Как осуществляется вертикальная фокусировка в синхротронах? Принцип тот же, что и в циклотронах: магниты изготовляют так, чтобы магнитное поле на внешнем радиусе было меньше, чем на внутреннем. Тогда каждая частица, вышедшая из серединной плоскости, испытывает со стороны бочкообразного поля силы, заставляющие ее вернуться обратно. Такую фокусировку называют мягкой. На синхротронах с мягкой фокусировкой можно получить энергию примерно до 15 тыс. МэВ. По-видимому, дубнинский синхрофазотрон был и остается крупнейшей в мире установкой подобного типа (энергия частиц 10 тыс. МэВ, масса магнита 36 тыс. т).
Почему при использовании мягкой фокусировки нельзя достичь больших значений энергии частиц?
Дело в том, что с увеличением энергии частиц должен, естественно, расти и радиус ускорителя. Это увеличение радиуса происходит в соответствии с формулой E = 300·Н, где Е — энергия, эВ; H — напряженность магнитного поля. 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, чтобы частица не потерялась в металле магнита во время своего пути, составляющего в ускорителе примерно 0,5 млн. км. Это обходится очень дорого. Так, масса ускорителя на 30 тыс. МэВ с мягкой фокусировкой составила бы 100 тыс. т. Чтобы свести к минимуму всякие колебания частицы вокруг равновесной орбиты и снизить сечение пучка, нужно ввести более жесткую фокусировку, т. е. заставить частицы как можно меньше отходить от своей равновесной орбиты.
Как это сделать, никто до 1951 г. не знал. Решение проблемы было выдвинуто группой физиков Брукхейвенской лаборатории в составе Куранта, Ливингстона, Снайдера. Ливингстон как-то предложил рассчитать, как поведет себя частица, ускоряемая в системе из нескольких магнитов, если в каждом следующем магните будет меняться направление, в котором поле снижается. Расчет на электронной машине показал, что частица в этом случае движется по стабильной орбите и, кроме того, подвергается сильным фокусирующим усилиям. В том секторе, где полюсы наклонены внутрь, осуществляются сильная вертикальная фокусировка и горизонтальная дефокусировка; в следующем секторе, где полюсы наклонены наружу, фокусировка обратная. Эффект в целом заключается в том, что при определенном расположении секторов пучок сильно фокусировался, и отклонение частиц от равновесной орбиты было очень небольшим. Действие магнитов равнозначно в этом смысле действию двух линз вогнутой и выпуклой, которые, будучи поставлены одна за другой, дают в целом эффект собирания лучей. Эта идея оказалась очень плодотворной. На ее основе построены все крупнейшие ускорители. На принципе жесткой фокусировки работает и Серпуховский ускоритель протонов на 76 ГэВ. В основу постройки крупнейшего в мире ускорителя 60-х годов — Серпуховского — были положены идеи В.И.Векслера. Пучок протонов, разогнанный в этом исполинском ускорителе, достиг энергии 76 ГэВ (миллиардов электрон-вольт!). Под стать этой грандиозной энергии и сам ускоритель. Новый синхротрон стал базой нового физического института, размещенного в Серпухове, — Института физики высоких энергий (ИФВЭ). Здесь были получены важнейшие научные результаты: открыт новый в физике высоких энергий тип симметрии — масштабная инвариантность, положенная теперь в основу теории сильных взаимодействий на малых расстояниях с участием кварков — так называемой квантовой хромодинамики. В Серпухове открыт и новый физический эффект сложной природы, описывающий поведение сталкивающихся частиц, — "серпуховский эффект". Ученые США не остались в долгу и начали строить свой, еще более мощный ускоритель. В этом, может быть, сыграл свою роль "эффект подстегивания", о котором остроумно рассказывал академик Л.А.