Пирамиды ядерного века

Глава в которой говорится о гигантских жерлах магнитов, из-рыгающих из себя рой атомных частиц исполинской энергии, О "великом маэстро" и безвестных строителях ускорителей" О том, как миллионы бросались в ненасытные жерла, не способные снабдить необходимой энергией капризные частицы. И о том, как появились две статьи, впоследствии зачитанные до дыр, которые дали ученым удивительное средство для обуздания обитателей микромира.

Пирамиды ядерного века

...Это очень человеческая черта - присваивать одной, яркой и незаурядной личности заслуги, которые правильнее было бы отнести ко многим. Так было с Колумбом - безвестные и известные предтечи его не могут в памяти человеческой претендовать на что-либо, кроме роли персонажей барельефов на памятнике великому мореплавателю.

Так стало и с Лоуренсом. Как Колумб не открыл Америки, так Лоуренс не изобрел циклотрона - ускорителя атомных частиц, который умудрился за короткое время, за счет неутомимого любопытства физиков, вырасти до исполинских, невероятных прежде размеров. До Лоуренса, вместе с Лоуренсом и после него было много талантливых ученых, которые были бы вправе разделить с ним честь открытия. Так, можно было бы упомянуть харьковских физиков, испытавших на два года раньше Лоуренса устройство, напоминавшее циклотрон. Можно упомянуть и многих других. Но спросите любого физика:

"Кто изобрел циклотрон?"

И он ответит без колебаний:

"Лоуренс".

...Человек, который проходил по захламленной территории Калифорнийского университета в 1932 году, мог заметить небольшое, буквально разваливающееся на глазах здание, размещавшееся на пути в учебные химические лаборатории. Из здания доносился натужный вой генераторов, кругом сыпались искры, тлели огоньки в ртутных выпрямителях. Все вокруг было залито светом мощных ламп. Вокруг суетились какие-то люди.

Здесь создавался циклотрон.

Руководил работами Эрнест Лоуренс.

Жизнь Эрнеста Лоуренса напоминает жизнь типичного счастливчика. Да, у Лоуренса были все основания быть счастливчиком. Как и большинство видных физиков своего времени, Лоуренс учился в нескольких университетах - Миннесотском, Чикагском и Йельском. Еще раньше, в школе, его интерес к физике был поддержан профессором Эйкли. В Йельском университете Лоуренс получает степень доктора философии (примерно соответствует нашему кандидату физико-математических наук) за его исключительные способности к экспериментированию. Так, во время обучения в Йельском университете еще в 1925 году он предложил метод цветного телевидения, а позже самостоятельно построил такой цветной телевизор^*; он предложил способ измерения отрезков времени порядка одной миллионной секунды и т. д.

^* (К слову сказать, в 1965 году японскими фирмами выпущен в продажу цветной транзисторный телевизор, работающий на принципе Лоуренса.)

Особый интерес Лоуренса вызывало в то время ускорение ионов. Однажды, занимаясь в библиотеке, Лоуренс прочел статью одного немецкого автора по этому вопросу.

Автор статьи писал о двух вакуумированных трубках, между которыми было электрическое поле. Заряженная частица, перескакивая из трубки в трубку, значительно увеличивала свою энергию.

"А почему бы,- подумал Лоуренс,- не соединить подряд четыре, десять, сто трубок? Тогда мы могли бы в соответствующее число раз увеличить и энергию частицы, может быть, довести ее до такой, которая будет достаточна, чтобы разбить атом?.. Наверное, это возможно... Но тогда установка будет очень длинной - может быть, несколько километров в длину... А что, если свернуть эти трубки в спираль? Тогда они будут умещаться на небольшом пространстве... Но частицы двигаются прямолинейно... как заставить их бежать по спирали?.. Частицы двигаются прямолинейно не всегда,- попав в магнитное поле, частица начинает двигаться по кругу... Значит, нужно применить магнитное поле - разместить эту спираль из трубок между полюсами магнита...

...Так Лоуренс открыл принцип действия циклотрона. Это открытие оказало неизгладимое воздействие не только на всю последующую жизнь Лоуренса, но и на дальнейшее развитие ядерной физики.

Однако идея - это еще не все. И хотя две небольшие модели, построенные сразу же Лоуренсом, показали правильность нового принципа, нужно было довести этот принцип до возможности его практического использования. И вот в течение пяти лет Лоуренс вместе со своими студентами работает над проблемами обеспечения сверхвысокого вакуума, создания мощных высокочастотных генераторов, подбора магнита.

Нужно было спешить. Ускорители того времени уже давали протоны с энергией до 0,8 Мэв (то есть 800 000 электрон-вольт; электрон-вольт - это энергия, приобретаемая электроном под влиянием разности потенциалов в один вольт). Согласно работам

Резерфорда и некоторым выводам волновой механики, протоны с энергией около 1 Мэв должны расщеплять атомы. Честь первым расщепить атом была настолько заманчива, что за нее с колоссальным энтузиазмом боролись несколько всемирно известных лабораторий.

Под руководством Резерфорда работали Кокрофт и Уолтон в Кембридже. Это были самые опасные для Лоуренса соперники. Манера исследования Резерфорда заключалась в максимальной простоте, изяществе и чистоте опытов.

На горе Дженеросо в Швейцарии европейские физики Браш, Ланж и Урбан делали попытки использовать для ускорения протонов молнию - это дало бы им сразу очень значительный перевес над соперниками, поскольку разность потенциалов, которую можно было бы получить с помощью молнии, очень велика и частицы были бы ускорены молнией до 15 Мэв и выше. Исследователи натянули между соседними скалами металлическую сетку. Во время гроз на этой сетке скапливался значительный положительный заряд. Однажды ученым удалось получить искусственную молнию длиной около 5 метров. Это означало, что достигнута энергия 10 Мэв. Однако эта энергия стоила очень дорого - в результате несчастного случая погиб доктор Урбан... Тем не менее гонка за первенство в расщеплении атомного ядра продолжается. И у Лоуренса были все шансы быть первым. Он всегда улыбался, как будто следовал лозунгам, повсюду развешанным в Америке: "Смайл! Улыбайтесь!" Он не признавал никаких препятствий: ни финансовых, ни научных, ни технических. Он игнорировал трудности экспериментального характера и, что гораздо опасней, теоретического характера.

