劳伦斯和回旋加速器

劳伦斯和回旋加速器

欧内斯特·O·劳伦斯（1901～1958），祖籍挪威，出生在北达科他州的坎顿。当时，周围的一切反映出强烈的美国开拓者的精神，但又带有一些传统的观念：极其渴望工作；在追求思想和行为目标的同时，有时又带有一些极其保守甚至是复古的性格；利己主义，自给自足和狭隘的地方主义等等。欧内斯特的父亲是个学监，所以劳伦斯能有机会读到一些科学方面的书，并且很快就喜欢动手制作无线电发射器及其它一些仪器了。

劳伦斯非常聪明。在结束了公立学校的学习之后，他最终毕业于耶鲁大学。虽然他受到过正规的教育，但是却未能在物理学或其它科学领域得到深造。另一方面，他对物理学却有着真正的直觉，有着想要取得成就的强烈愿望，且又具有善于和人们相处的能力。从本质上来说，他更象一个发明家，而不太象个科学家。他受到的教育比爱迪生多，但他和这位伟大的发明家之间却有一些共同的特点。J.J.汤姆逊原先准备和爱迪生谈谈有关X射线方面的知识，后来他发现：换个题目与他交谈更合适些。费米在与劳伦斯谈话时，也出现过类似的情况。许多物理学家，包括劳伦斯自己的辐射实验室中的物理学家们，对核物理学、甚至对加速器科学的了解都要比劳伦斯强。但在辐射实验室里，劳伦斯却是关键的，无人可以与之伦比。劳伦斯按照自己的方式建立了这个实验室，用专制的方法指导实验室的工作，并且取得了极大的成功。他的非凡的领导能力、极大的热情和他个人的品格所起的作用，比他的科学知识的作用更大。

在耶鲁大学，劳伦斯被公认为是个极有前途的高才生，在他还是个年轻的教授时，加利福尼亚大学正处于发展时期，这所大学深深地吸引了他，他于1928年到该大学任教。1929年，他在浏览杂志时，在“电工学文献”中，由R.维德奥（R.Wideroe）写的一篇文章中的一张插图启发了他，致使这种回旋加速器的思想开始在他的头脑中萌芽。

我们已经知道，电荷为e/m、初速度垂直于磁力线的一个离子在均匀磁场中运动时，画成一个半径为r=mcυ/eB的圆周，角速度ω=eB/mc与υ和r无关。如果我们在磁场中放一个离子源，在轨迹的一条直径上加一个垂直于B的、以频率v=ω/2π变化的交变电场，以使得离子在越过该直径时被加速，这样就可以实现多次加速。离子每次通过电场时，都得到一定的能量，这个能量乘以离子穿过该直径的次数即为最后得到的能量。把两个呈字母D形的盒子相对放置，就可得到具有上述特性的电场，具有这种形状的盒子叫做D形盒，D形盒上加有频率为v的交变电压，整个系统放在一个真空室内（图11.6）。

离子每次通过D形盒里的间隙时，它接受的能量为eV，这里V为D形盒间的电位差。离子的轨道为从源点开始的螺旋线。离子在螺旋线的末端偏转到一个通道内，通过这个通道，离开真空盒。由于利用了多次加速的原理，仪器中的电位差，和一次加速时得到相同能量所需要的电位差相比，就显得微乎其微了，因而避免了高压带来的困难，这具有不可估量的技术价值。

也许，在劳伦斯想到回旋加速器时，这种想法在当时已并不完全新奇了，但在N.E.爱德勒夫逊（N.E.Edlefson）和M.S.利文斯顿及其以后的一系列合作者的帮助下，劳伦斯把这种想法付之现实的热情和坚定性，却是前人从未有过的。劳伦斯在他的余年，建造了一系列能量不断增加的回旋加速器和其它类型的加速器，这个过程就象G.马可尼试图不断增加通讯距离的情况一样。

劳伦斯需要资金和技术支援。他曾向私营企业和基金会寻求了资金援助，至少在最初几年里，他得不断向他们强调指出：回旋加速器可以用于医疗领域，以期得到他们的支持，当然，对于他自己的人道主义抱负来说，医疗事业也是一个非常可贵的领域。由于劳伦斯对工作极其热情而且富有感染力，也由于他的事业已经取得了明显的成功，还由于30年代不少物理学家正受到失业的威胁，因而使劳伦斯能成功地取得技术援助。劳伦斯本人是非常慷慨的，他不仅让别人使用他的机器，还为远近的科学家们提供回旋加速器产生的放射性物质，而且对那些他曾经为之提供过必不可少的技术手段、因此间接地作出了巨大贡献的工作，他却从不想从中取得丝毫荣誉。他也乐意向打算建造回旋加速器的人们提供蓝图和各种帮助。

