§ 13. Еще одна ступень вверх

На синхрофазотроне получены протоны с энергией 10 Бэв. Нельзя ли подняться к еще более высоким энергиям? Для физики такой рост представляется весьма заманчивым. Помимо увеличения вероятности наблюдения различных редких процессов, подобный рост, возможно, позволил бы найти новые, пока неизвестные процессы в ядрах.

В принципе возможна постройка еще больших синхрофазотронов. Однако стоимость их изготовления и технические трудности были бы крайне велики. Вспомним, что вес ускорителя на 10 Бэв составляет 36000 тонн. Было бы очень важно уменьшить вес магнита. Это можно сделать лишь одним путем, сократив размеры кольца, по которому движутся протоны. Но чтобы сократить рабочую область, необходимо уменьшить всевозможные колебания протонов относительно устойчивой орбиты. Следовательно, нужно резко увеличить фокусирующие силы. Задача получения сильной фокусировки была решена Кристофилосом в Греции, и независимо от него группой американских физиков Ливингстоном, Курантом и Снайдером. Они обнаружили, что фокусирующие силы можно увеличить в десятки раз за счет создания электромагнитов специального вида. Магнит сильнофокусирующего ускорителя (или, как его иногда называют, ускорителя с жесткой фокусировкой) состоит из нескольких десятков отдельных секторов. Для одних характерно быстро спадающее вдоль радиуса магнитное поле, для других секторов, наоборот, поле вдоль радиуса быстро нарастает: показатель спадания n - порядка десятков или даже сотен. Секторы со спадающими и нарастающими полями чередуются между собой. Вспомним, что большое значение n соответствует хорошей фокусировке по высоте, но вызывает дефокусировку в радиальном направлении. Магнит с нарастающим магнитным полем и отрицательным значением n вызовет сильную фокусировку вдоль радиуса, но зато приведет к дефокусировке по высоте. Оказалось, что комбинация из столь различных магнитов является весьма эффективной.

В настоящее время первый сильнофокусирующий ускоритель-синхротрон на 1,2 Бэв уже успешно работает. Любопытны его данные. Вес магнита составляет всего 20 тонн. Сечение ускорительной камеры очень невелико: зазор между полюсами равен 3 см, а ширина камеры -7 см, при радиусе орбиты 4 м. Заметим, что показатель спадания магнитного поля взят для начала небольшим (n = 20). Изучение работы ускорителя показало, что даже столь малое рабочее пространство большую часть цикла не используется. Уже при энергии электронов в 100 Мэв пучок сжимается в узкий шнур диаметром в 1 мм. Ускорители с сильной фокусировкой требуют огромной точности сборки, поэтому наладка первого ускорителя длилась более полутора лет. В настоящее время в различных странах строятся несколько ускорителей с сильной фокусировкой, рассчитанные на энергию частиц 25-50 Бэв.

В конце 1959 г. в Женеве был запущен синхрофазотрон, ускоряющий протоны до энергии 30 Бэв, построенный при участии ряда европейских стран. Магнит этого ускорителя установлен на специальном фундаменте - бетонном кольце, укрепленном на забитых в скальный грунт стальных сваях длиной по 18 м. Такая конструкция должна обеспечить точность установки магнита в 1 мм при радиусе его в 100 м. Сечение ускорительной камеры составляет 8*16 см. На рис. 57 изображен поперечный разрез синхрофазотрона в Женеве на 30 Бэв (А - электромагнит, В - ускорительная камера, К - ускорительный элемент, Е - устройство для подвески цоколя, F - опоры, L - магнитная линза).

Рис. 57. Поперечный разрез синхрофазотрона на 30 Бэв

В СССР закончено проектирование ускорителя, рассчитанного на получение протонов с энергией 50-60 Бэв. Длина ускорительной камеры составит около полутора километров. Одним из серьезных недостатков ускорителя с сильной фокусировкой нужно считать существование критической энергии Е_кр. При достижении протонами энергии Е_кр исчезает автофазировка частиц. Правда, при дальнейшем росте энергии автофазировка возникает вновь, но переход через Е_кр представляет собой сложную техническую проблему и связан с потерей частиц.