Небольшое деревянное здание, в котором производились первые эксперименты Лоуренса, положило начало грандиозной радиационной лаборатории в Беркли, раскинувшейся над морем на живописных холмах Сан-Франциско, где впоследствии был установлен гигантский фазотрон, на котором было сделано одно из волнующих открытий нашего времени - открытие антипротона.

"Антимир начинается в Беркли",- с гордостью говорили берклийцы следующих поколений, купающихся в славе и долларах.

Но когда Лоуренс приступал к строительству первого циклотрона, у него была только идея, тысяча долларов и уверенность в том, что он все может, не такая уж удивительная для "счастливчика".

Первое, с чего нужно было начинать,- это сделать магнит. Однако такой традиционный подход потребовал бы слишком много времени, и поэтому Лоуренс купил громадный восьмидесятитонный магнит, валявшийся на складе и предназначавшийся ранее для радиопередатчика, который предполагалось установить в одной восточной стране. Однако правительство этой страны не смогло заплатить за радиопередатчик, и гигантский магнит пылился на складе, ненужный и неоплаченный. Лоуренсу удалось приобрести его буквально за гроши.

Каммерлинг-Оннес - голландский физик, открывший явление сверхпроводимости

Отсутствие радиодеталей восполнялось за счет своих старых радиоприемников, "заимствования" бесхозных приемников и радиодеталей, а то и просто путем посещения ближайших свалок.

Механические детали делались самими физиками или, в крайнем случае, заказывались на небольших заводах.

Вакуумная камера первого циклотрона представляла собой смятую лабораторную колбу.

Помогали Лоуренсу в основном студенты. Это, естественно, не было их основным занятием, и поэтому все было направлено на то, чтобы изготовить циклотрон возможно быстрей. Очень часто работы велись ночью и перерыв делался лишь в 4 часа утра, когда уставшие студенты и их руководитель шли перекусить в ближайший ночной ресторан "Белая таверна".

Все в лаборатории делалось только бегом. Лоуренс кипел энергией и оптимизмом - он не замечал мелких неполадок и ошибок и акцентировал внимание на успехах. Казалось, что его высокую и плотную фигуру можно было видеть сразу в нескольких местах. Его звали "маэстро" за виртуозность в эксперименте и абсолютно точные и уверенные советы, которые он давал сотрудникам. В то же время Лоуренс стремился, чтобы каждый работал творчески и разделял радость открытия, которое впоследствии будет приписано только ему одному, великому "маэстро".

В 1932 году первый в мире циклотрон был построен. Он давал пучок протонов с энергией 1,2 Мэв, то есть с лихвой превосходящую ту, при которой атомы могли быть расщеплены. Но было уже поздно...

Кокрофт и Уолтон, ученики Резерфорда, используя принципиально другой метод исследования, имея пучок с энергией всего лишь 0 7 Мэв, уже добились в Кэвендишской лаборатории искусственного расщепления атома...

Это было для Лоуренса жестоким, но полезным уроком. Он решает теперь посвятить свои усилия совершенствованию циклотрона и увеличению энергии частиц, получаемых с его помощью, прекрасно понимая, что с увеличением энергии частиц становятся более ясными вопросы взаимодействия частиц, открывающие путь к познанию законов атома. Открытие сделано, теперь необходимо добиваться систематических и достоверных результатов. Вот что по этому поводу говорил Д. Д. Томсон, который, по выражению П. Л. Капицы, "из всех физиков конца прошлого и начала этого века сделал самые фундаментальные открытия" (он открыл электрон, изотопы) в своей книге "Воспоминания и раздумья":

"...Обычно не первый шаг в открытии нового физического явления стоит больших денег. Так, открытие Рентгеном Х-лучей, или Кюри радия, или продолжительные опыты С. Т. Р. Вильсона над образованием капелек на частицах, заряженных электричеством,- все они стоили ничтожные суммы. Открытия, подобные этим, обязаны тому, что не может быть куплено,- именно остроте и силе наблюдательности, интуиции, непоколебимому энтузиазму до окончательного разрешения всех затруднений и противоречий, сопутствующих пионерской работе. Когда первоначальное открытие сделано, наблюдаемый эффект очень мал и требует целого ряда длительных опытов для получения достоверных результатов. Вот это стремление добиться большого эффекта и стоит дорого. Это может означать затрату многих тысяч фунтов стерлингов для постройки сильных магнитов или же для получения электродвижущих сил во много сотен тысяч вольт, или же для приобретения больших запасов радия. Но все эти деньги хорошо израсходованы, так как они дают нам возможность добиваться новых знаний гораздо быстрее и с большей достоверностью".

Академик П. Л. Капица сделал по этому поводу такое сравнение:

"Когда Колумб отправлялся в экспедицию, результатом которой было открытие Америки, он ехал на простом маленьком фрегате, на лодчонке, с современной точки зрения. Но чтобы освоить Америку как страну, потребовалось построить большие корабли, как "Лузитания", "Титаник", и это полностью себя оправдало".

Если первый циклотрон Лоуренса стоил 1000 долларов, то синхротрон на 6000 Мэв стоил 3000000 долларов, а синхротрон Брукхэйвенской лаборатории на 30 000 Мэв стоил 34 000 000 долларов. Строящиеся машины гораздо дороже. Если при постройке первого циклотрона у Лоуренса было всего несколько помощников-студентов, то впоследствии в радиационной лаборатории штат возрос до нескольких тысяч.

