迴旋加速器

假設你想給粒子很多次推力，卻沒有放下一條一公里長走廊的空間。迴旋加速器用的巧妙辦法，是讓粒子繞圈走，這樣它就能一次次經過同一個加速間隙。迴旋加速器由歐內斯特·勞倫斯於 1930 年發明，是第一台把粒子路徑盤成緊湊螺旋的機器，它的後代至今仍在醫院和實驗室裡運轉。

它是這樣工作的。一塊磁鐵讓整台機器充滿穩定的豎直磁場，把任何帶電粒子的路徑都彎成圓。中間有一個由振盪電場供能的加速間隙。粒子每穿過間隙一次就被踢一下、加快一點；速度變快後，它甩到稍大一些的圓上，於是路徑從中心向外畫出一條越來越寬的螺旋。讓最簡單的迴旋加速器能工作的那個美妙巧合是：對於給定的磁鐵，不管圓有多大，繞一圈所需的時間都保持不變——所以一個固定節奏的電場會自動與粒子保持精準合拍。

這個優雅的巧合也是迴旋加速器的天花板。一旦粒子接近光速，相對論會使它實際上變重，計時就會失準，簡單的迴旋加速器便跟不上節奏。補救辦法是有的（讓磁場或節奏隨之變化），但要達到真正的高能量，物理學家轉向了同步加速器。儘管如此，迴旋加速器在中等能量上仍是主力：它們是製造 PET 醫學掃描和許多癌症治療所用短壽命放射性同位素的標準機器。