§11. Синхрофазотрон

Ускорение тяжелых частиц в фазотроне, принципиально, можно осуществлять вплоть до очень высоких энергий. Однако имеются причины, которые заставили остановиться на сравнительно скромной энергии, не превышающей одного Бэв. Причины эти "веские" в самом буквальном смысле слова. Вес магнита фазотрона увеличивается пропорционально кубу энергии. Поэтому, чтобы построить фазотрон, например на 3 Бэв, пришлось бы изготовить магнит весом в 300 000 тонн. Экономическая и техническая нецелесообразность такого ускорителя - очевидны.

Вспомним синхротрон. Он обладает сравнительно с бетатроном нетяжелым магнитом потому, что в нем удается ускорять электроны в узком кольце. Нельзя ли и тяжелые частицы заставить вращаться в магнитном поле не по разворачивающейся спирали, а по узкой дорожке? Электроны в синхротроне движутся по окружности постоянного радиуса, потому что их скорость почти равняется скорости света. Скорость же тяжелых частиц непрерывно растет с увеличением энергии. Поэтому частота их обращения при постоянном радиусе орбиты тоже будет расти. Следовательно, для сохранения резонанса при постоянстве радиуса орбиты частицы необходимо обеспечить увеличение частоты ускоряющего электрического поля. Таким образом, ускорение тяжелых частиц в кольцевом ускорителе требует не только увеличения магнитного поля на орбите частиц, что следует из формулы

но также и увеличения частоты электрического поля. Ускорители подобного типа получили название синхрофазотронов. Известно, что в фазотроне не обязательно придерживаться одного определенного закона изменения частоты электрического поля. Ионы послушно подчиняются любому, не слишком быстрому изменению частоты. Иное дело в синхрофазотроне. Здесь, чтобы удержать ионы на постоянной орбите, частота электрического поля в процессе ускорения должна всегда равняться собственной частоте обращения иона. Стоит частоте внешнего поля несколько отклониться, например сделаться больше собственной частоты протонов, как орбита их начнет уменьшаться, грозя задеть внутреннюю стенку ускорительной камеры. Объясняется это свойством автофазировки: частота частиц следует за изменением внешней частоты, а увеличение собственной частоты при данной скорости протонов происходит за счет уменьшения радиуса их орбиты. Следовательно, изменение частоты должно строго следовать за изменением скорости частицы. Но фиксировать скорость трудно. Гораздо легче следить за изменением магнитного поля, которое благодаря автофазировке целиком определяет увеличение скорости иона. Поэтому в синхрофазотронах разработана система, при помощи которой частота электрического поля с большой точностью следует за изменением магнитного поля.

К настоящему времени частицы с наибольшей энергией получены на синхрофазотронах. Уже работают три гигантских ускорителя этого типа. Первый из них, рассчитанный на ускорение протонов до энергии 3 Бэв, был назван "космотроном". Это название подчеркивало тот факт, что скорости искусственно разогнанных частиц сравнимы со скоростями космических лучей. Синхрофазотрон на 10 Бэв построен в Советском Союзе и передан Объединенному институту ядерных исследований. В марте 1957 г. на этом ускорителе были получены протоны расчетной энергии. Совершим мысленную поездку в г. Дубну под Москвой и познакомимся с одним из интереснейших сооружений нашего времени. В нем гигантские размеры сочетаются с исключительной точностью сборки, с замечательной продуманностью отдельных узлов и агрегатов. Тысячи людей вложили свой труд в создание этого грандиозного сооружения. Мы подходим к большому круглому зданию, расположенному в сосновом лесу (рис. 49). Первое, что сразу бросается в глаза при входе в здание,- огромный, состоящий из отдельных секций, электромагнит (рис. 50). Вес его - 36 000 тонн. Магнит набран из отдельных изолированных друг от друга стальных листов толщиной 1 и 4 см. Несмотря на то, что магнитное поле нарастает от нуля до максимального значения сравнительно медленно - за 3,3 секунды, делать магнит из сплошного металла нельзя. Электромагнит ускорителя не является замкнутым кольцом - он состоит из четырех секций - квадрантов - отодвинутых друг от друга. Соответственно и орбита протонов получается не круговой, а комбинированной, состоящей из дуговых (90°) и прямолинейных участков (рис. 51). Как показали предварительные теоретические расчеты и испытания на моделях, движение по таким орбитам является вполне устойчивым.

Рис. 49. Общий вид здания, в котором размещается синхрофазотрон Объединенного института ядерных исследований на 10 Бэв

Рис. 50. Часть магнита синхрофазотрона на 10 Бэв

Рис. 51. План ускорителя

Зачем в синхрофазотроне нужны прямолинейные участки, свободные от действия магнитного поля? В первую очередь для облегчения впуска частиц. В отличие от других ускорителей, в синхрофазотрон впускаются уже сравнительно быстрые частицы. В синхрофазотрон поступают протоны, предварительно ускоренные сначала в высоковольтной трубке до 600 кэв, а затем в линейном ускорителе до энергии 9 Мэв. Делается это для того, чтобы сократить диапазон изменения высокой частоты. Скорость, а за ней и частота увеличиваются здесь более чем в 8 раз (от 182 кгц до 1,5 Мгц). Если же начинать ускорение внутри ускорителя с малых энергий, то потребовалось бы технически неосуществимое изменение частоты.

