Мишень-струя водорода

"Говорят, что идеи дорого стоят. Это верно. И все же в нашей практике чаще всего "драма идей" разыгрывается не в высокой сфере духа, а в плоскости их реализации", - считают экспериментаторы.

Если для эксперимента с каонами потребовалась уникальная по своим размерам и качеству мишень, вмещающая довольно большое количество водорода, то для опытов по рассеянию протонов на протонах, выполненных в Серпухове под руководством В. Никитина, понадобилась сверхтонкая мишень с плотностью в миллионную долю грамма на один кубический сантиметр.

Любая оболочка, в которую заключили бы такую мишень из газообразного водорода, безнадежно испортила бы все результаты. А изюминка эксперимента как раз и заключалась в том, чтобы посмотреть, как ведут себя быстрые протоны при столкновении с мишенью из чистого водорода. И в лаборатории высоких энергий ОИЯИ впервые в мире была создана уникальная струйная водородная мишень, работающая внутри камеры ускорителя.

Сейчас даже самим создателям этого оригинального устройства трудно сказать, кого было больше вначале - сторонников или противников этой идеи. В ее реализации сомневались даже крупные ученые, и не без оснований.

Протоны в Серпуховском ускорителе набирали энергию в 70 миллиардов электрон-вольт. Они двигались по замкнутому кольцу вакуумной камеры, тщательно откачанной до давления в 10^-7 миллиметра ртутного столба. И стоило вакууму хоть немного испортиться, как количество ускоряемых протонов резко уменьшалось: сталкиваясь с частицами воздуха, они попадали на стенки камеры и выбывали из процесса ускорения. Их движение напоминало беспорядочные движения шайбы под ударами клюшки начинающего хоккеиста.

И при таких жестких условиях по вакууму нужно было регулярно впрыскивать в камеру такое количество водорода, что его хватило бы на увеличение давления во всем объеме ускорителя. А резкое нарушение вакуума в камере ускорителя во время эксперимента привело бы к электрическим пробоям в высокочастотных устройствах, и уникальный ускоритель на длительное время был бы выведен из строя.

Задача, которую поставили перед собой конструкторы, напоминала ту, что возникла перед героем восточной сказки, когда он неосторожно распечатал бутылку с заключенным в ней джинном. Но чтобы не попасть в ситуацию, аналогичную сказочной, они решили впустить джинна - струю газообразного водорода - в вакуумную камеру, заготовив с противоположной стороны другую "бутылку" - вакуум-насос.

Раз за разом ставили сотрудники криогенного отдела лаборатории высоких энергий ОИЯИ опыты на моделях, прежде чем высокий вакуум и плотный поток газа перестали противоречить друг другу и начала вырисовываться конструкция будущего устройства.

Струя газообразного водорода, выпущенная из специального устройства со сверхзвуковой скоростью, пересекала пучок быстрых протонов внутри камеры ускорителя - и в этот момент она играла роль мишени. А затем попадала в "горлышко" гелиевого конденсационного насоса, действительно похожего на широкую бутылку. В доли секунды он укрощал впущенного в камеру джинна, превращая готовый распространиться во все стороны газ в неподвижный и совершенно неопасный водородный иней.

И вот в марте 1968 года наступил день, когда работники транспортного отдела ОИЯИ начали перевозку готовой установки в Серпухов. Одной из первых она появилась в огромном, еще пустом зале ускорителя. Началась напряженная многомесячная работа по подготовке аппаратуры к работе на новой машине. И наконец наступили дни круглосуточных измерений, непрерывных экспериментов.

Пока физики занимались обработкой полученных результатов, инженеры-конструкторы продолжали улучшать методику струйных мишеней. Надо было добиться меньшей ширины струи для того, чтобы ликвидировать ошибки в определении углов вылета вторичных частиц при взаимодействии ускоренных протонов с мишенью. Кроме того, струйная мишень оказалась для некоторых экспериментов все-таки недостаточно плотной, из-за чего увеличивалось время работы на ускорителе.

Выход был найден. Струю уплотнили, перейдя от сверхзвуковой струи газа к потоку более медленно движущихся капелек жидкого водорода и твердых его частичек. Ширина новой мишени из сконденсированного водорода стала в 4 раза меньше, плотность увеличилась в десять раз, а количество впускаемого в ускоритель газа сократилось в 2-3 раза.

Группа В. Никитина с несколькими сотрудниками криогенного отдела, принимавшими участие в создании струйной мишени, весной 1972 года выехала в Америку. Они провели эксперименты с новым уникальным устройством на только что запущенном в Батавии самом мощном ускорителе в мире при энергии 400 Гэв.

Результаты первых измерений, полученные на этой установке, уже докладывались летом 1972 года на конференции по физике высоких энергий в Батавии.