Сам Лоуренс в свои 38 лет стал одним из признанных великих физиков. Один из его друзей в день получения Лоуренеом Нобелевской премии шутливо телеграфировал ему:

"Дорогой Эрнест, ты подаешь некоторые надежды в смысле карьеры..."

Какие же задачи призваны решать столь большие коллективы на этих громадных магнитах, располагающихся в подземных галереях и перевозимых в нескольких железнодорожных составах?

Нам придется отвечать на этот вопрос, начиная издалека.

Член-корреспондент АН СССР Д. И. Блохинцев считает, что в развитии физики XX века можно выделить три этапа: изучение атома, изучение атомного ядра и, наконец, изучение структуры элементарных частиц. Наряду с продолжением второго и первого этапов сейчас начинаются интенсивные исследования на третьем этапе.

Ускорители имеют в этом смысле двоякое назначение: во-первых, при взаимодействии ускоренных частиц с ядрами других элементов возникают новые частицы, некоторые из которых еще неизвестны науке. Во-вторых, ускоренные частицы, согласно представлениям квантовой механики, можно представить как волны определенной длины, причем длина волны тем меньше, чем больше энергия ускоренной частицы. Из физики также известно: с помощью любых волн можно "видеть" лишь те предметы, линейные размеры которых больше длины волны. В противном случае волна "не заметит" препятствия (точно так же, как тоненькая травинка не оказывает сколько-нибудь значительного влияния на распространение волн на воде от брошенного камня). Поэтому для исследования структуры все более мелких объектов микромира необходимо иметь волны с возможно меньшей длиной волны - то есть максимально ускоренные частицы.

Для решения задач, связанных с исследованиями структуры пространства (не обладает ли пространство квантовыми свойствами?) на расстояниях 10^-15 см и меньше, а также структуры времени (может быть, окажется, что и время течет не непрерывно, а некоторыми порциями?) в промежутках, равных 10^-25 сек. и менее, необходимы ускорители частиц на энергию до 1 000 000 Мэв (почти в миллион раз больше энергии, полученной Лоуренеом в 1932 году!). Ускорители, проекты которых докладывались на Международной конференции по ускорителям высоких энергий в Дубне в 1963 году, будут иметь кольцевые магниты диаметром 3-5 километров!! И по-видимому, Академии наук и правительства пойдут на колоссальные расходы, связанные с постройкой таких ускорителей. А открытия ждать себя не заставят.

Многое надеются понять ученые с помощью новых мощных ускорителей:

Почему природа избрала именно водород элементом, из которого синтезированы все остальные?

Почему протон именно в 1640 раз тяжелей электрона?

Есть ли связь между электромагнитными и гравитационными явлениями, а также между теми и другими, с одной стороны, и ядерными "сильными" и "слабыми" взаимодействиями, с другой?

Существует ли в природе "пятая сила", кроме вышеуказанных? Может быть, проявлением этой пятой силы объясняется несохранение четности в некоторых ядерных реакциях?

Существуют ли в природе монополи - частицы, имеющие только один магнитный полюс и эквивалентные электрическим зарядам?

Наконец, существуют ли "бесы" - кварки, из которых, быть может, состоят все "элементарные" частицы?

Все эти вопросы касаюся самых глубин нашего миропонимания.

Летающий магнит

Профессор Роберт Оппенгеймер, в свое время глава американского атомного проекта, не исключает, что в процессе экспериментов на таких грандиозных ускорителях могут быть сделаны просто потрясающие открытия.

Кто сказал, что причина всегда предшествует следствию?

"Неизвестно, будет ли иметь смысл традиционное причинное описание событий, то есть описание, при котором будущее зависит от прошлого непрерывно прослеживаемым образом. В хорошо изученных областях энергии не замечено ничего, что делало бы такие представления о пространстве, времени и причинности неправильными. Высокий уровень энергии запланированных ускорителей поможет разрешить эти вопросы". И энергия ускорителей непрерывно увеличивается. Средний темп - в 10 раз за каждые шесть лет.

Такой фантастический рост энергии частиц стал возможен лишь после того, как в 1944 году в журнале "Доклады Академии наук СССР" появились три статьи, подписанные неизвестным еще мировой науке именем: В. И. Векслер.

Примечательна судьба этого человека. Сирота, бывший беспризорник, коротавший время у асфальтовых чанов близ Хитрова рынка, потом воспитанник коммуны имени Коминтерна и комсомольский вожак, он становится одним из авторитетнейших физиков нашего времени. Его недавняя смерть была тяжелым ударом для мировой физики.

...Упоенные успехами Лоуренс и его помощники сразу же после запуска первых циклотронов заложили новую гигантскую машину - циклотрон-мамонт, циклотрон-гигант, циклотрон-монстр. На постройку его были выделены колоссальные средства. Сотни людей участвовали в строительстве...

И вот циклотрон-колосс построен. Мерцающие полированные плоскости его гигантских многометровых магнитов уже готовы к тому, чтобы между ними завращался рой атомных частиц, ускоренных до гигантской по тем временам энергии - 60 миллионов электрон-вольт...

Но что произошло? Почему проектировщики торопливо проходят мимо еще не пущенного гиганта, стараясь не глядеть на него? Почему все разговоры о махине, сожравшей миллионы, встречают холодное молчание?

При уточнении расчетов выяснилось, что вся эта масса металла бесполезна - лоуренсовский циклотрон в силу присущих ему особенностей и в соответствии с неумолимой теорией относительности в принципе не может давать частицы с энергией выше 25-30 Мэв.

Масса любой частицы возрастает при приближении скорости частицы к скорости света. Но частица с большей массой менее подвижна - она начинает отставать от сестриц с меньшей энергией и запаздывает к ускоряющему промежутку, то есть попадает к нему в такой момент, когда ускоряющее электрическое поле мало или направлено навстречу частице и тормозит ее.