Арцимович: "Делегация ученых великой державы А, возвращаясь после поездки в великую державу Б, докладывает: — По богатству идей, глубине понимания научных проблем и квалификации научных кадров мы не только не уступаем нашим зарубежным коллегам, но даже стоим впереди них. Однако там не пожалели денег, и они смогли построить новую замечательную установку X, и если мы немедленно не начнем строить уже давно задуманную нами установку Y, то почти сразу же окажемся в жалком и отчаянном положении. Вслед за этим делегация державы Б возвращается из державы А и декларирует: — Мы, конечно, в идейном отношении гораздо выше их, но нельзя ждать ни одного часа более. Они уже приступают к строительству установки Y, и если мы прозеваем, то через несколько лет нам стыдно будет показаться на любой научной конференции. Поэтому надо немедленно строить установку, которая во столько же раз мощнее установки Y, во сколько последняя превосходит нашу старую машину X. И так далее…" Для создания жесткой фокусировки в серпуховском и подобных ему ускорителях поставлены друг за другом секции магнитов с разным направлением спада поля; если в первом магните поле спадает по направлению к внешнему радиусу (вертикальная фокусировка), то в следующем магните оно спадает к центру, уменьшая сечение пучка в горизонтальном направлении. В результате сечение пучка и, следовательно, размеры рабочей зоны магнита становятся меньше, что позволяет увеличить энергию частиц без существенного утяжеления магнита. Принцип жесткой фокусировки стал широко применяться не только в ускорителях. Например, для фокусировки пучка и подачи его к столу экспериментатора широко используются поворотные магниты и квадрупольные линзы, работающие на этом принципе. Создание ускорителей с жесткой фокусировкой позволит увеличить энергию получаемых частиц при снижении массы магнитной системы. Однако и в этом случае строительство синхротрона будет под силу лишь экономически мощным государствам. Решение вопроса о строительстве такой машины возможно только в государственном масштабе, как, например, вопрос о строительстве нового города. Сравнение с городом здесь не случайно — рядом с ускорителем неминуемо вырастет научный центр с целым городом ученых, технического персонала и т. п. Один из таких новых городов вырос недавно в Батавии, в США. Там построен крупнейший в мире ускоритель на 500 ГэВ. Неудивительно, что идея нового ускорителя родилась в Радиационной лаборатории имени Лоуренса, где был построен и первый циклотрон, и "Беватрон" 1954 г. Предварительный эскизный проект синхротрона на 200 ГэВ был разработан инженерами-физиками в Беркли еще в 60-годах, когда определялось направление следующего этапа работ США в области физики высоких энергий. Несмотря на успехи ускорительной техники, обнадеживающие результаты экспериментов на крупных ускорителях, ряд коренных вопросов строения материи продолжает волновать неутоленное воображение ученых. Все эти вопросы "прекрасного, но все еще загадочного мира", возможно, могли бы быть решены в процессе экспериментов с соударениями частиц, еще более энергичных, чем те, которые получаются с помощью наиболее мощных синхротронов, включая даже Серпуховский. Кроме того, путешествие в мир столь экзотических энергий могло бы привести к весьма неожиданным открытиям. Настойчивость физиков привела к тому, что конгресс США одобрил в 1967 г. ассигнования в 250 млн. дол. на постройку "малого варианта" нового ускорителя ("большой вариант" стоил бы 350 млн. дол.). Из 125 мест, предложенных для постройки ускорителя, была выбрана плоская местность Кун-Холлоу вблизи Батавии в штате Иллинойс площадью 10 квадратных миль. Для постройки и эксплуатации будущего ускорителя была создана Исследовательская ассоциация университетов. Так возникла база для будущей Национальной ускорительной лаборатории США, директором которой был назначен Роберт Вильсон. Это он вспоследствии рассказывал о драматических событиях постройки уникального ускорителя. Получив 250 млн. дол., Вильсон и его новые сотрудники решили сделать ускоритель не на 200 ГэВ, как было запланировано, а сразу на 500 ГэВ. Отважные участники встречи 15 июня 1967 г. на месте постройки будущей машины решили построить ускоритель всего за пять лет (в этот день они не знали хотя бы приблизительно даже диаметра будущего ускорителя). Вообще говоря, диаметр ускорителя для