士学位,1923年在明尼苏达大学获硕士学位.同年秋,他随导师W .斯万教授到芝加哥大学继续做研究生.在这里,他先后遇见了玻尔、康普顿、迈克耳孙等著名物理学家,还目睹了康普顿效应实验.1924年秋,他又随斯万教授到了耶鲁大学.1925年7月劳伦斯获博士学位后,留在耶鲁大学工作,1927年被聘为助理教授.1928年秋他受聘去加利福尼亚大学伯克利分校物理系任副教授.在伯克利,劳伦斯的工作得到了校方的全力支持,由于劳伦斯和其他物理学家的努力,伯克利分校很快成为世界上著名的物理学研究中心.在那里,劳伦斯发明了著名的回旋加速器,使这位年仅30岁的年轻人闻名于世界.1930年,29岁的劳伦斯升为正教授.1936年,伯克利分校正式建立辐射实验室,劳伦斯任该实验室主任.1958年8月27日,劳伦斯因病在加利福尼亚州帕罗阿尔托(Palo Alto )逝世,享年57岁[2].劳伦斯一生都在从事加速器技术、核物理及其在生物学和医学应用方面的研究,取得了许多重要成果,还在生物医学等领域做出了重要贡献.2　回旋加速器的发明2.1　发明的背景1919年,卢瑟福(Ernest Rutherford )用天然α粒子从氮原子核中打出质子,第一次实现了改变化学元素的人工核反应,激发了人们对原子核研究的兴趣.然而,由于天然放射性物质的α粒子的能量有限,用来进行核反应会受到很大的局限.怎样才能产生能量足够的粒子来轰击原子核,成为当时物理学家们关注的问题.与此同时,量子力学证明轰击粒子的能量不需要像经典理论算出的那样高,这更激发了人们对这一领域研究的热情与信心.1928年,美国物理学家伽莫夫(George Gamow ,1904—1968)提出,可以用质子代替α粒子来实现人工核反应.但由氢原子电离而得到的质子能量很小,需第26卷第3期大　学　物　理Vol .26N o .32007年3月CO LL EGE PHYSICSM ar .2007DOI :10.16854/j .cn ki .1000-0712.2007.03.016要加速,才能保证作为“炮弹”的质子获得足够的能量.于是,各种类型的粒子加速器迅速发展起来.1932年考克饶夫和瓦尔顿建成世界上第一台直流加速器,他们用特制的整流器和电压倍加器,得到600kV 的直流电压,并用它进行了轰击锂的实验,这是历史上第一次用人工加速粒子实现的核反应.1933年范德格拉夫(Robert Jemison Van der Graaff ,1901—1967)发明了静电加速器.2.2　劳伦斯发明回旋加速器刚到伯克利的劳伦斯也意识到“实验物理的下一个重要领域肯定是原子核”.最初人们为了获得高速粒子,主要研究如何产生高压以及研制能够经受住这样高压的加速管.然而这些方案和技术都存在一定的局限,如绝缘介质在高压下会被击穿,高压会通过周围空气放电等.在这种背景下,劳伦斯开始思考用其他方法来实现粒子的加速.1929年4月的一天晚上,劳伦斯在大学图书馆翻阅期刊时,看到了挪威工程师维德罗(Rolf Wider öe )在一本德国电力工程杂志上发表的《关于产生高压的新原理》的论文.文章论述了钾离子的加速问题,其总体思想是以瑞典物理学家G .伊辛(G .Ising )提出的一种加速粒子的方案为基础的.劳伦斯阅读德文很吃力,因此他主要看了示意图和维德罗仪器的照片,但立刻意识到这是他“长期寻找的加速正离子的技术问题的真正答案”.维德罗的方法(见图1)是把高频振荡电压适当加到一连串的圆筒形电极上来加速正离子,使离子经多次加速达到很高能量.维德罗把两个管子(电极)排成一条直线,将钠或钾离子发射后加速到第一个管子中去,当离子行进到两个管子之间时以同样的电压再加速一次;因此当离子从第二个管子中出来时要比从第一个管子出来时能量大了一倍.如果采用几个管子,依次增加管子的长度来补偿不断增大的速度,可使离子得到多次加速.图1　维德罗的直线离子加速器示意图电压为U b ,高频场由包括真空管SR 在内的电路提供 他“没有进一步看完这篇文章,当时就在那里估计了一下能量超过兆电子伏特的直线质子加速器的一般特性.简单的计算表明,加速管的长度可能达数米”.他认为“这样的长度在当时似乎很不适合于实验室使用”[3].