В 1929 году в Кембридже (Англия) в Кавендишской лаборатории физик Д. Д. Кокрофт и Е. Т. С. Уолтон построили электростатический умножитель напряжения. С его помощью они разогнали протоны до энергий в 300 000 электронвольт. Два года спустя, бомбардируя на нем литиевую мишень, исследователи добились искусственного расщепления этого элемента.
В 1929 году американец Р. Ван де Грааф сконструировал электростатический генератор. В нем изолированный ременный привод переносил положительные или отрицательные заряды от источника к металлическому шару-кондуктору, на котором этот заряд накапливался. С помощью накопленного напряжения на шаре-кондукторе диаметром в один — полтора метра удавалось разгонять частицы до энергий, примерно равных миллиону электронвольт.
Но уже для получения энергий в 3—4 миллиона электронвольт диаметр шаров-кондукторов увеличивался до десяти метров. Их нужно было поднимать на высоту трех-четырехэтажного дома над землей и укреплять на тщательно изолированных колоннах. Конструкции стали приобретать слишком громоздкий вид.
В период с 1928 по 1933 год физики Браш, Ланж и Урбан (Швейцария) пытались получить напряжение в миллионы вольт, используя энергию молний. Для этого на горе Дженеросо, где атмосфера всегда щедро насыщена электричеством, они подвесили на высоте около восьмидесяти метров над землей металлическую сеть, которая собирала из туч положительные заряды, поднимая свой потенциал до десяти миллионов вольт.
Очевидцы рассказывали, что это было страшное устройство, работа с которым требовала много мужества. После того как напряжение на сетке достигало максимума, наступал разряд. Воздушный промежуток с треском пробивала огненная дуга длиной более четырех метров. Длился разряд примерно сотую долю секунды, и сила тока при этом достигала десятков тысяч ампер!
В один из дней во время опасного эксперимента погиб от разряда молнии, пойманный в сети, Курт Урбан. Вскоре после этого эксперименты на горе Дженеросо были прекращены.
В 1931 году физик Видероэ предложил новую конструкцию линейного ускорителя частиц, который и был построен Слоаном и Лоуренсом в США. Новая машина состояла из длинной тридцатиметровой трубы, из которой был выкачан воздух. Внутри друг за другом располагались цилиндрические электроды, на которые подавалось напряжение от высокочастотного генератора. Принцип действия машины был, грубо говоря, следующим: заряженная частица влетала в один конец трубы и получала в первом электроде некоторое ускорение. Но как она этот электрод пролетала, полярность напряжения менялась, и в промежутке между первым и вторым электродами частица уже отталкивалась первым и притягивалась вторым. Скорость ее еще увеличивалась.
То же самое происходило на протяжении длины всего ускорителя. Пролетая мимо тридцати ускоряющих электродов, к которым были приложены всего сорок две тысячи вольт переменного высокочастотного напряжения, пучок ионов ртути набирал на выходе энергию порядка миллиона электронвольт.
Принцип линейного ускорения оказался настолько целесообразным, что подобные машины используются и в настоящее время, только сегодня они стали, конечно, намного мощнее.
В сентябре 1930 года на собрании Академии наук в Берлине А. Е. Эдлефсен и Э. О. Лоуренс высказали идею создания циклического ускорителя — циклотрона. А в 1932 году Лоуренс закончил отладку первой модели этой машины. Семь лет спустя Э. Лоуренсу за это изобретение была присуждена Нобелевская премия.
Циклотрон состоит из трех основных частей: электромагнита, генератора высокой частоты и вакуумной камеры с небольшим количеством какого-нибудь газа. В центре камеры раскаленная вольфрамовая нить испускает электроны, которые ускоряются расположенным под нею электродом с напряжением порядка тысячи вольт. Эти электроны бомбардируют атомы газа, разбивают их на ионы (ионизируют газ). (Если в камеры добавлен водород, то его ионами становятся протоны). Под действием магнитного поля они начинают кружиться в камере. Если теперь надеть на вакуумную камеру два электрода в виде половинок консервной банки и подвести к этим половинкам переменное напряжение высокой частоты, то ионы станут разгоняться. При этом траектории их из окружностей превратятся в спирали, и на последнем витке ионы можно вывести из циклотрона через специальное «окно» и направить в мишень.