получения большей энергии целесообразно было делать возможно большим, и поэтому его, казалось, должен был бы определить размер заданного участка. Однако стоимость ускорителя тем больше, чем больше диаметр магнитов, а она ограничена сверху ассигнованной суммой. Если задаться желаемой энергией частиц, то диаметр будет определяться уже тем максимальным магнитным полем, которое удастся обеспечить, и расстояниями между поворачивающимися магнитами. Был выбран диаметр, равный ровно 2 км. Часть окружности, примерно четверть ее, должна была быть освобождена для устройства ввода и вывода протонного пучка, ускоряющих и измерительных устройств. Тогда при магнитном поле 1,8 Тл можно было бы достичь энергии 400 ГэВ, а при магнитном поле 2,25 Тл — 500 ГэВ. Такое магнитное поле и даже значительно большее в принципе можно было бы довольно легко получить при помощи сверхпроводящих магнитов. Однако проектировщики решили не рисковать и остановились на хорошо освоенных электромагнитах со стальным сердечником. Важным параметром магнитов, определяющим их стоимость, является, как мы видели, апертура, рабочее пространство между полюсами магнита. Чем больше апертура, тем легче предотвратить рассеяние протонов на стенках камеры из-за их взаимного электростатического отталкивания и неточного "прицеливания". Большая апертура, однако, — это серьезное возрастание затрат на материалы сердечника и обмоток, на земляные работы (туннель становится шире и выше), на радиационную защиту и электроэнергию, затрачиваемую в обмотках. Точно рассчитать увеличение надежности работы ускорителя за счет увеличения апертуры вряд ли возможно, и проектировщики остановились на значении, подсказанном опытом и интуицией. Для примененной системы жесткой фокусировки был выбран зазор между полюсами 5 см и ширина полюсов 10 см на одной стороне магнитов и соответственно 3,8 и 12,5 см — на другой. Интересно обратить внимание на очевидную "нерасчетность" этих цифр (особенно если перевести их в дюймы), так же как и на случайный размер диаметра (2 км). В результате расчетов, проведенных на основе учета приведенных данных, длина каждого из 660 поворачивающихся магнитов (каждый массой 11 кг) оказалась равной 6,5 м, высота 30 см и ширина около 80 см. 180 фокусирующих магнитов имеют длину 2,3 м, весят каждый по 5 т. Функции поворота и фокусировки здесь, как мы видим, разделены. Крайне упрощена была система питания магнита. Вместо надежной, но дорогостоящей системы мотор-генераторов, дающей постоянный ток, здесь была установлена система мощных селеновых выпрямителей для выпрямления обычного трехфазного тока из сети. Крайне упрощен и фундамент — он не имеет бетонных опор, покоящихся на скальном основании. Возможные в этом случае перекосы магнитов снимаются специальными юстировочными устройствами. Сам туннель составлен из стандартных бетонных секций, установленных на не очень мощном бетонном монолите. И все же вся эта затея была, по выражению ее авторов, "бравадой". Некоторая доля риска и самонадеянности была социально обусловлена — нужно было привлечь к делу нужных людей. То, что эта идея в конце концов осуществлена и крупнейший в мире ускоритель заработал, — результат сочетания интуиции, осторожной смелости и упорства физиков и инженеров, случайного благополучного стечения обстоятельств и крайне удачного "поворота дела" в правительстве США, неожиданно для самих создателей ускорителя отпустившем им огромную сумму денег. Построенный ускоритель успешно работает. Исследователи планируют сделать его еще мощнее, заменив обычные магниты более сильными, сверхпроводниковыми. Ускорители — удовольствие дорогое. Например, ускоритель на 1000 ГэВ будет стоить около 1 млрд. руб., диаметр его секционированного кольцевого магнита составит около 7 км. На строительстве такого ускорителя будут заняты тысячи человек и сотни организаций. Правда, масса магнита при введении жесткой фокусировки для такой энергии частиц весьма умеренна — "всего" 30 тыс. т. Для защиты от излучения придется построить вокруг