勞倫斯與第一部回旋加速器

蕭如珀、 楊信男/譯

譯自APS News，2003 年6 月

原標題：《1931年6月：勞倫斯與第一部回旋加速器》

20 世紀20 年代，美國轉型成為一個以現代科技為基礎的社會，而這也是個人成就輝煌的時代，在科學界，因一位27 歲加州伯克利大學物理教授的努力，開啟了現代多領域國家實驗室的世紀。

勞倫斯（ Ernest Orlando Lawrence）於1901 年8 月出生在美國南達科塔州大草原的一個小鎮，雙親都是挪威的移民。青少年時期的勞倫斯喜歡修理收音機，16 歲時進入明尼蘇達州的聖歐拉夫大學（ St. Olaf College）就讀。1 年後，他轉學至南達科他大學時，有一位電機教授說服他，認為他對於收音機的興趣，會讓他在物理比在醫學方面有更好的發展。1922 年，他以優異的成績畢業後，就到明尼蘇達大學跟隨史旺（W. F. G. Swann）繼續深造，隨後又跟著史旺到芝加哥大學，再隨他到耶魯大學，而於1924 年在耶魯完成他的博士學

位，論文研究光電效應。之後，他續留耶魯當博士後研究員，繼續光電學的研究，並開始研究氣體中的原子受電子撞擊後如何被游離化。

圖1 勞倫斯（右）和李文斯頓（Milton Stanley Livingston 左），大約1933 年所攝

1928 年，勞倫斯獲聘加州大學伯克利分校的教職，還由同校的化學系合聘，讓他可以接觸到不同領域的科學家和學生，這對於他能成為成功的研究員是很關鍵的因素，也成了他日後創立獨特實驗室的模式。

勞倫斯從挪威工程師威德洛（Rolf Wideroe）所發表的論文中得到了靈感，發明了一種獨特的圓形粒子加速器，即是有名的回旋加速器。威德洛的概念是要使用相同電位勢兩次，為了先推後拉離子，將正電位轉換為負電位，即可產生雙倍能量。勞倫斯認為威德洛的直線設計對於輕的原子粒子不實際，因為這樣需要使用長達數公尺的真空管。但這也給了他靈感，研究是否能不只一次地重複多次使用相同的電位勢。他想出了使用磁場將帶電粒子彎曲成圓弧形軌道，然後讓它們反覆地通過相同的加速區域。但這需要許多複雜精密的科技才能達成：一個高真空室，裡面有著以調頻變動的電場，以及可以使粒子維持在同一個水平面的方法。最先建構好的裝置是餡餅狀的，由玻璃、封裝用的蠟以及銅等東西湊成，為了操作方便裡面還放有一個廚房椅子和一個由電線繞成的架子。這個原型證明了此概念是可行的。

第一部回旋加速器的加速腔於1931 年夏天建造完成，它的直徑為4.5 英寸，可以將氫離子加速至80000 電子伏特（譯者註：electron volt，或eV，能量單位，指1 個電子經過1 伏特的電位差所獲得的能量）的能量。他的助理接著建造了一個11 英寸的加速器，越過了1 百萬電子伏特（MeV）的關卡，但勞倫斯早已夢想著要建造一個直徑27 英寸加速腔的加速器，可以達到將近5MeV 的能量（圖1）。由於需要更大的實驗室空間，勞倫斯1931 年8 月時從伯克利大學獲得了位於物理系附近一個閑置的建築物， 他將其重新命名為「 放射線實驗室」

（Radiation Laboratory，簡稱Rad Lab）。

放射線實驗室第一個加速器的27 英寸加速腔很快地就被37 英寸的加速腔所取代，能夠加速的能量為重氫子8MeV，α粒子16MeV。至1936 年止已經可以使用這個機器來製造放射性同位素，以及第一個人造元素鍀（technetium）。勞倫斯還在這時邀他的醫師兄弟約翰也加入實驗室，探究放射性同位素於生物與醫學研究上的用途，終於建造了克羅克實驗室（Crocker Lab），加速腔直徑高達60 英寸，於1939 年開始運轉，同年勞倫斯也因他的革命性裝置獲頒諾貝爾物理獎。

勞倫斯下一個加速器的特點是有一個4000 噸重的磁鐵，以及直徑184 英寸大的加速腔，可以將原子粒子加速到超過100MeV 的能量。為了要放置這部機器以及所需的實驗設備，他因此在附近的查德山丘（Charter Hill）上為放射線實驗室建造了永久的場址，1946 年完工。

圖2 桌上回旋加速器

勞倫斯回旋加速器的發展（圖2）有助於改變我們對於自然的認知，從物質微觀的結構到人體的新陳代謝，從光合作用的過程以至於包括103 元素鐒（lawrencium）等新化學元素的創造。勞倫斯還創建了大科學實驗室的模式，其中有兩個以他的名字命名：一個是勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence

Berkeley National Laboratory），另一個是勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（ Lawrence Livermore National Laboratory）。勞倫斯的實驗室成功地將跨領域的研究方式推進到諸如環境研究、替代能源、天文物理和分子生物等高成效的新領域中。勞倫斯於1958年8 月27 日因慢性結腸炎而過世，享年57 歲。

取材自http://www.aip.org/history/lawrence「The legacy of E. O. Lawrence」

（本文轉載自2011 年6 月《物理雙月刊》，網址：http://psroc.phys.ntu.edu.tw/bimonth/index.php; 蕭如

來源：《現代物理知識》第23卷第3期

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