回旋加速器

假设你想给粒子很多次推力，却没有放下一条一公里长走廊的空间。回旋加速器用的巧妙办法，是让粒子绕圈走，这样它就能一次次经过同一个加速间隙。回旋加速器由欧内斯特·劳伦斯于 1930 年发明，是第一台把粒子路径盘成紧凑螺旋的机器，它的后代至今仍在医院和实验室里运转。

它是这样工作的。一块磁铁让整台机器充满稳定的竖直磁场，把任何带电粒子的路径都弯成圆。中间有一个由振荡电场供能的加速间隙。粒子每穿过间隙一次就被踢一下、加快一点；速度变快后，它甩到稍大一些的圆上，于是路径从中心向外画出一条越来越宽的螺旋。让最简单的回旋加速器能工作的那个美妙巧合是：对于给定的磁铁，不管圆有多大，绕一圈所需的时间都保持不变——所以一个固定节奏的电场会自动与粒子保持精准合拍。

这个优雅的巧合也是回旋加速器的天花板。一旦粒子接近光速，相对论会使它实际上变重，计时就会失准，简单的回旋加速器便跟不上节奏。补救办法是有的（让磁场或节奏随之变化），但要达到真正的高能量，物理学家转向了同步加速器。尽管如此，回旋加速器在中等能量上仍是主力：它们是制造 PET 医学扫描和许多癌症治疗所用短寿命放射性同位素的标准机器。