Разместить оборудование для внешнего впуска при расстоянии между полюсами, составляющем всего 40 см, очень трудно. Наличие прямолинейного промежутка значительно облегчает сложную задачу ввода частиц в ускоритель. Перед тем как попасть в фазотрон из линейного ускорителя, протоны проходят десятиметровый путь по вводной системе, состоящей из магнитных корректоров, поворотного магнита и магнитной линзы (рис. 52). На этом пути пучок протонов фокусируется и поворачивается на 75 градусов. "Впрыскивание" протонов в камеру происходит в момент, когда магнитное поле достигает 150 эрстед. Ошибиться с впуском нельзя даже на миллионные доли секунды! Магнитное поле другой величины завернет протоны на внутреннюю или на внешнюю стенку вакуумной камеры. Особенно точным должно быть выдержано направление впускаемого пучка, оно корректируется с точностью до сотых долей градуса! В двух других прямолинейных промежутках помещаются пролетные трубки - ускоряющие электроды - связанные с генератором высокой частоты. За один оборот протоны в среднем приобретают сравнительно небольшую энергию в 2200 электрон-вольт. Но таких оборотов по орбите длиной в 200 м протоны за время нарастания магнитного поля до 13 000 эрстед сделают около 4,5 миллионов! Всего за 3,3 сек протон проходит путь длиной в 900 000 км, т. е. в два с лишним раза больше расстояния от Земли до Луны. Весь этот длинный путь совершается в вакуумной камере. Сечение камеры составляет 2 м в ширину и 36 см в высоту. Вакуумная камера синхрофазотрона-двойная. Наружная камера образуется полюсными башмаками магнита, уплотненными текстолитом и резиной. В этой камере поддерживается давление в 1 мм рт. ст. Внутренняя камера выполнена из листов нержавеющей стали, чуть толще лезвия безопасной бритвы с уплотнением из специальной резины и в ней поддерживается давление 0,00001 мм рт. ст. Глядя на большое сечение камеры - в ней свободно может улечься человек высокого роста-можно подумать что не так уж трудно обеспечить успешное движение по ней протонов. Однако это не так. Существенной является не ширина камеры, а ее отношение к радиусу орбиты оно составляет всего четыре процента.

Рис. 52. Вводная система, по которой протоны попадают из линейного ускорителя в ускорительную камеру синхрофазотрона

Прежде чем строить огромный ускоритель, физики провели сложнейшие теоретические расчеты. В них было детально рассмотрено движение протонов с момента впуска до конца ускорения. Поведение частиц оказалось очень сложным. Во-первых, они участвуют в движении по равновесной орбите с резонансной частотой Другое движение частиц-это колебания около равновесной орбиты, связанные с автофазировкой частиц Эти радиально-фазовые колебания-медленные, период их в тысячу раз больше периода обращения частиц Благодаря радиально-фазовым колебаниям протоны движутся по "мгновенным" орбитам. Наконец, существует третий вид колебании частиц - свободные или бетатронные Они происходят при отклонении частиц от орбиты при впуске в ускоритель, при рассеянии на остатках газа или по другим причинам. Под действием фокусирующих сил свободные колебания быстро затухают Расчеты теоретиков позволили выбрать оптимальные условия впуска, форму магнитного поля, выяснить причины возможных потерь частиц. Были определены наилучшие параметры ускорителя, в частности размеры дорожки, по которой движутся протоны. Чтобы добиться движения по такой дорожке, огромный магнит собран с точностью до долей миллиметра! Специальные корректирующие обмотки на нем компенсируют искажения, вызванные влиянием остаточного магнетизма и насыщения стали. Связь частоты электрического поля и магнитного поля поддерживается с точностью до 0,1 процента.

Электромагнит синхрофазотрона потребляет огромную мощность в 140 000 киловольтампер. Четыре питающих агрегата снабжены массивными маховиками. В них запасается энергия, необходимая для создания импульса тока в электромагните. К ним же возвращается энергия магнитного поля (за вычетом потерь на тепло) при его спадании. Преобразование механической энергии в электрическую и обратное преобразование осуществляются при помощи синхронных машин, непосредственно связанных с ионными преобразователями.

На выходе синхрофазотрона получают короткие импульсы протонов, ускоренных до 10 Бэв. Эти импульсы появляются 5 раз в минуту. В следующей главе мы остановимся на некоторых результатах, достигнутых физиками, работающими на синхрофазотронах.