Принцип циклического ускорения сегодня, пожалуй, самый распространенный при постройке новых машин. У нас первая модель циклотрона была построена под руководством И. В. Курчатова в 1932 году в Ленинградском физико-техническом институте. Скромная машинка. Полюса ее магнита не превышали по диаметру и двадцати пяти сантиметров. А протоны в ней удавалось разгонять всего до одной трети миллиона электронвольт. Но это было славное начало. Советские физики понимали важную роль ускоряющих машин, и потому скоро в Радиевом институте был заложен циклотрон, который начал работать в 1937 году.
Позже академик И. К. Кикоин писал: «В течение очень короткого времени работы этой лаборатории, выполнявшиеся фактически под руководством И. В. Курчатова, вышли на уровень работ мировых лабораторий, имевших давнишний опыт».
Накопив опыт на строительстве и отладке циклотрона Радиевого института, группа Курчатова форсировала работы по проектированию самого большого в Европе циклотрона для Ленинградского физико-технического института. Заводы города Ленина во всем шли навстречу ученым. На «Электросиле» взялись изготовить электромагнит сверх плана. А это задача не простая. Сооружение должно было иметь диаметр полюсов 1, 2 метра, а проектный вес — 75 тонн…
Вскоре были готовы высокочастотный генератор, кольцевая вакуумная камера, генератор питания ионного источника. Во дворе института в торжественной обстановке было заложено здание новой циклотронной лаборатории.
22 июня 1941 года в воскресном выпуске газеты «Правда», была помещена информация под заголовком: «Советский циклотрон». В ней говорилось: «В Лесном, на территории Физико-технического института Академии наук СССР недавно построено двухэтажное здание, похожее на планетарий… Внушительное впечатление производит круглый зал, построенный целиком из железа и стекла. Он покоится на восьми массивных стальных колоннах. В ближайшее время здесь будет установлен 75-тонный электромагнит высотой около 4 метров. Диаметр его полюсов — 1200 миллиметров».
Пуск циклотрона намечался на 1 января 1942 года. А текст информации был набран всего за несколько часов до начала Великой Отечественной войны.
Принцип устройства циклотрона
С тех пор прошло много лет. Циклотроны скоро перестали удовлетворять физиков, поскольку с их помощью удавалось ускорять протоны лишь до энергий порядка 20 МэВ. А этого было мало. Но при дальнейшем ускорении, когда атомные снаряды достигали скоростей, примерно равных одной пятой скорости света, начинали сказываться релятивистские эффекты. Нарушились условия синхронизации, то есть время одного оборота частицы переставало совпадать с частотой ускорящего напряжения. Пришлось срочно придумывать и вводить дополнительные устройства. Трудность эту удалось обойти, постепенно уменьшая частоту ускоряющего поля. Но циклотрон при этом превратился в синхроциклотрон, машину более сложную, но позволившую поднять энергию протонов до 800 МэВ. Существенный выигрыш, но и его скоро стало не хватать.
Дальше на пути конструкторов и строителей атомных машин встали такие трудности, как размеры и стоимость электромагнита, под гигантскими полюсами которого разворачивались спиральные траектории разгоняемых частиц. А нельзя ли вообще отказаться от самой идеи спирального разгона частиц в поле массивного постоянного магнита?..
Схема размещения главных частей протонного синхротрона: 1 — кольцо электромагнитов; 2 — отклоняющие магниты; 3— фокусирующие магниты; 4 — радиочастотные прямолинейные резонаторы, создающие ускоряющее электрическое поле
Схема ускорителя, работающего в режиме фиксированной (неподвижной) мишени
В 1944 году советский физик В. И. Векслер, а в 1945 году американский физик Э. М. Макмиллан независимо друг от друга открыли принцип автофазировки. Теперь орбита полета частиц имела постоянный радиус, а напряженность магнитного поля менялась со временем. Новое поколение атомных машин назвали синхротронами. И до наших дней все ускорители, до самых больших, имеют в своей основе синхротронный тип. Представляют они собой трубу, свернутую в кольцо, из внутреннего пространства которой выкачан воздух и создан высокий вакуум. Получается кольцевая вакуумная камера, в которой движутся частицы. На всем протяжении их пути вдоль всего кольца располагаются друг за другом двухполюсные магниты, которые отклоняют частицы и заставляют их лететь по окружности. Стоят здесь же и четырехполюсные магниты, создающие фокусирующие магнитные поля. Они, как линзы, собирающие лучи света, сжимают летящие частицы в узкий пучок… Между сотнями таких криволинейных секций находятся прямолинейные резонансные полости, к которым приложено ускоряющее напряжение. В них разгоняемые частицы как бы получают толчок, подталкиваются, чтобы бежать быстрее. Когда скорость частицы близка к скорости света, ее энергия оказывается пропорциональной радиусу траектории и максимальной величине магнитного поля. Но рост магнитного поля в обычных магнитах с железным сердечником ограничен, как известно, насыщением железа. Следовательно, для увеличения энергии ускорителя нужно увеличивать его радиус. Существует любопытное равенство, позволяющее представить себе необходимые размеры такой атомной машины — при учете разумного потребления электроэнергии. Для питания магнитов и вообще всего оборудования большого синхротрона приходится затрачивать колоссальные количества электричества. Это равенство выглядит так: 200 Х Д (ГэВ). Здесь Д — диаметр кольца ускорителя в километрах.
