Владимир Карцев - Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)
циклотроне полный набор орбит различных радиусов — от нуля до радиуса конечной
орбиты.
Однако, видимо, нет неизбежной необходимости иметь в ускорителе полный набор
орбит различных радиусов. Если бы магнитное поле в ускорителе с ростом энергии
частиц менялось, то согласно формуле r = mv/H 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
частиц. В этом случае стало бы возможным вместо цилиндрических полюсов оставить
узкое кольцо по краю полюса, а сердцевину полюса убрать вообще. Такие ускорители
позволяют при относительно небольшой (по сравнению с гипотетическим циклотроном
на ту же энергию) стоимости получать пучки частиц с колоссальными энергиями.
Кольцевые ускорители были главным достижением создателей ускорительной техники
после Лоуренса и Векслера. Природа давно оценила преимущества трубчатых
конструкций. Распилите кость — она внутри полая. Если бы она не была пустотелой,
она была бы тяжелее, но не прочнее. И природа выбрала инженерно правильное и,
следовательно, эстетически безупречное решение.
Кольцевой ускоритель — это ускоритель Лоуренса и Векслера, у которого вынута
сердцевина полюса магнита и оставлено лишь узкое кольцо. Масса магнита снижается
при этом в сотни раз, а ускоритель приобретает правильные, почти архитектурные
формы. Красота этого решения — в глубочайшей технологической целесообразности.
Кольцевые ускорители включают синхротроны и синхрофазотроны — самые крупные и
дорогостоящие физические приборы, когда-либо находившиеся в распоряжении
человека. Диаметр кольцевых магнитов таких ускорителей равен нескольким
километрам, магнитная система кольцевых ускорителей обычно состоит из нескольких
отдельных секторных магнитов, составляющих в плане кольцо. Между этими
секторными магнитами находятся ускоряющие промежутки. Стоимость магнитов
синхротронов и синхрофазотронов (между этими двумя типами ускорителей различие
невелико) составляет около половины стоимости всего синхротрона.
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, Э. 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