ускорителя бетонные стены толщиной 12 м. Возрастание энергии до столь высоких значений приводит к новым трудностям, касающимся фокусировки. Ведь диаметр ускорителя на 1000 ГэВ около 7 км, а для того, чтобы частица не уклонялась от равновесной орбиты и не терялась бы в полюсах магнита, необходимо устанавливать магнит с погрешностью до 0,01 мм. Магнитные системы этих гигантских ускорителей действуют по кибернетическому принципу. Любая погрешность в" изменении направления пучка тотчас же фиксируется приборами, и в ускоряющую систему из вычислительного центра подается команда об изменении ее параметров, которая должна перевести пучок-нарушитель на свою орбиту. А может быть, физики найдут какое-нибудь более изящное решение, которое позволит достичь новых колоссальных энергий путем сравнительно небольших затрат? Относительно недавно были предложены совершенно новые идеи создания сверхмощных ускорителей. Одна из них заключается в том, что ядро и цель — частица и мишень — "выстреливаются" навстречу друг другу с помощью сравнительно небольших ускорителей и сталкиваются с громадной, невиданной ранее силой. В числе лауреатов Ленинской премии 1967 г. были физики из Новосибирска Г.И.Будкер, А.А.Наумов, А.Н.Скринский, В.А.Сидоров, В.С.Панасюк. Им первым удалось осуществить на практике идею встречных электрон-позитронных пучков. В установке ВЭПП-2, магниты которой имеют диаметр всего лишь 3 м, новосибирским физикам удалось достичь энергии взаимодействия частиц, равной 2 млн. МэВ! Обычный линейный ускоритель на ту же энергию уместился бы не во всяком европейском государстве. Идея ускорителя без магнитов принадлежит Энрико Ферми, который, конечно, имел в виду обойтись именно без магнитов, но не без магнитного поля, иначе ускоритель получился бы колоссальной длины. Вместо поля магнитов Ферми предложил использовать магнитное поле Земли. Ускоритель типа синхротрона должен был бы представлять собой вакуумную трубу, опоясывающую земной шар вдоль магнитного экватора. Осуществление такого проекта могло бы дать пучки чрезвычайно энергичных частиц, однако стоимость ускорителя, по-видимому, оказалась бы громадной — ведь орбита частиц должна быть круговой, а Земля — далеко не идеальный шар. Чтобы обеспечить идеальную окружность, пришлось бы прорывать туннели, строить виадуки над океанами и т. д. А проблема обеспечения герметичности и высокого вакуума устройства, опоясывающего земной шар! Какую же энергию частиц можно получить с помощью ускорителей? Естественно, что самый большой возможный на нашей планете ускоритель должен располагаться по экватору Земли. Индукция магнитного поля определяемая насыщением стали, равна, скажем, 2 Тл. При этих условиях максимальная энергия ускоряемых протонов будет равна 10^10 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 будет достичь энергии порядка 10^8 МэВ. Большое преимущество такой системы — отсутствие необходимости вакуумировать рабочее пространство — ведь лунатрон будет размещен вне атмосферы (т. е. в условиях естественного высокого вакуума). Чрезвычайно интересная идея ускорителя предложена советским физиком академиком Г.И.Будкером. Она заключается в том, чтобы слабым наводящим полем создавать мощный круговой пучок электронов. Этот пучок стал бы, по сути дела, гибким шнуром, по которому течет очень сильный электрический ток. Электрический ток всегда создает магнитное поле, стремящееся уменьшить сечение проводника (пинч- эффект). Однако, чем меньше диаметр шнура, тем больше при том же токе магнитное поле, создаваемое на поверхности шнура. Г.И.