漫谈粒子加速器

华兴恒

发现、研究新的基本粒子，探索微观结构的极限，其使用的基本工具，就是复杂、神秘而又昂贵的人工粒子源——加速器。

高能加速器担负的任务是把带电粒子（质子、离子、电子）加速到一定的能量，作为“探针”供各种不同的实验使用。通常研究的客体越小，“探针”的能量必须越高。现代高能加速器已能够获得密度为每秒钟10¹⁸个粒子的束流，于是可以开展大量的、有目的的实验研究，并应用到医学、现代工业等方面。

1932年，英国科学家科克劳夫与沃顿建造了一台高压加速器，把质子加速到具有70万电子伏（1电子伏=1.6×10^-19焦耳）的动能，并在历史上首次使用人工加速的粒子实现了核反应。次年，美国的科学家范德格拉夫把高压加速器的记录提高到1.2兆电子伏。几乎同时，美国的物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，回旋加速器巧妙地利用磁场把粒子限制在一定大小的两个“D”形盒中，在阿个“D”形盒的接缝处加上高频交变电场，使粒子加速。到上个世纪30年代末期，它的能量已高达20兆电子伏，成为各种加速器的最高者，劳伦斯凶此获得了诺贝尔物理学奖。

由于相对论效应，粒子速度越高，质量就越大，旋转一周所需的时间就越长，若加速电场的周期不变，这样就产生了不合拍的现象，也就限制了能量的提高。有鉴于此，科学家们又先后发明了“等时性回旋加速器”和“稳相加速器”。前者是把磁场强度做得不均匀，从而抵消掉相对论效应的影响，加速能量达几亿电子伏；……