他很快就发现，寻求技术力量比寻求具有领导能力的人要容易些，所以他把他的管理才能全部集中于含义很广泛的组织工作上，而几乎把所有的技术工作都留给他的合作者去完成。由于他的实验室对一群年轻有为的物理学家很有吸引力，所以他能吸收一些杰出的人物。对他们，他进行细心的观察，并冷静地作出判断，让他们为了实验室的利益而充分发挥各自的独特才能。因此，他让他们在工作中有相当的自由，但却要求他们对工作应具有无限的献身精神。对技术问题，他总是非常乐观的。他相信，凭着蛮力可以解决许多加速器问题；或者，换句话说，坚韧不拔可以找到解决难题的办法。一次，劳伦斯曾建议对回旋加速器的极部作一定的修改，并作了实验调整，但结果却是否定的，而他却说：“好极了！尽管它破坏了束，但我们就要作相反的改变，而这将会改善它的性能。”(https://www.daowen.com)

一段时间里，他集中了一批第一流的科学家，他们后来都成了加速器的专家，其中有M.S.利文斯顿、E.麦克米伦（E.McMillan）、L.阿耳瓦雷茨（L.Alvaraz）、R.桑顿、D.库克塞（D.Cooksey）、W.布罗贝克和R.R.威尔逊（R.R.Wilson）。事实上，第一代的加速器建造者们大部份都是在伯克利的辐射实验室（现在叫劳伦斯·伯克利实验室）中培养出来的。D.库克塞（1892～1977）是其中特别突出的一个。他是个家资殷富，完全不用靠薪金的人，耶鲁大学的物理学博士。库克塞很早就看出了劳伦斯的才能，并用他的毕生精力来帮助他。他钦佩并了解劳伦斯，非常喜欢他。他给予了劳伦斯各方面的支持——技术的、财政的和人员等多方面的援助。他对事业的献身精神和忠诚是无限的，完全无私和丝毫不引人注目的。在劳伦斯的事业获得的成功中，他起了极大的作用。

第一个回旋加速器的直径只有几英寸，离子在其中回旋的玻璃真空室可以放在一只手中。后来建造的一个加速器稍大一些，于1930年运行成功。用回旋加速器实现的第一个蜕变是在1932年报道的。1936年我第一次到伯克利时，那里已经有一台37英寸的回旋加速器了，这是用联邦电话公司多余的磁铁建造的，它能生产强放射性同位素源（图11.7）。1939年建造了一台60英寸的回旋加速器（图11.8）。这些加速器都曾用于重要的物理或化学研究中。

30年代初，劳伦斯曾试验过用回旋加速器研究核物理。他得到的结果中，有些是错误的，卡文迪许实验室的物理学家们不同意他的论点，他就围绕这个问题和他们进行过长时间的通信探讨。这件事可能是使他以后差不多只专注意机器开发的主要原因。对科学进步来说，这是一个明智的决定，因为这个领域正是劳伦斯真正擅长的领域。不管怎么说，他此后就基本上只对回旋加速器的性能感兴趣了，而很少注意加速器在科学上的应用。在伊·居里和约里奥发现人工放射性前一、二年，劳伦斯就已经在用回旋加速器制造放射性物质了，其制造的数量比约里奥-居里夫妇所观察到的人工放射物质要大几千倍。但是，他根本没有注意到放射性这时已经包围了他。后来，在裂变上也发生了同样的情况。劳伦斯虽然对科学研究有兴趣，但他并不打算为了研究原子核而放弃进行加速器开发，他的机器的大部份时间用于维护、改进和进行医疗研究，所以他不可能把技术、智力和机器集中用于原子核领域的研究。

劳伦斯周围的年轻物理学家，对他不懈地致力于发展加速器不以为然，一有机会，他们就几乎是偷偷摸摸地把回旋加速器用于科学研究。

回忆起来，我认为劳伦斯工作目标的单一性，对实现机器的成功开发是非常必要的。在其它一些实验室中，在那里的回旋加速器建成后，物理学家们总想尽快地把它们用于科学研究，但结果却适得其反。这往往总是因为这些机器经常要维修，不能持续运转，而且也很难找到对两个领域都十分熟悉的人员。只有那些比那时已有的实验室大得多的、资源雄厚的实验室，才能同时实现上述两个目的。

辐射实验室的组织，和一般的大学实验室很不一样。因此，早在1932年，大学的董事们就把它看作是独立于物理系的一个单位了。尽管不可避免地会有些相互猜忌和摩擦，但辐射实验室和物理系之间的关系，总的来说还是能和平共处的，甚至可说是真诚相处的，因而双方都从中获益非浅。

辐射实验室的财政来源，基本上都是由劳伦斯一个人负责解决的，这对他来说，确是个十分头痛的问题。资金短缺、财政窘迫，使得劳伦斯不得不经常离开伯克利，花很多时间来寻找资助者，进行游说。劳伦斯极其善于社交活动，可能他也感到自己适合进行这种活动。他的个性和乐观主义、他所取得的成功及他对实现他的主张所采取的极其负责的态度，都给他的资助者们留下了极其深刻的印象。该实验室就是在这样经济拮据的条件下开展工作的，因此它十分注意节约一切可能节约的开支。