一位國家實驗室的開拓者與第一部迴旋加速器

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， 即是有名的迴旋加速器。 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， 然後讓它們反復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。

第一部迴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（譯者注：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閒置的建築物， 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 桌上迴旋加速器

勞倫斯迴旋加速器的發展（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

珀，自由業；楊信男，臺灣大學物理系，Email: snyang@phys.ntu.edu.tw）

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

珀，自由業；楊信男，臺灣大學物理系，Email: snyang@phys.ntu.edu.tw）