Все попытки вырваться из этого порочного круга были тщетны... Ненужный многометровый магнит несостоявшегося рекордного циклотрона пылился в лаборатории уже более четырех лет, когда появились статьи Векслера. В них впервые была дана идея "автофазировки", с помощью которой можно теоретически безгранично повышать энергию частиц, получаемых в ускорителях. Может быть, только физики в состоянии оценить эстетическую сторону этого нового принципа. Частицы сами по себе, абсолютно естественно, повинуясь неслышному влиянию электрического поля изменяющейся частоты, приходят к ускоряющему промежутку как раз в тот момент, когда это необходимо - ни на мгновение раньше, ни на мгновение позже.

Трудно найти аналогии этому естественному, но очень сложному процессу в природе. Может быть, отдаленно напоминает этот процесс поведение лягушки, которая сама по себе, с шокирующей естественностью, прыгает в нужный момент в широко раскрытую пасть удава - Статьи Векслера были молниеносно переведены на английский язык и зачитаны до дыр. Работы на заброшенном циклотроне возобновились, и уже через несколько месяцев он стал давать частицы с энергией 500 (!) Мэв. Но это был уже не циклотрон, а совершенно новая машина - синхроциклотрон.

Однако перед тем как перейти к этой новой машине, обратимся к некоторым физическим явлениям, лежащим в основе процесса ускорения заряженных частиц.

Лоуренс первым использовал для возвращения частиц к одним и тем же ускоряющим промежуткам магнитное поле - известно, что любая заряженная частица, двигаясь в магнитном поле, будет двигаться по окружности. В двух точках такой окружности Лоуренс расположил ускоряющие промежутки. Вот для этого Лоуренсу и понадобился старый магнит, валявшийся на складе Калифорнийского университета!

Сверхпроводящий магнит с магнитным полем около 70 эрстед, создаваемым в объеме диаметром 20 сантиметров

С ростом энергии частиц, получаемых в ускорителях, растет и радиус орбит, по которым вращаются частицы, а вместе с ним и диаметр магнитов. Поэтому-то самые большие магниты в мире - это магниты ускорителей.

Заряженная частица подвержена в циклотроне влиянию двух сил - центробежной, которая стремится выбросить частицу из циклотрона, и центростремительной лоренцовой силы, которая заставляет частицу двигаться по окружности.

Ясно, что магнитное поле в циклотроне должно быть однородным, то есть иметь одинаковую величину и направление во всех точках орбиты. Если в какой-либо точке орбиты поле, скажем, резко падает до нуля, частица в этой точке, не сдерживаемая лоренцовой центростремительной силой, выскочит из циклотрона.

Исходя из этого, напряженность поля по орбите циклотрона устанавливается строго постоянной.

Равенство центробежной и центростремительной сил на равновесной орбите обеспечивает так называемую "горизонтальную устойчивость" частицы. Что это значит?

Предположим, что частица под влиянием каких-либо факторов перешла с равновесной орбиты на орбиту большего радиуса. В этом случае лоренцова центростремительная сила будет больше центробежной, и в результате частица будет смещаться в сторону орбиты меньшего радиуса до тех пор, пока не достигнет равновесной орбиты.

При уменьшении радиуса орбиты частицы будет наблюдаться обратная картина.

А что будет, если частица будет переходить на более низкую или более высокую орбиту? Это может привести к тому, что частицы "потеряются" в полюсах магнита.

Для того чтобы этого не происходило, или, как говорят, для обеспечения "вертикальной устойчивости" движения частицы, полюса магнитов скашивают так, чтобы зазор к краю полюса становился больше. При этом магнитное поле на равновесной окружности становится меньше, чем в точках ниже и выше ее.

Частица, залетевшая, скажем, слишком высоко, попадает в область с более сильным полем, которое выталкивает ее вниз, к равновесной орбите.

На полюсах циклотрона закрепляются главные катушки, создающие сильное магнитное поле. Главные катушки обычно изготавливаются из толстой (сечением 50-100 мм²) алюминиевой шины с отверстием внутри. По этому отверстию пропускают охлаждающую воду.

Кроме основной, в циклотронах имеется дополнительная обмотка, расположенная около зазора. Она обычно состоит из двух катушек, размещенных вблизи среза полюса. Эти катушки служат для "нацеливания" частиц на мишень, иными словами, для регулирования высоты плоскости, по которой движутся частицы в циклотроне.

Эта плоскость вопреки ожиданиям обычно не находится посередине между полюсами из-за, казалось бы, случайных факторов. Сейф или стальная дверь, баллон с газом, оказавшиеся поблизости, могут вызвать смещение средней плоскости.

Какой самый крупный в мире циклотронный электромагнит?

Это - электромагнит синхроциклотрона на 680 Мэв в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне. Диаметр полюсов этого магнита - 6 метров. Вес магнита - 7000 тонн. Несколько уступает ему в размерах синхроциклотрон в Беркли.

Из приведенных цифр можно видеть, что магниты циклотронов и, следовательно, сами циклотроны - это громадные и дорогие сооружения. Они обычно размещаются в специальных корпусах, огороженных бетонными стенами толщиной порядка трех метров, которые служат мерой безопасности от радиации. Поворотные двери также делаются из бетона.

Циклотроны применяются в основном для научных исследований. Однако, особенно в последнее время, они широко используются и для получения радиоактивных изотопов для промышленности и сельского хозяйства. Сейчас в мире есть несколько циклотронов, на которых не проводится никаких научных исследований. Эти атомные машины играют роль своеобразного технологического оборудования фабрики. На этой "фабрике" производятся изотопы.

...Не так давно мне пришлось побывать в местечке Улугбек, что под Ташкентом. Несколько лет назад здесь была лишь выжженная солнцем желтая степь и бесцветное раскаленное небо. Сейчас в Улугбеке - Институт ядерной физики Академии наук Узбекистана. Здесь стоит циклотрон, с помощью которого производится облучение образцов руд и подземных вод со всех концов Советского Союза.