Конечно, мечта всех конструкторов — построить электромагниты с катушками из сверхпроводника! Тогда мощность магнитных полей удалось бы сразу значительно увеличить. Может быть, в недалеком будущем — в связи с последними открытиями в области физики сверхпроводимости — эта мечта и осуществится…
Схемы двух типов ускорителей на встречных пучках: а — ускоритель частиц, имеющих одинаковые заряды, должен обладать двумя кольцами магнитов; б — ускоритель для пучков частиц с разными зарядами может иметь одно кольцо магнитов
Среди синхротронов существует два основных типа машин. Первый — ускоритель с неподвижной мишенью. Здесь ускоренный пучок частиц направляется на мишень, обычно составленную из узких металлических стержней. Частицы сталкиваются с ядрами атомов мишени, и часть их энергии превращается в эквивалентную ей массу новых народившихся частиц. К сожалению, на сам акт рождения новых частиц тратится лишь малая доля достигнутой энергии.
Второй тип ускорителей позволяет обойти это ограничение. Это ускорители на встречных пучках: два пучка ускоренных частиц встречаются в камере, как говорится, «лоб в лоб», благодаря чему полезная энергия удваивается. Один из таких ускорителей, построенный в Женеве, состоит из двух колец магнитов, которые пересекаются в восьми местах. Каждое кольцо заполняется в течение нескольких часов частицами из протонного синхротрона. Образовавшиеся пучки циркулируют несколько дней, сталкиваясь в местах пересечений… О размерах этой атомной машины можно судить по тому хотя бы, что диаметр кольца этого суперпротонного синхротрона в ЦЕРНе равен 2,2 километра, а длина окружности — почти 7 километров.
Первые ускорители на встречных пучках были электрон-электронные, и лишь позже в них стали использоваться более массивные протоны. Такие ускорители были построены в Новосибирске под руководством В. И. Векслера.
В 1981 году в ЦЕРНе (Женева) успешно введен в действие большой протон-антипротонный ускоритель с энергией при столкновении около 540 ГэВ. Именно на этой машине группа физиков под руководством известного итальянского специалиста К. Руббиа получила самое выдающееся достижение предпоследнего десятилетия XX века. Летом 1983 года в серии экспериментов экспериментаторы уверенно подтвердили предсказанные теоретиками тяжелые промежуточные бозоны W+ и W— с массами около 80 ГэВ, а также обнаружили сверхтяжелые Z0-бозоны с массой порядка 90 ГэВ. Но об этом достижении речь еще пойдет дальше. Говоря о современных ускорителях на встречных электрон-позитронных лучах ЛЭП, нельзя не упомянуть о гиганте ЦЕРНА — 50 ГэВ + 50 ГэВ. На него возлагаются большие надежды.
Сейчас я перечислю наиболее крупные атомные машины, построенные в мире за последние десятилетия, и вы будете в курсе современных технических новостей. Только прежде разобьем ускорители на два основных типа: линейные и циклические.
Электростатические линейные ускорители разгоняют заряженные частицы, проходящие вдоль длинной трубы с увеличивающейся разностью потенциалов. В циклических же ускорителях частицы совершают множество оборотов по замкнутым или спиральным орбитам, подстегиваемые на каждом обороте переменным электрическим полем.
