§ 14. Ускорители ближайшего будущего

Существующие способы ускорения частиц позволяют рассчитывать на достижение в ближайшие годы энергии 100 Бэв. Чтобы подняться еще выше по энергетической "лестнице", нужны какие-то новые пути, новые идеи.

Над проблемой создания более мощных ускорителей работают ученые многих лабораторий различных стран. Остановимся на исследованиях двух групп советских физиков. Возможно, что в результате развития этих работ техника ускорителей сумеет продвинуться вперед.

Известно, что в циклических ускорителях энергия частиц определяется величиной магнитного поля. Если бы удалось в десятки раз увеличить магнитное поле на орбите ускоряемых частиц, не ухудшая при этом условия фокусировки пучка, то был бы обеспечен и соответственный рост энергии частиц. Попытки получить сильные магнитные поля путем применения безжелезных ускорителей встречают серьезные конструктивные трудности. Совсем иначе предполагает решить эту задачу советский физик Будкер. Согласно его идее, магнитное поле должно создаваться круговым электронным пучком типа образующегося в бетатроне.

Для того чтобы электронный пучок смог выполнять столь непривычные для него функции, он должен заметно отличаться от бетатронного. Прежде всего, число ускоряемых электронов должно возрасти в тысячи раз. Далее, необходимо, чтобы плотность электронов в пучке была огромной - пучок должен сжаться в тонкий шнурок диаметром в несколько сбтых долей миллиметра.

Как этого добиться? Ведь между электронами действуют силы электрического отталкивания. Оказывается, когда скорость электронов близка к скорости света, их взаимное отталкивание заметно ослабевает (в γ² раз, где ). Чтобы полностью ликвидировать отталкивание электронов, в пучок добавляется небольшое количество положительных ионов. Возникающее в пучке излучение электронов приводит к появлению сил, сжимающих пучок. Но излучение вызовет и снижение энергии электронов. Чтобы этого не происходило, накладывается небольшое бетатронное ускоряющее магнитное поле. По-видимому, подобный электронный пучок представляет собой устойчивое и весьма долговечное образование. Поэтому он и назван автором стабилизированным электронным пучком.

Поток электронов с энергией 15 Мэв при токе в 1000 ампер создает колоссальное магнитное поле в 50 000 эрстед вблизи поверхности пучка. На оси пучка, на расстоянии всего 0,04 мм от его поверхности, действует только внешнее магнитное поле, составляющее 500 эрстед. Вот это огромное, очень быстро спадающее по радиусу магнитное поле и предполагается использовать для ускорения протонов. Для этого протоны надо будет впустить внутрь электронного пучка и ускорять с помощью резонансного устройства обычного типа. Протоны будут вначале вращаться по оси пучка, а затем, с ростом энергии, все ближе к его поверхности. За время ускорения до энергии в 1 Бэв радиус орбиты протонов возрастает всего на 0,04 мм.

Интересно, что в подобном ускорителе будет осуществляться сверхсильная фокусировка протонов, в тысячу раз превосходящая фокусировку в сильнофокусирующих ускорителях. Объясняется это специфическими условиями движения частиц внутри электронного пучка в условиях очень сильно нарастающего по радиусу магнитного поля (n~10⁶). Пучок из электронов и положительных ионов как бы скреплен собственными электрическими и магнитными полями. Перспективы предлагаемого способа ускорения поясняет следующий пример. Ток электронов в 10 тысяч ампер, вращающийся по орбите с радиусом в 3 м при энергии электронов в 15 Мэв позволит ускорить протоны до энергии 100 Бэв. Основная трудность в осуществлении нового метода заключается в получении большого тока энергичных электронов. Пока достигнуты лишь первые результаты: ток электронов с энергией 3 Мэв составляет 10 ампер.

Совершенно новые методы ускорения разрабатываются в настоящее время В. И. Векслером и его сотрудниками. Во всех существующих ускорителях частицы приобретают энергию в электрическом поле, создаваемом внешним источником. Напряженность ускоряющего поля практически не зависит от числа ускоряемых частиц. Естественно, что при этом ускорение каждой отдельной частицы не связано с количеством ускоряемых частиц.

Особенность нового метода, предложенного В. И. Векслером, заключается в том, что электрическое поле, ускоряющее частицы, возникает в результате взаимодействия малой по геометрическим размерам группы ускоряемых частиц с другой группой зарядов или с электромагнитной волной.

При этом оказывается, что в ряде случаев величина ускоряющего электрического поля пропорциональна числу частиц. Отсюда и происходит название метода - когерентный, взятое из оптики, где когерентными называются колебания, происходящие с постоянной разностью фаз, и когда каждый из двух когерентно работающих источников излучает в два раза больше энергии, чем при отсутствии соседа.

F Существует несколько вариантов применения когерентного метода ускорения. Рассмотрим один из них. Пусть у нас имеется пучок релятивистских частиц с общей массой М₁, падающей на сгусток покоящихся частиц с массой М₂. Можно показать, что если выполняется условие M₁>>M₂γ то неподвижному сгустку будет передана огромная энергия, равная М₂с²*γ². Так, если релятивистский пучок большого числа электронов с энергией 50 Мэв (γ=10²) налетает на неподвижный сгусток протонов, то каждый протон может приобрести энергию, равную 10⁹*(10²)²=10¹³эв. В этом методе основная трудность состоит в получении сгустков, содержащих огромное число частиц, чему препятствует куло-новское отталкивание зарядов в сгустке. В настоящее время отдельные стороны нового метода тщательно изучаются.

Здесь были кратко рассмотрены основные виды ускорителей заряженных частиц. Дальнейшее развитие науки и техники, без сомнения, приведет к созданию новых, еще более совершенных установок, которые помогут человечеству в овладении силами природы.