Но, по-видимому, и сильная фокусировка не позволит подняться до энергии свыше 100 Бэв. Очень хорошо иллюстрирует ограниченные возможности применяемых можности применяемых ныне ускорителей следующий пример. Чтобы на синхрофазотроне получить частицы с энергией, близкой к максимальной, встречающейся в космических лучах (10¹⁶эв), его магнит должен опоясать Землю вдоль экватора. Значит, дальнейшее увеличение энергии ускоренных частиц требует новых методов ускорения. О некоторых идеях в этой области будет рассказано в конце этой главы.

Быстро ли продвигается наука по пути искусственного получения частиц высокой энергии? Построим график, на котором по горизонтальной оси отложим год запуска ускорителя, а по вертикальной оси - наибольшую энергию частиц, разогнанных на нем. Линия, соединяющая отдельные точки, на графике поднимается столь круто, что энергию приходится откладывать в логарифмическом масштабе (рис. 58). Если бы такой головокружительный рост продолжался и дальше, то к 1990 г. был бы создан ускоритель на 10¹⁶эв. Но что происходит с интенсивностью пучков ускоренных частиц? Отложим на том же рисунке справа по вертикальной оси, также в логарифмическом масштабе, ток, полученный в ускорителе. Мы получим зависимость, подобную первой, но стремительно падающую вниз. В циклотроне токи составляли миллиамперы, в фазотроне и линейном ускорителе микроамперы, а в синхрофазотроне - миллимикроамперы. Если закон изменения интенсивности в ближайшие годы не изменится, то в ускорителе на 10¹⁶эв будет ускоряться всего 2 протона в час! В таком случае ускорители потеряют свое основное преимущество перед космическими лучами - высокую интенсивность пучка. Вот почему сейчас во многих лабораториях предпринимаются попытки поднять интенсивность ускорителей. В частности, предполагают в десять и более раз повысить предельную энергию ионов в циклотроне, где достигнута наибольшая для циклических ускорителей интенсивность. Можно сконструировать магниты, обладающие полюсами специальной, довольно сложной формы. Советские физики Е. М. Мороз и М. С. Рабинович предложили сделать магнит циклотрона разрезным, состоящим из секторов клинообразной формы. Тогда часть времени частицы будут находиться на участках, где магнитное поле отсутствует. Подбирая соответствующим образом форму секторов, можно добиться постоянства периода обращения частицы с увеличивающейся массой.

Рис. 58. График изменения энергии и интенсивности ускоренных частиц

На рис. 59 показан предложенный Е. М. Морозом ускоритель с постоянным магнитным полем и соприкасающимися орбитами.

Рис. 59. Схема ускорителя с постоянным магнитным полем и соприкасающимися орбитами

Весьма многообещающей с точки зрения увеличения интенсивности является идея создания ускорителей с кольцевыми магнитами постоянного тока и сильной фокусировкой, выдвинутая несколько лет назад в Советском Союзе А. А. Коломенским, В. А. Петуховым и М. С. Рабиновичем и, позднее, американскими физиками Симоном и Керстом. В этих ускорителях удачно сочетаются преимущества применения постоянного магнитного поля (простота и большая интенсивность) с выгодой использования кольцевых ускорителей (меньший вес и стоимость). Рассмотрим принцип работы одного из подобных ускорителей - кольцевого фазотрона. Его магнитная система (рис. 60) состоит из отдельных секторов с очень сильно изменяющимся вдоль радиуса полем. В отличие от описанных выше ускорителей с сильной фокусировкой, в которых нарастающее поле чередуется со спадающим, в кольцевом фазотроне магнитное поле сохраняет вдоль радиуса свое направление. От сектора к сектору меняется лишь знак магнитного поля (если в одном секторе поле направлено вниз, то в следующем за ним оно направлено вверх). Благодаря этому на соседних участках центры кривизны отрезков орбит частиц лежат по разные стороны орбиты. Если относительно одного из них (O₂) поле будет нарастать по радиусу (n₁<0), то относительно следующего центра (02) оно будет спадать (n₂>0). Таким путем в кольцевом фазотроне обеспечивается создание сильной фокусировки. Введение участков с обратным направлением поля ведет к удлинению орбиты в два-три раза, что является недостатком ускорителя. В кольцевом фазотроне со спадающим от центра кольца магнитным полем ("обращенный" вариант) удается избежать серьезной трудности сильнофокусирующих ускорителей, связанной с критической энергией (E_кр). В кольцевом фазотроне критическая энергия вообще отсутствует.