Среди циклических ускорителей различаются несколько типов в зависимости от метода фокусировки — обеспечения устойчивости движения частиц по расчетным орбитам — и от метода управления расчетными орбитами. Если ускоритель имеет постоянное магнитное поле и частота ускоряющего электрического поля тоже постоянна, то его называют циклотрон. Если же магнитное поле остается постоянным, а частота переменного электрического поля меняется в процессе ускорения, то такой ускоритель называется фазотроном (или синхроциклотроном). А ускорители с переменным во времени магнитным полем называются синхротронами. Эти типы атомных машин рассчитаны на получение наибольших энергий.
Расположение мощного ускорителя на встречных пучках (электроны — позитроны), введенного в строй в ЦЕРНе. Именно на нем были получены подтверждения существования промежуточных бозонов
У каждого типа описанных машин есть свои достоинства и недостатки. Одним же из общих недостатков их являются то, что сооружение таких ускорителей обходится очень дорого и потребляют они массу энергии.
За последние десятилетия были построены могучие линейные ускорители электронов. В 1959 году самой мощной машиной был ускоритель Орсе, построенный во Франции.
Это была огромная труба длиной в 360 метров. Электроны в конце ускорителя приобретали максимальную энергию в 2,1 ГэВ. Французский рекорд продержался недолго. В 1964 году в западногерманском городе Гамбурге заработал ускоритель электронов DESJ. Его трубу свернули в кольцо радиусом всего пятьдесят метров. Максимальная энергия электронов на выходе получалась равной 7,5 ГэВ.
В 1965 году вступил в строй харьковский линейный ускоритель на 1, 8 ГэВ максимальной энергии. А в 1966 году американцы сдали в эксплуатацию самый длинный линейный ускоритель длиной в три километра. Построили его в Стенфорде. Максимальная энергия электронов этого монстра была порядка 22 ГэВ.
В 1967 году одновременно вступили в строй сразу несколько циклических ускорителей электронов: NINA в Дересбери (Англия) на 5 ГэВ, АРУС в Ереване (СССР) на 6 ГэВ и ускоритель Корнельского университета (США) на 12 ГэВ.
В Советском Союзе физики получили в подарок новый ускоритель протонов в Серпухове. Это была серьезная машина. Радиус ее кольцевой камеры — 236 метров, а максимальная энергия протонов на выходе — 76 ГэВ.
Пять лет спустя в Батавии (США) заработал гигантский протонный синхротрон на максимальную энергию в 500 ГэВ. Радиус этой машины — ровно километр. Сейчас энергия протонов на нем повышена до 800 ГэВ. С 1976 года в Женеве работает ускоритель такого же типа с энергией 400 ГэВ. В Советском Союзе сооружается протонный ускоритель УНК на 3 ГэВ.
Однако ускорители — отнюдь не единственные приборы, которыми можно ограничиться при исследовании частиц высоких энергий. Для результативного эксперимента и для расшифровки его последствий, для понимания сущности происходящего ученым требуется целый комплекс, состоящий из ускорителей частиц, детекторов и сложной системы анализа данных поставленного эксперимента. Большинство из родившихся при высоких энергиях частиц недолговечны и в естественных условиях существовать не могут. Сроки их жизней ничтожны, а следы, которые они оставляют, пребывая в нашем мире, эфемерны и едва заметны. И если ускоритель — микроскоп для проникновения во внутриядерные явления, то задача детекторов различных типов — измерить свойства и зарегистрировать поведение почти неуловимых частиц в краткий миг их существования. То есть детекторы должны заметить и проявить все или большинство результатов столкновений…
Детекторы могут быть визуального типа. Примером первых удачных таких приборов была камера Вильсона, а ныне ей на смену пришла пузырьковая камера, сконструированная в 1952 году американским физиком Доналдом Артуром Глазером. Такие детекторы позволяют увидеть и сфотографировать треки заряженных частиц, составленные из цепочек очень мелких пузырьков. В качестве жидкостей, заполняющих пузырьковую камеру, используются обычно жидкий водород и жидкий пропан. И то, и другое — весьма взрывоопасные субстанции и в обращении с собою требуют величайшей осторожности.