Под мощными ударами ядерной мортиры каждый атом образца начинает "возбуждаться" и давать о себе знать. И как в грохоте оркестра чуткое ухо маэстро слышит нежное пение скрипки, так и из беспорядочного потока атомных излучений специальные приборы легко выделяют "голос" нужного атома. Так были открыты новые месторождения золота, ценных металлов, источники воды, несущие жизнь в засушливые степи.

Чем сильнее излучение циклотрона, тем более слабые "голоса" атомов могут услышать приборы, тем скорее на службу человеку будут поставлены новые сокровища природы.

Расчеты дают в качестве верхнего предела энергии протонов, получаемых в обычном циклотроне, величину 25-30 Мэв. Чем больше напряженность магнитного поля, тем больше оборотов делает заряженная частица в единицу времени. Возникает вопрос: нельзя ли сделать так, чтобы от центра к краю полюсов магнитное поле увеличивалось? Тогда приращение массы и, следовательно, "неповоротливость" частицы с ростом ее энергии могли бы быть скомпенсированы, и энергия частиц, получаемых в циклотроне, могла бы быть увеличена.

Но мы уже знаем, что в циклотронах делается как раз наоборот - магнитное поле к краю полюса снижается, этим достигается вертикальная фокусировка. Как примирить эти противоположные требования? Как одновременно иметь и вертикальную фокусировку и возрастание поля от центра полюса к периферии?

Этой задачей интересовались давно, и еще в 1938 году американским ученым Томасом была предложена формула, по которой должно изменяться магнитное поле в зазоре "изохронного" циклотрона с тем, чтобы эти условия обеспечивались одновременно. Однако форма полюса при этом получалась чересчур сложной. В связи с этим, а также в связи с открытием Векслером (1944 г.) и Макмилланом (1945 г.) принципа автофазировки, позволяющего другим способом достичь увеличения максимальной энергии, изохронный циклотрон имел в то время не много приверженцев. Однако в последние годы положение меняется. Физики и инженеры, занятые проектированием ускорителей, предложили очень простой выход из положения: вместо сложных полюсов, предложенных Томасом, использовать нормальные цилиндрические полюса, покрытые стальными накладками простой формы. Как выяснилось, такие накладки обеспечивают одновременное нарастание поля по радиусу и вертикальную фокусировку.

Для коррекции поля в зазоре изохронного циклотрона применяют сложную систему концентрических и секторных корректирующих обмоток и накладок.

Полюс циклотрона по предложению Томаса

Изохронные циклотроны позволяют повысить энергию частиц, получаемых на ускорителях этого типа, до 700-800 Мэв. Дальнейшее увеличение энергии затруднительно вследствие того, что по технологическим причинам трудно точно выдержать все требования к конфигурации магнитного поля циклотронов столь высоких энергий.

Магнитные системы циклотронного типа используются, как мы уже говорили, и в другом типе ускорителей, называемых синхроциклотронами. Синхроциклотрон, или фазотрон, как его называют некоторые физики, отличается от обычного циклотрона тем, что частота ускоряющего напряжения по мере возрастания энергии частиц уменьшается, что позволяет "отяжелевшим" частицам вовремя проходить ускоряющий промежуток. Такое изменение частоты эквивалентно изменению поля в изохронном циклотроне. Предел энергии частиц, получаемых в синхроциклотронах, также составляет 700-800 Мэв.

Магниты циклотронного типа устанавливаются также на микротронах, служащих для резонансного ускорения электронов в электрическом поле микроволновой частоты. Однако магниты микротронов гораздо легче циклотронных, так как в первых используется небольшая индукция магнитного поля - в 10 раз меньше, чем в циклотронах. Мы уже говорили о том, что в силу различных физических и технических причин невозможно создать "обычные" циклотроны на энергии свыше 25-30 Мэв, а "изохронные" циклотроны и синхроциклотроны - на энергию свыше 800 Мэв. Но мы не упомянули еще об одном ограничении, иногда определяющем. Это ограничение - экономика.

Подсчитаем, например, сколько бы весил циклический ускоритель на энергию 10 000 Мэв или 10 Гэв. Если магнитное поле на конечной орбите составит 14 500 эрстед, то ее радиус должен быть около 25 метров, а вес магнита полтора миллиона тонн. Самая постановка вопроса о построении такого магнита была бы беспредметной.

Почему это происходит? Почему циклотрон на большую энергию весит так много? Попробуем разобраться в причинах. Первая причина, очевидно, состоит в том, что мы выбрали невысокое значение напряженности магнитного поля. Если бы нам удалось эту напряженность в несколько раз повысить, во столько же раз можно было бы снизить радиус и во столько же в степени два с половиной раз снизить вес магнита. Однако серьезно повысить магнитное поле в циклотронах нельзя, поскольку сталь будет при этом сильно магнитно насыщаться.

Другая причина, вызывающая необходимость иметь магнит столь большого веса, объясняется самим принципом работы циклотрона. Поскольку его магнитное поле постоянно во времени, частица, приобретающая в ускоряющем промежутке очередную порцию энергии, начинает двигаться по орбите большего радиуса, чем раньше, и траектория ее движения напоминает спираль. Именно эта спиралевидность орбиты вынуждает к тому, чтобы иметь в циклотроне полный набор орбит различных радиусов от нуля до радиуса конечной орбиты. Другими словами, полюс циклотрона должен быть цилиндрическим; то есть массивным и тяжелым.

Полюсные накладки и компенсирующие обмотки изохронного циклотрона

Однако, видимо, нет никакой роковой необходимости иметь в ускорителе полный набор орбит различных радиусов. Если бы величина магнитного поля в ускорителе с ростом энергии частиц менялась, то радиус орбиты мог бы оставаться всегда постоянным. Для этого нужно лишь обеспечить закон изменения магнитного поля магнита во времени, приближающийся к закону изменения во времени энергии частицы.