Рис. 60. Принцип работы кольцевого фазотрона

Совсем недавно был предложен новый способ получения частиц высокой энергии. Проблема получения пучков большой интенсивности является особенно важной с точки зрения этого предложения. Представим себе два пучка частиц большой энергии, движущиеся навстречу один другому (рис. 61). Пусть энергия частиц в пучках одинакова и равна m₀с²γ, где Рассмотрим столкновение пучков в системе координат, связанной с одним из пучков, т. е. в такой системе, в которой частицы этого пучка неподвижны. Из теории относительности следует, что в этой системе координат энергия налетающих частиц второго пучка будет очень велика и равна 2m₀c²γ². Так, при столкновении двух пучков протонов, ускоренных до 10 Бэв и двигавшихся навстречу друг другу, будут происходить процессы, аналогичные тому, как если бы на неподвижную мишень падали протоны с энергией 200 Бэв. Замечательная возможность повышения энергии частиц, к сожалению, еще не может быть использована из-за ничтожной вероятности столкновения частиц двух пучков. Ведь в любой твердой мишени число ядер в миллиарды раз больше, чем в пучке. Поэтому, необходимо значительное повышение интенсивности пучка. Недавно в одном из журналов появился остроумный проект, в котором предпринята попытка обойти трудность, связанную с недостатком интенсивности. Автор предлагает собирать протоны, ускоренные в сотнях последовательных циклов на синхрофазотроне 3 Бэв. Для этой цели предназначены накопительные кольца - постоянные кольцеобразные магниты (А и В), расположенные вблизи от основного ускорителя (рис. 62). Специальная отклоняющая система должна посылать протоны поочередно то в один, то в другой магнит; после нескольких секунд накапливания (ускоритель делает 20 циклов в секунду) произойдет столкновение.

Рис. 61. Столкновение встречных пучков

Рис. 62. Синхрофазотрон с накопительными кольцами

Очень простая и заманчивая на первый взгляд идея является одновременно сложной технической задачей.

В заключение следует указать на еще одно направление в конструировании ускорителей, хотя оно вряд ли позволит повысить энергию частиц. Во всех циклических ускорителях, о которых до сих пор шла речь, магнитное поле создавалось при помощи магнитов, выполненных из железа. Ввиду этого магнитное поле на орбите ограничивалось значением примерно в 15 000 эрстед, так как при больших полях происходит насыщение железа. Но хорошо известно, что магнитное поле можно создать и без железа. В этом случае его величину можно поднять до 100 000 эрстед и выше. Несколько подобных безжелезных ускорителей было создано в различных странах. В одном из них, безжелезном синхротроне на 300 Мэв, магнитное поле создается мощными токами. Наибольшая трудность при создании таких магнитов заключается в компенсации огромных механических усилий в проводниках. В настоящее время в Австралии сооружается безжелезный синхрофазотрон на 10 Бэв. Магнитное поле на орбите амплитудой в 80 000 эрстед создается при прохождении по проводникам тока в 6 млн. ампер. Интересно, что при этом механические усилия в обмотках достигают 16 тонн на сантиметр длины.