于是他马上着手计算如何减少长度.他想如果能将这些管子重复使用,就能大大缩短加速器的长度,如把加速管弯成一个圆圈.他立刻就产生一个想法,即用磁场把离子限制在这样一个圆圈里.他设想“能否不用在一条直线上的许多圆筒形电极,是否可以使用两个电极,通过某种适当的磁场装置使正离子反复通过这两个电极.”经过分析,他发现“均匀磁场正好有这些性能,就是说离子在均匀磁场中回转的角速度与能量无关,因此它们可以在适当的空心电极之间反复回转,与一定频率的振荡电场发生谐振,…….”[3]这样劳伦斯形成了他的加速器的初步思想.2.3　回旋加速器原理劳伦斯在他的论文中介绍了他的加速器的工作原理[4].其实验装置如图2所示,装在真空室内的两个半圆形中空平板电极(因其形状像大写字母D ,通常又称为D 形盒)A 、B 置于同一平面内,其两个直径50　大　学　物　理 第26卷的边缘相邻近.将该系统放在磁铁的两磁极之间,磁场垂直于两平板电极所在平面,高频交变电场加在两电极之间,如果在某一时刻,电极A 相对于电极B 的电势为负,则带正电的粒子会被加速,并进入电极A 内.由于磁场的作用,在电极内离子沿弧线ab 通过,如果通过半圆路径的时间等于电场振荡的半个周期,电场的方向与刚才相反,离子再次被加速,以更高的速度进入电极B 内,因而沿更大半径的弧线bc 运动.这样粒子沿螺旋形轨迹运动,多次通过加速区加速(如图2).最终,被加速到很高能量的粒子束到达加速器外沿,从回旋加速器中射出,打在靶子上.图2　离子多次加速的实验原理图如果忽略质量随速度的变化,则粒子运动轨道的半径与速度成正比.所以离子转一周所用的时间与速度无关.维持带电粒子做圆周运动的力就是洛伦兹力,故有qvB =mv 2R 即v R =qBm这就是回旋加速器方程.其中q 是粒子所带电荷,v 是粒子运动速度,B 是磁感应强度,m 是粒子质量,R 是粒子运动轨迹半径.粒子旋转一周所用的时间为t =2πR v =2πmqB半径R 和速度v 从方程中消失,说明粒子旋转的频率与轨道半径和速度无关.粒子每旋转一周经过的时间都相同,这样就可以使粒子和交变电场的频率保持一致.粒子最终能达到的能量是E =12mv 2m =12qB 2R2qm上式表明,粒子能达到的最大能量E 受到磁感应强度B 和D 形盒半径R 的限制.要使粒子获得更高能量,就要加大磁铁的磁感应强度和D 形盒的直径.这种加速器最初称为磁谐振加速器,直到1935年劳伦斯及其合作者在一篇论文中才正式采用了“回旋加速器(c yclotron )”的名称.2.4　建造回旋加速器1930年,埃利森(Edlefsen )已经完成了论文,正在等待授予学位.他在劳伦斯指导下,用实验室已有的一个小磁铁,做了一个玻璃的真空室,其中有两个内部空心的电极,可以将射频电压加在上面,在周围放了一个未加屏蔽的探测电极.他们探测到电流随磁场改变,并观察到一个宽的共振峰[5].劳伦斯在他的论文中写道:“预备性实验表明,按照这种方法使质子加速到足够高的速度,用于原子核的研究也许不会有严重的困难.”[6]同年夏天,劳伦斯建议另一位研究生利文斯顿(M .Stanley Livingston )进一步改进这个加速器模型.真空室是用铜制成的,真空管振荡器为电极提供高达1000V 的电压,调整共振电感的圈数可以改变频率.通过位于中心的钨丝阴极发射的电子使真空室中的氢气电离产生氢离子.在最大磁场为0.52T 时,使用H +2离子,它的共振频率为4.0MHz ,最后的能量可达到13000eV .这时的6in 的模型与现代回旋加速器已经非常相似[7].后来又借来了一个更强的、能够产生1.30T 的磁铁,可使氢离子产生80000eV 的能量[8].1932年,劳伦斯在利文斯顿的帮助下成功地建造了直径为11in 的回旋加速器.它能将质子的能量加速到1.2MeV ,可以用来轰击原子核.同年10月,他们在这台回旋加速器上成功地用高能质子轰击锂,从而验证了考克饶夫和瓦尔顿的工作[9].劳伦斯并不满足已有的成果,不久他们又成功地建成了直径为27in 、能量更高的回旋加速器.