Результатами, выдаваемыми пузырьковой камерой, являются сотни тысяч фотографий. Их нужно внимательно просмотреть, замерить, чтобы потом восстановить точную картину состоявшегося события в пространстве трех измерений. Сильное магнитное поле, в котором работает пузырьковая камера, искривляет траектории частиц. По кривизне треков физики определяют импульс, энергию и заряд, то есть заполняют «паспорт» гостьи, возникшей из небытия…
Следующий тип детекторов — электронный. Они позволяют восстановить траектории частиц по электронным сигналам. Эти сигналы записывают числовым кодом на магнитных лентах, после чего подвергают анализу.
Наконец, третье звено, участвующее в физическом эксперименте, система анализа данных — ЭВМ!.. Любой запланированный опыт на ускорителях дает огромное количество данных, которые с большой скоростью поступают и накапливаются либо на фото-, либо на магнитной пленках, на любом, в общем-то, носителе информации.
Векслер Владимир Иосифович (1907—1966) — советский физик, академик. В 1931 году окончил Московский энергетический институт. Работая во Всесоюзном электротехническом институте, в Физическом институте ЛН СССР.
С 1966 года В. И. Векслер работая в Объединенном институте ядерных проблем.
Всемирной известностью пользуются работы В. И. Векслера по теории ускорителей. Многие из них явились ключом к новому этапу развития ускорительной техники для получения частиц весьма высоких энергий. На новом принципе автофазировки частиц, предложенном В. И. Векслером, основаны такие типы ускорителей, как синхротрон, фазотрон и другие типы атомных машин.
И все эти данные должны быть тщательно проанализированы, сравнены друг с другом, рассчитаны… Трудно даже представить себе весь тот объем информации, который должен быть обработан для окончательного анализа. Без быстродействующих вычислительных машин с большой «памятью» такая работа была бы попросту невозможна.
Иногда приходится слышать: «Как дороги такие эксперименты! И так ли уж они необходимы, если учесть, что в окружающей нас жизни столь многого еще не хватает… Не хватает хлеба, чтобы накормить голодных, не хватает жилья, медикаментов, одежды…» Все это правильно! Только стоит ли забывать о том, какое огромное стимулирующее значение имеет развитие фундаментальных знаний для технических наук, а следовательно, и для повседневной нашей жизни. Затраты на гигантские ускорители расширяют наши возможности в других отраслях — способствуют развитию науки, промышленности, цивилизации и культуры в целом. И горе тем, кто думает, что физика высоких энергий — детские забавы, направленные на удовлетворение любознательности специалистов и на то, чтобы за народные средства тешить самолюбие горстки ученых. Применение ЭВМ и новейшей контрольной аппаратуры не только увеличивает производительность труда, но и меняет стиль мышления. Без них армия научных работников и инженеров сегодня — это скорее народное ополчение с луками и копьями в руках.
В последние годы все страны наперегонки строили машины для ускорения частиц — одну мощнее другой.
Но создание ускорителей — это не только технически сложная задача. Современная наука вышла на такие рубежи, когда даже сравнительно простой эксперимент требует чрезвычайно сложного и дорогостоящего оборудования. Прошло время, когда экспериментатор при помощи подручных материалов «полоски резины и собственной слюны» мог соорудить любой необходимый прибор. Сегодня сложность устройства и стоимость «экспериментального оборудования» конкурирует с постройкой, например, крупной электростанции, а то и небольшого города со всеми отраслями коммунального хозяйства.
Понятно, что успешное решение таких задач под силу только очень высокоразвитым в научном и экономическом отношении государствам. Большинство ученых мира это хорошо понимают. Одна из возможностей сделать исследования фундаментальных проблем науки менее тяжким бременем для экономики стран заключается в международном объединении усилий. То, что трудно одному государству, то — значительно легче нескольким. Вместе строить, вместе и эксплуатировать сложное и дорогостоящее оборудование.
Такое международное сотрудничество уже приносит свои плоды. В Советском Союзе успешно работает Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне. В Женеве работает Европейский центр ядерных исследований — ЦЕРН.
Ученые разных стран ведут в них совместные исследования, совместно ставят наиболее интересные и дорогостоящие эксперименты.
В последнее время специалисты обсуждают возможность сооружения ускорителя с энергией до 10 000 ГэВ (10 ТэВ). Это задача исключительно сложная как и в техническом отношении, так и в экономическом. Ее совместное решение под силу только самым высокоразвитым странам. Построенная совместно могучими державами, новая мощная машина сможет открыть путь к принципиально новым процессам в микромире.