Fencing 543 - 擊劍ㄛ四三

迴旋加速器與高能物理有何關係？

電子、質子、中子都是基本粒子，如果有一束帶負電的電子或帶正電的質子具有很高的能量，將此束高能量的粒子撞擊原子或原子核，可能就會使原子核會分裂，分裂的結果就可以探究原子核的基本組成與基本構造；目前得知原子核是由質子和中子組成，同時質子和中子由更小的夸克 (quark)與膠子(gluon) 所組成。

那麼要如何產生一束帶有很高能量的質子，或稱高能質子束呢？

有一個很聰明的解決方法，想想看，質子帶正電，當質子移動時就有如電流在流動，那麼先讓質子束通過正負電極的電位差加速，再外加磁場，使得這質子束會因電磁作用力的關係迴轉回來，一旦質子束迴轉回來，又要通過剛才的正負電極的電位差，再加速，又因電磁力作用再迴轉回來，如果能使這 質子束來回形成圓形的迴轉圈，並且來回不停轉動數千次，結果這質子束最後就帶有 非常大的能量，這就是實驗研究所需的高能質子束。

圖 1左是從上往下看到的迴旋加速器 設計，其中質子沿著曲線迴轉，而此兩個 D 形電位震盪器中間有一道空隙，同時兩 個 D 形之間的電場會來回改變電位差，不僅如此，此兩個 D 形電位震盪器 上方還有往下方 向的磁場。現在 有一個帶正電的 質子從中間射入 此迴旋加速器， 使得質子開始朝 向負極 D 形的一 端加速前進，一 旦質子進入一個 D 形艙中，兩個 D 形的電位差立 刻反轉，結果造成此質子迴轉朝 向另一個 D 形艙 前進；這樣不斷 的進行質子迴轉 動作，直到質子獲得更多能量，且迴轉半徑會加大，直到質子到達邊緣，經由導流板 (deflector plate) 導引射出迴旋加速器。

圖1：勞倫斯與利文斯頓首先成功建造迴旋加速器設計的原圖。

( 圖片來源：http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cyclotron_patent.png)

(本文節錄自：吳健雄博士的物理實驗與迴旋加速器的關係)