В этом случае стало бы возможным вместо цилиндрических полюсов оставить узкое кольцо по краю полюса, а сердцевину полюса не делать вообще. Только такие ускорители сейчас позволяют при относительно небольшой (по сравнению с гипотетическим циклотроном на ту же энергию) цене получать пучки частиц с колоссальными энергиями. Такие ускорители называются кольцевыми. Создание кольцевых ускорителей было главным достижением ускорительной техники после Лоуренса и Векслера. Природа давно оценила преимущества трубчатых конструкций. Распилите кость - она внутри полая. Если бы она была массивной, она была бы тяжелее, но не прочнее. И природа выбрала инженерно правильное и, следовательно, эстетически безупречное решение.

Башня Останкинского телецентра - полая внутри. Это позволяет, не снижая ее прочности, в сотни раз снизить вес конструкции, сделать ее легкой, ажурной и прекрасной.

Кольцевой ускоритель - это ускоритель Лоуренса и Векслера, у которого вынута сердцевина полюса магнита и оставлено лишь узкое кольцо на краю. Вес магнита снижается при этом в сотни раз, а ускоритель приобретает новые прекрасные архитектурные формы. Красота этого решения - в глубочайшей технологической целесообразности, в подражании природе.

Кольцевые ускорители включают синхротроны и синхрофазотроны - самые крупные и дорогостоящие физические приборы, когда-либо находившиеся в распоряжении человечества. Диаметр кольцевых магнитов таких ускорителей составляет десятки метров, магнитная система кольцевых ускорителей обычно состоит из нескольких отдельных секторных магнитов, составляющих в плане кольцо. Между этими секциями устраиваются ускоряющие промежутки. Стоимость магнитов синхротронов и синхрофазотронов (между этими двумя типами ускорителей различие невелико) составляет около половины стоимости всего синхротрона. Это и естественно, если учесть, что диаметр кольцевого магнита ускорителей измеряется десятками, а то и сотнями метров.

Например, дубненский синхротрон на энергию 10 000 Мэв имеет радиус орбиты 28 метров, женевский синхротрон на 27 000 Мэв - 100 метров, брукхэйвенский синхротрон на 33 000 Мэв - 128,5 метра, а серпуховский синхротрон на 70 000 Мэв - уже 236 метров!

Как видно из этих данных, самый крупный синхротрон мира, имеющий самый грандиозный в мире электромагнит кольцевого типа, вступил в строй в городе Серпухове, под Москвой. На фотографии в конце книги показан рабочий момент строительства галереи этой гигантской машины - самого большого магнита в мире.

Создание таких крупнейших машин было бы невозможно без решения одной из наиболее сложных проблем - проблем фокусировки.

Как осуществляется вертикальная фокусировка в синхротронах? (О горизонтальной мы уже сказали раньше.) Принцип тот же, что и в циклотронах,- магниты изготавливаются так, чтобы магнитное поле на внешнем радиусе было меньше, чем на внутреннем. Тогда каждая частица, вышедшая из серединной плоскости, будет испытывать со стороны "бочкообразного" поля силы, заставляющие ее вернуться обратно.

Такой принцип фокусировки называют мягкой фокусировкой. Предельной энергией, которую можно получить на синхротронах с мягкой фокусировкой, является энергия, равная примерно 15 000 Мэв. По-видимому, дубненская машина была и остается крупнейшей в мире установкой подобного типа (энергия частиц 10 000 Мэв, вес магнита - 36 000 тонн).

Почему же с мягкой фокусировкой нельзя достичь больших значений энергии частиц? Дело в том, что при увеличении энергии частиц должен, естественно, расти и радиус ускорителя.

Но чем больше радиус, тем больше амплитуда колебаний частицы вокруг своей равновесной орбиты. Сбить частицу с орбиты могут случайные молекулы газа в вакуумной трубке, флуктуации ускоряющего напряжения и частоты. В связи с этим рабочую зону ("апертуру пучка") приходится увеличивать с тем, чтобы частица не потерялась в металле магнита во время своего пути, составляющего в ускорителе примерно полмиллиона километров. Это обходится очень дорого. Так, ускоритель на 30000 Мэв с такой мягкой фокусировкой весил бы 100 000 тонн. Для того чтобы свести к минимуму всякие колебания частицы вокруг равновесной орбиты и снизить сечение пучка, нужно ввести более жесткую фокусировку, то есть заставить частицы как можно меньше отходить от своей равновесной орбиты.

Как это сделать, никто до 1951 года не знал. Решение проблемы было выдвинуто брукхэйвенской группой физиков в составе Э. Куранта, М. Ливингстона и Г. Спейдера. Ливингстон предложил как-то, скорее для упражнения на электронно-вычислительной машине, рассчитать, как будет вести себя частица, ускоряемая в системе из нескольких магнитов, если в каждом следующем магните направление, в котором поле снижается, будет другим. Расчет на машине показал, что частица в этом случае будет двигаться по стабильной круговой орбите и, кроме того, будет подвержена сильным фокусирующим усилиям. В том секторе, где полюса наклонены внутрь, будет осуществляться сильная вертикальная фокусировка и горизонтальная дефокусировка; в следующем секторе, где полюса наклонены наружу, фокусировка будет обратной. К удивлению брукхэйвенской группы, эффект в целом заключался в том, что при определенном расположении секторов пучок будет сильно фокусироваться и отклонение частиц от равновесной орбиты будет очень небольшим. Действие магнитов равнозначно в этом смысле действию двух линз - вогнутой и выпуклой, которые, будучи поставлены рядом, дают в целом эффект собирания лучей.

Фокусирующее действие ускорителей с жесткой фокусировкой можно сравнить с действием системы из вогнутой и выпуклой линз, которая в целом собирает лучи в одну точку

Эта идея оказалась очень плодотворной - на ее основе построены брукхэйвенский и женевский ускорители, создан серпуховский ускоритель. На брукхэйвенском ускорителе уже был получен очень ценный результат. Впервые человеку удалось наблюдать антидейтерон - атом антиматерии, а не элементарную античастицу.