在此基础上,经过进一步的改装,又建成了37in 的回旋加速器,可以将氘核加速到8MeV 的能量.1939年,伯克利辐射实验室又建成了60in 的回旋加速器.1946年辐射实验室建造了一台直径为184in 、能量超过100MeV 的回旋加速器,这是一台同步回旋加速器.1948年辐射实验室用这台加速器第一次实现了人工产生介子,在当时这也是世界上唯一可以产生介子的装置.由此开始了用加速器研究基本粒子的新时期.早在上世纪40年代末,劳伦斯就多次指出建造数十亿电子伏特能量加速器的重要性.该加速器于1954年在伯克利建成,命名为Bevatron ,能量为6.4GeV ,成为当时世界上最高能量的加速器.1955年辐射实验室的O .张伯伦(Chamberlain )和E .塞格雷第3期 方芳等:劳伦斯对回旋加速器的研究51(Segre)利用这台机器发现了反质子.正是劳伦斯带领着辐射实验室不断向着更高能量进军,不断设计和建造出更大、能量更高的加速器.3　回旋加速器带来的成果加速器一出现,立即成为研究核物理、高能物理和认识微观世界的一个重要手段.劳伦斯曾帮助一位同事用中子照射麦苗,并研究它对发芽和生长的影响.自从放射性同位素广泛用于医学诊断和治疗以来,回旋加速器就成为放射性同位素的主要生产工具.科学家们用回旋加速器产生的高能粒子轰击各种原子核,还发现了许多新元素.劳伦斯和他的合作者也利用回旋加速器,使许多原子核发生了嬗变.这些实验表明,只要有足够大的能量,几乎每一种原子都可以发生核反应.他们还精确地测量出各种粒子质量与其反应能量的关系,从而验证了爱因斯坦的质能方程.回旋加速器的产生,不仅对核物理的发展起到了重要作用,还为后来粒子物理学的形成和发展打下了坚实的实验基础.科学家们利用回旋加速器取得了一系列的重大成果,其中因此而荣获诺贝尔奖的例子不胜枚举[10].瑞典皇家科学院的西格班教授在介绍劳伦斯的工作时指出,“回旋加速器在实验物理发展史上有着特殊的地位.回旋加速器的结构之庞大和复杂是目前任何仪器不可相比的,用它取得的实验成果也是其他物理实验仪器无法比拟的”.4　劳伦斯成功的因素劳伦斯在对回旋加速器的研究方面,取得了重要的成果,对物理学的发展做出了杰出的贡献.劳伦斯的成功,大致可以归结为以下几点:1)及时果断,抓住机遇.劳伦斯的发现始于维德罗的一篇论文,无怪有人说,是一篇文章给他带来了好运.但实际上他在1928年从耶鲁大学调到伯克利时,就决定将他的注意力从已经研究得较为透彻的光电效应转移到更有发展前景的核物理学的新领域上来.凭借着他对核物理学实验的兴趣,他密切关注着高压仪器的进展.他已经熟悉用特斯拉线圈所作的工作,并且决定克服困难建造新装置,使之能达到106 eV.他翻阅《电工学文献》(Archiv fǜr Elektrotechnik)去寻找所需要的线索———如何用低电压获得高能量.这个刊物是面向“在电工学领域从事科学工作的工程师”和只对技术问题感兴趣的物理学家的.可见他是有目的在寻找有关文章.当他看到维德罗文章时,很快就触发了他的灵感,看到那个图几分钟后,他便开始绘制装置草图,写出数学公式,他的新装置的基本特征立刻在脑子中产生了.第二天早晨他就告诉一位朋友已经有了发明一种科学装置的新想法[11].看来他的好运既和这篇文章有关系,更是他长期思考这一问题的结果,正所谓“机遇只偏爱有准备的头脑”.与劳伦斯形成对比的是,有些人说他们在此前曾想到过这样的方案,但是由于种种原因没有能够发表出来.维德罗回忆说,罗戈夫斯基(Walter Rogow ski,亚琛工业大学的一位阴极射线管和示波器专家)的一位助手曾经问过他,是否可以让离子束沿螺旋线重复地通过两电极间的缺口.“我现在还记得很清楚,我当时回答他,那是可能的,但是看来相当难实现,因为我想再次打在空隙上的可能性可能不太大.”丹尼斯·伽博(Denis Gabor,1900—1979)后来因为发明全息术获得了1971年诺贝尔物理学奖,他早在1924年就考虑过有关回旋加速器的问题.但他当时有别的事情急需要做.他说:“我的博士学位研究(如同罗戈夫斯基一样,是关于示波器的)已经有了进展,于是我放弃了其他研究.”几年后他又有了另外一次机会,1929年1月5日,柏林的物理学家齐拉特(Szilard)申请了一个专利,他在纸上画出了一个回旋加速器,将直线加速器管弯曲成鼓状的扇形.