Будкер предложил использовать это очень сильное магнитное поле как рабочее поле ускорителя. В пучке электронов диаметром 6 м можно удержать протоны с энергией вплоть до 10^4 МэВ. Большие надежды возлагают физики и на сверхпроводимость. Ограничителем магнитного поля ускорителей является индукция насыщения стали (около 2 Тл). Однако, если сталь из ускорителя убрать, возникнет много других проблем. Сопротивление магнитному полю ускорителя, например, сразу увеличится. Чтобы сохранить поток прежним, нужно сильно увеличить мощность питания обмоток, которая и при ускорителе со сталью была огромной. Мощность питания американского синхрофазотрона "Беватрон" составляла 100 тыс. кВт. Такую мощность потребляет город со стотысячным населением. При рассмотрении проекта ускорителя "Газовая и электрическая компания" тихоокеанского побережья специально занималась вопросом: не будут ли "садиться" все лампы в городах Беркли и Окленде, когда в ускорителе разгоняется пучок протонов. А ведь "Беватрон" — относительно небольшой ускоритель и к тому же со стальным сердечником. В ускорителях на 300 тыс. — 1 млн. МэВ без стали потребление электроэнергии будет гораздо больше. Соответственно более дорогостоящим и громоздким окажется сам ускоритель. Но если разобраться, эта колоссальная энергия будет в большей мере тратиться попусту. Для поддержания магнитного поля не требуется энергия: постоянный магнит ниоткуда не получает энергию, 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. Остальная электроэнергия тратится на нагревание обмоток, обладающих электрическим сопротивлением. Не будь сопротивления, потери бы исчезли. Если подсчитать, какая часть энергии в ускорителях используется полезно, то окажется, что она ничтожна. Именно с этим обстоятельством и связаны попытки использовать в качестве материала обмоток магнитов ускорителей сверхпроводник. У сверхпроводника омическое сопротивление отсутствует и, следовательно, потери энергии также отсутствуют. Другая положительная сторона применения сверхпроводящих обмоток — возможность сильного увеличения магнитного поля, а стало быть, и уменьшения радиуса ускорителя. Если удастся достичь магнитного поля 10 Тл, размеры ускорителей уменьшатся впятеро. В поисках новых путей, позволяющих более дешевым и эффективным способом получать частицы высоких энергий, ученые ФИАНа выдвинули идею построить в Протвино ускорительно-накопительный комплекс (УНК) на энергию ускоряемых протонов 3000 ГэВ. Большой вклад в развитие и осуществление этой идеи внес академик А.А.Логунов. Частицы энергий 70 ГэВ, ускоряемые на уже существующем Серпуховском ускорителе, будут "впрыскиваться" в УНК для дальнейшего ускорения. В УНК будут использоваться мощные сверхпроводящие магниты, которые позволят снизить длину окружности ускорителя с 60 до 20 км, резко уменьшить энергозатраты на питание магнитов. Несмотря на гигантские финансовые расходы, комплекс решено строить, и строительство начато. Ученые предполагают, что уникальный физический прибор поможет раскрыть самые сокровенные тайны строения вещества. Новый ускоритель будет стоить около миллиарда рублей, диаметр его секционного кольцевого магнита — около 7 км, а займутся строительством его несколько тысяч человек и сотни организаций. Защищаться от излучения такого ускорителя придется бетонными стенами двенадцатиметровой толщины. Строительство новых сверхмощных ускорителей вызовет 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 свяжут свой труд около 200 кандидатов и докторов наук — целая армия ученых. Поэтому в европейской печати довольно часто начинает проскальзывать мысль о том, что ускорители на такие большие энергии следует строить "всем миром" — т. е. в буквальном смысле силами всех развитых стран. Еще в 1963 г., когда В.И.Векслер получал международную премию "Атом для мира", он призвал к международному сотрудничеству ученых в деле постройки сверхмощных ускорителей: "Природа одна; проблемы, которые она представляет нам на данном этапе развития науки, очень часто имеют единственное решение, конечно, не зависимое от того, где живут — в Советском Союзе или в Соединенных Штатах — люди, стремящиеся найти это решение". Неизвестно, как в конце концов разрешится эта проблема — будут ли такие ускорители строить отдельные государства или группы государств, или, наконец, проблема попадет в ранг вопросов, решаемых ООН. А пока энергия ускорителей десятикратно увеличивается каждые шесть лет. Что же будет дальше?
|
Озарение.