Создание ускорителей с жесткой фокусировкой, как уже говорилось, позволит увеличить энергию получаемых частиц при снижении веса магнитной системы. Однако и в этом случае постройка синхротрона, скажем, на 300 000 Мэв будет под силу лишь наиболее экономически мощным государствам. Вопрос о строительстве такой машины будет решаться в государственном масштабе, как, скажем, вопрос о строительстве нового города. Да, впрочем, сравнение с городом здесь имеет и более прочные корни - ведь вокруг каждой такой машины неминуемо вырастет научный центр и научный городок.

Еще более серьезными будут затраты на более мощные ускорители. Например, ускоритель на 1000 Гэв будет стоить порядка миллиарда рублей, диаметр его секционированного кольцевого магнита будет около семи километров, а на строительстве его будут заняты тысячи человек и сотни организаций. Нужно сказать что вес магнита при введении жесткой фокусировки будет для такой энергии частиц весьма умеренным - "всего" 30 000 тонн; защищаться от радиации такого ускорителя придется за бетонными стенами двенадцатиметровой толщины.

Строительство такого ускорителя представит определенное напряжение даже для таких стран, как СССР и США. Это напряжение будет не только финансовым, но и "умственным" - с новым ускорителем так или иначе будет связано около 2000 кандидатов и докторов наук - целая армия ученых. Поэтому в европейской печати довольно часто начинает проскальзывать мнение, что ускорители на такие большие энергии следует строить "всем миром", то есть в буквальном смысле силами всех развитых стран, включая европейские страны, США и СССР.

Для создания жесткой фокусировки в этих ускорителях секции магнитов с разным направлением спада поля будут поставлены друг за другом; если в первом магните, в котором поле спадает по направлению к внешнему радиусу, происходит вертикальная фокусировка, то в следующем магните, где поле спадает к центру, уменьшается сечение пучка в горизонтальном направлении. В результате сечения пучка и, следовательно, размеры рабочей зоны магнита становятся меньше, что позволяет увеличить энергию частиц без существенного утяжеления магнита.

Вкратце упомянем о том, что принцип жесткой фокусировки стал широко применяться не только в ускорителях. Например, для "подачи" пучка к столу экспериментатора широко используются так называемые квадрупольные линзы, работающие на этом принципе.

На конференции по ускорителям высоких энергий в Дубне в 1963 году американские и европейские ученые представили проекты ускорителей с жесткой фокусировкой на 150 и 300 Гэв, а советские ученые - на 500 и 1000 Гэв. Однако возрастание энергии до столь высоких значений приводит к новым трудностям, касающимся фокусировки. Ведь диаметр ускорителя на 1000 Гэв - около семи километров, а для того чтобы частица но уклонялась от равновесий орбиты и не терялась бы в полюсах магнита, необходимо устанавливать магнит с точностью до десятой доли миллиметра. Все магнитные системы этих гигантских ускорителей действуют по кибернетическому принципу. Любая ошибка в направлении пучка тотчас же замечается приборами, и в ускоряющую систему подается команда об изменении ее параметров, которая должна привести пучок - "нарушитель" на свою орбиту.

Неизвестно, как в конце концов решится эта проблема - будут ли отдельные государства строить такие ускорители, будут ли они строиться группами государств или наконец "всем миром". А может быть, будет найдено какое-нибудь более изящное решение, которое позволит достичь новых колоссальных энергий путем менее весомых затрат?

Идея обойтись без магнитов принадлежит Энрико Ферми. Ферми, конечно, имел в виду обойтись именно без магнитов, а не без магнитного поля - иначе ускоритель получился бы колоссальной длины. В качестве магнитного поля Ферми предложил использовать магнитное поле Земли. Ускоритель типа синхротрона должен был бы представлять собой вакуумную трубу, опоясывающую земной шар вдоль магнитного экватора. Хотя осуществление такого проекта могло бы дать пучки чрезвычайно энергичных частиц, стоимость ускорителя, по-видимому, оказалась бы громадной - ведь орбита частиц должна быть круговой, а Земля - совсем не идеальный шар; для того чтобы обеспечить идеальную окружность, пришлось бы прорывать тоннели, строить виадуки над океанами и т. д. А чего стоит проблема обеспечения герметичности и высокого вакуума устройства, опоясывающего земной шар!

Альберт Эйнштейн

Какую самую большую энергию можно получить с помощью ускорителей? Естественно, что самый большой возможный на земле ускоритель должен располагаться по экватору Земли. Величина поля в этом громадном магните будет определяться насыщением стали и будет равна, скажем, 20 000 эрстед. При этих условиях максимальной энергией ускоряемых протонов будет величина 150 000 000 Мэв.

Космической эре свойственны и космические проекты. Таким является проект "лунатрона". Ускоритель можно разместить на нескольких спутниках, вращающихся вокруг Земли. На спутниках можно установить фокусирующие магниты, ускоряющие пластины, инжекторы. С помощью такой системы можно было бы достигнуть 100 000 000 Мэв. Серьезным преимуществом такой системы является отсутствие необходимости вакуумировать рабочее пространство - ведь "лунатрон" размещен вне атмосферы!

Чрезвычайно интересная идея ускорителя принадлежит советскому физику Г. И. Будкеру, который предложил слабым, наводящим полем создавать мощный пучок электронов. Этот пучок является по сути дела гибким шнуром, по которому течет очень сильный электрический ток. Электрический ток всегда создает магнитное поле, стремящееся уменьшить сечение пучка, и диаметр пучка резко снижается ("пинч-эффект"). Однако чем меньше диаметр пучка, тем больше при том же токе магнитное поле создаваемое током на его поверхности. Таким образом можно достигнуть очень сильных полей. Идея Будкера заключается в том, чтобы использовать это очень сильное магнитное поле как рабочее поле ускорителя. В пучке электронов диаметром 6 метров можно удерживать протоны с энергией вплоть до 100 000 Мэв.