被加速的粒子凭借磁场通过栅网作圆周运动.齐拉特晚年回忆,他曾将这一发明的开发交给了那时正为西门子电气集团工作的伽博,伽博和西门子都没能抓住这个机遇[12].劳伦斯之所以能够抓住这个机遇,是因为他深知解决离子加速问题的重要性,并一直在冥思苦想、力图解决这一问题,一经抓住这个机遇,他就没有放松过.2)查阅文献,学习借鉴.从劳伦斯的发明过程,我们可以看出阅读和浏览参考文献,特别是查阅外文文献的重要性.科技文献是展示科技成果的一个重要场所,它汇集了成千上万的科技工作者对客观事物的认识,积累了无数有用的事实、数据、理论、方法和科学构想.学习、继承和借鉴他人的研究成果是科学研究的重要工作之一.著名的物理学家都非常重视对文献的阅读.劳伦斯的德语水平有限,然而他恰恰是从一篇德文文献中受到了启发,得到了新的思路.劳伦斯自己说:“由于阅读德文很吃力,我只能看看示意图和维德罗仪器的照片.从各种照片上可以断定,他解决问题的总的方法,是把高频振荡电压适当地加到一连串的圆筒形电极上来加速正离子.这个新思想使我立刻意识到这是我长期寻找的加速正离子的技术问题的真正答案.”[3]而我们有些人,因为外语水平不52　大　学　物　理 第26卷高,对外文文献望而生畏,敬而远之,不愿意阅读外文文献.诚然,不管我们怎样努力去学习外语,对外语的掌握程度永远也很难达到对母语的掌握程度;但是如果我们只查阅本国的文献,就不可能了解世界上各个国家的科学研究动态,就会失去很多获取有用信息的机会.试想如果当初劳伦斯不去翻阅德文文献,那么他对加速器的想法还不知何年何月才能产生,很有可能这项发明会成为别人的成果.从劳伦斯的创新经历可以看出,对参考文献不一定要逐字逐句地完全读懂,只要抓住它的核心和本质问题,就可以使我们的思路受到启发.当然,也不是说对外文文献能囫囵吞枣就行了,我们还是应当尽可能提高外语水平,用好外文文献资料;即使外文水平有限,只要坚持看,长期积累下来就会受益,使我们的能力得到提高,会给我们的研究工作带来启发和帮助.3)积极乐观,脚踏实地.劳伦斯始终保持积极乐观的念度,这对于他的研究工作来说是非常重要的.在他刚提出回旋加速器原理时,同事们认为他的计算是正确的,但对他的方法可否应用到实践中却顾虑重重,也有不少专家对其可行性表示怀疑,但是劳伦斯始终坚持他的信念.他相信问题最终可以得到圆满的解决.无论情况多么糟糕,他也没有灰心或者感到悲观和绝望.即使当他的研究受到很有权威的同行的怀疑甚至嘲笑时,他仍旧坚定不移[13].而在具体问题的处理上,他则是脚踏实地,一步一个脚印,对出现的问题认真加以解决.劳伦斯在看到维德罗的那篇文章后曾特意拜访过一位物理学家,询问离子的平均自由程是否可以做到足够大,使其在经过很长的螺旋状的路径上几乎不发生被残余气体散射的情况.他也考虑了可能会有相当一部分发出的离子不能通过宽1mm、长1cm的狭缝的问题.在加速过程中离子的路径会有数米之长,并且由于空间电荷扩散效应、热速度分布和接触电动势的影响,以及所加外场的不均匀性,会使离子出射狭缝的有效立体角变得非常小.事实上这样设置的电场和磁场为沿螺旋线运动的离子提供了极强的聚焦作用,使得它们在靠近加速系统的中位面作圆周运动.实验中这一问题很容易得到了解决[4].由于回旋加速器工作时会辐射电磁波,劳伦斯就经常把收音机调到加速器的频率上,在家里进行监控.如果收音机里传出奇怪的声音,他就会马上跑回实验室进行检查.他还对实验中可能出现的问题作了充分的估计和准备,就实验中磁场的非均匀性对加速器运行的影响等具体问题都作了细致的探讨,对根据经验校正磁场的方法给与了充分的重视.正是靠着这种积极乐观的态度和脚踏实地的精神,使他能够正确地面对困难,妥善地解决了问题.劳伦斯以他特有的人格魅力感染着他身边的人.他对待科学严肃认真的态度深深影响着他的学生和同事,以至于许多在辐射实验室工作的人都相继取得了优异的成绩,成为世界闻名的物理学家[13].并且由于他杰出的领导才能,而使伯克利辐射实验室成为世界著名的物理圣地.参考文献:[1]　Dardo 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