回旋加速器— 刘叔物理

回旋加速器是一种粒子加速器。回旋加速器通过高频交流电压来加速带电粒子。大小从数英寸到数米都有。它是由欧内斯特·劳伦斯于1929年在柏克莱加州大学发明。

回旋加速器示意图

许多原子核、基本粒子的性质有关的资讯，均是利用高能粒子轰击原子靶（atomic target）而获得的。1932年，约翰·柯克劳夫与欧内斯特·沃吞在英国制造了第一台“原子击破器”（atom smasher）。他们乃是利用700,000V的高电压对质子加速，然后再拿它们轰击锂靶。

他们采用的方法虽然较为野蛮，但确实是建构出了这么个高电压。在1929年时，劳伦斯就已经考虑过这种可能性：将粒子重复地经由一“相对小电压”做加速，而不是一次就用一个巨大电压去做加速。他于是与李明斯顿（M.S.Livingston）合作，发展出了回旋加速器（cyclotron）。第一部回旋加速器建于1930年，稍后的改良则于1934年完成。

回旋加速器的基本构成是两个处于磁场中的半圆D型盒和D型盒之间的交变电场。带电粒子在电场的作用下加速进入磁场，由于受到洛伦兹力F=Bqv（其中B为磁感应强度，q为带电粒子所带电荷）而进行匀速圆周运动，每运动到两个D型盒之间的电场时在电场力作用下加速，之后再次进入磁场进行匀速圆周运动。在不考虑爱因斯坦的狭义相对论时，由于在磁场中回旋半径R=mv/Bq与速度成正比，故当回旋半径大于回旋加速器半径时，带电粒子达到最大速度。实际上，根据狭义相对论，带电粒子的质量随速度的增加而增加，故实际应用中带电粒子的回旋周期并非恒定。

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