Большие надежды связывают физики и со сверхпроводимостью. Ограничением магнитного поля ускорителей является предел насыщения электротехнической стали - около 20 000 гаусс. Однако если сталь из ускорителя убрать, возникнет много других проблем. Одной из них будет то, что магнитное сопротивление магнитному потоку ускорителя увеличится; для того чтобы сохранить поток прежним, нужно сильно увеличить мощность питания обмоток, которая и при ускорителе со сталью была громадной. Мощность питания американского синхрофазотрона "Беватрон" составляла 100 000 киловатт, то есть мощность, потребляемая городом со стотысячным населением. При рассмотрении проекта ускорителя газовая и электрическая компания Тихоокеанского побережья специально занималась вопросом о том, не будут ли "садиться" все лампы в городах Беркли и Окленде в то время, когда в ускорителе разгоняется очередной пучок протонов?

А ведь "Беватрон" - относительно небольшой ускоритель и вдобавок со сталью. В ускорителях на 300 000-1000 000 Мэв без стали потребление электроэнергии будет гораздо больше. Соответственно будет более дорогим и громоздким сам ускоритель. А если разобраться, куда идет эта колоссальная энергия, то окажется, что тратится она в большей мере попусту. Ведь для поддержания магнитного поля не требуется энергии - постоянный магнит не получает энергии ниоткуда, а его магнитное поле не расходуется, когда им что-либо притягиваешь. Энергия необходима лишь на установление поля - если в этой области пространства магнитного поля раньше не было, а теперь оно есть,- это значит, что затрачена некоторая энергия. Если подсчитать, какая часть энергии в ускорителях используется полезно, то окажется, что она ничтожна. Остальная часть элекроэнергии идет на нагревание обмоток, вызванное тем, что медные и алюминиевые обмотки ускорителей обладают электрическим сопротивлением. Без сопротивления не было бы и потерь.

Неустойчивость 'пинча' и метод их преодоления. Если вдоль плазменного шнура направить магнитное поле (продольные линии), то наложенное поле не даст шнуру 'сломаться' или перерваться

Именно с этим обстоятельством и связаны усилия использовать в качестве материала обмоток магнитов ускорителей сверхпроводник. Другой положительной стороной сверхпроводящих обмоток явилась бы возможность сильного увеличения магнитного поля, а следовательно, и уменьшения радиуса ускорителя. Если удается достигнуть магнитного поля в 100 000 эрстед, то размеры ускорителя уменьшатся в 5 раз.

- Мне жаль ученых. Они так бездушны,- говорит героиня известного романа Синклера Льюиса.

Может быть, абстрактность понятий, которыми оперируют ученые, действительно уводит их в сторону от романтики обыденной жизни. Но эти "бездушные" ученые часто обладают талантом видеть красоту не только там, где ее видят все другие люди, но и в логической замкнутости и строгости абстрактных понятий. Поэтому зачастую они оказываются духовно богаче самых романтических натур. Среди этих ученых следует выделить Роберта Уилсона, помощника Лоуренса и участника создания первых циклотронов. Роберт Уилсон увидел логику и гармонию в, казалось бы, хаотическом и случайном развитии ускорительной техники, смог найти в современных ускорителях сходство с великими течениями прошлого.

Вот что пишет Уилсон об ускорителях в научной статье: "Каждый вид ускорителей имеет собственный архитектурный стиль. Синхроциклотроны для меня - это барокко. Протонные синхротроны выполнены, без сомнения, в романском стиле, хотя их изогнутые арки расположены горизонтально. Электронные синхротроны обладают той легкостью и грацией, которая могла быть только в готике". Изохронный циклотрон, предложенный Томасом, Уилсон за вычурную форму полюсных наконечников магнита и магнитного поля причисляет к искусству рококо. Раздумывая над этими словами, можно прийти к выводу об их удивительной точности. Действительно, строительство ускорителей и их магнитов превратилось сейчас в род особого изысканного искусства.

В истории человечества часты периоды необыкновенной творческой активности. Египетские пирамиды, скульптура Древней Греции, живопись Флоренции, готические соборы Франции, поднявшиеся как по волшебству в XII-XIII веках, гигантские телескопы начала нашего столетия можно считать примерами таких творческих подъемов. В современном мире этот творческий подъем и необычайный расцвет царят сейчас в искусстве делать ускорители атомных частиц. Конструктор ускорителей одержим сейчас тем же самым творческим духом, который владел строителем готических соборов. Эстетическая красота обоих творений по сути дела в глубочайшей технологической сообразности, в совершенстве выражения противоборства двух начал. Контрфорсы соборов явно технологичны. Мы почти физически ощущаем ту нагрузку, которую они несут. Точно так же и в ускорителях можно отчетливо представить себе противоположные усилия, действующие на частицу, движущуюся в магнитном поле.

В обоих случаях имеем дело с людьми, работавшими и работающими на самом передовом крае человеческого знания и активно использующими самый современный опыт.

В обоих случаях существовало и существует соперничество между строителями, городами и странами, вынуждающее создавать только совершенное.

Наконец, в обоих случаях требовался и требуется глубочайший синтез науки, техники и искусства, ибо строители соборов были не просто архитекторами, как и строители ускорителей не являются, строго говоря, физиками.

Главная же черта, роднящая тех и других,- волшебное чувство восторга и возбуждения, охватывающее их при работе, ответственный перед лицом веков, и радость при созерцании достижений, призванных служить людям не только по своему утилитарному назначению, но и эстетически.

Разница в одном - соборы строились напоказ, и все о них знали, а ускорители - орудие немногих ученых, и о "смотре ускорителей" знают немногие.

Люди, создающие ускорители, окружены заботой и вниманием, на них смотрит с завистью и восхищением весь мир, они находятся на самом переднем крае человеческого знания и мастерства, перед ними - неизведанные глубины вечности, космоса, материи, человеческой души...

Счастливы те известные и безвестные избранники, которые создают современные ускорители - пирамиды ядерного века...