Страница 48 из 74
В 1929 году Скобельцын установил, что лучи, приходящие из вселенной, зачастую проявляют себя не в виде отдельных редких пуль, а целыми ливнями, наподобие шрапнельных осколков. Внедряясь в воздушную оболочку нашей планеты, походя круша встречные молекулы, они вызывают целый фейерверк микрокатастроф, сыплющий искрами по сторонам осколки атомов и новые, элементарные частицы. Стало очевидно: стремительный корпускулярный поток порождает качественно иные явления, которые невозможно или очень трудно наблюдать, если оперировать традиционными малыми энергиями — как при бомбардировке веществ обычными, сравнительно медленными ядерными частицами. Увы, новый инструмент исследования не только радовал своей невиданной мощью, но и огорчал грубостью. Нерегулярные по времени, неоднородные по энергии, разношерстные по составу, небесные пулеметные очереди все меньше устраивали ученых. Все настойчивей заявляла о себе потребность в иной канонаде — столь же сокрушительной, но к тому еще и хорошо организованной, легко поддающейся управлению.
Трудно сказать, кто, где и когда впервые подал мысль об ускорителе. Идея зрела исподволь во многих странах. В конце концов вакуумная трубка, с помощью которой Рентген в 1895 году открыл лучи, названные его именем, — тоже ускоритель, правда, линейный, не кольцевой. В нем электроны, срывавшиеся с катода, разгонялись электрическим полем и, проносясь мимо анода, с силой бились о мишень — об антикатод. Тормозясь в нем, они отдавали избыток своей энергии в виде всепроникающих квантов. Но там разность потенциалов не превышала 50 тысяч вольт. И, стало быть, пройдя ее, наша однозарядная частица обретала энергию не более 50 тысяч электрон-вольт, то есть в сотни раз меньше, чем требовалось для вторжения в атомное ядро.
В принципе, конечно, можно было создать длиннющую вакуумную трубку, равноценную десятку или хоть сотне обычных. Иной путь наметили харьковские физики (К. Д. Синельников и другие). Конструируя небольшой импульсный генератор на полтора миллиона вольт для получения быстрых ионов и электронов, они задались вопросом: а не лучше ли свернуть цепочку в кольцо, в спираль и таким образом обойтись меньшим количеством звеньев? В 1930 году они даже испытали устройство, напоминающее циклотрон. Но довести эту идею до логического конца суждено было другому. Должен же кто-то стать первым!
Первым стал Эрнест О. Лоуренс, доктор философии Калифорнийского университета (США). В 1932 году он соорудил свою установку.
В том же 1932 году по инициативе Л. В. Мысовского в Радиевом институте был заложен первый в Советском Союзе и Европе однометровый циклотрон. Он сыграл свою роль в развитии нашей ускорительной техники: его запуск и эксплуатация стали своеобразной генеральной репетицией накануне наших всемирно прогремевших премьер, начавшихся сооружением шестиметрового синхроциклотрона в Дубне.
Тем временем группа Лоуренса сконструировала новый ускоритель, рассчитанный на энергию частиц в 60 миллионов электрон-вольт. Увы, он не оправдал возлагавшихся на него надежд: не был способен сообщать частицам запланированную мощь. Самое большее, на что у него «хватало пороху», — разгонять их до энергии в 20 миллионов электрон-вольт — втрое меньше. И ничего тут нельзя было поделать, если бы не…
Спасательный круг, за который ухватился Лоуренс, — принцип автофазировки. Эта идея впервые сформулирована советским ученым В. И. Векслером в серии его статей, вышедших в 1944–1945 годах, и независимо от него американским физиком Э. Мак-Милланом.
Как пришпорили кентавра
«Циклоп» Лоуренса оказался слабосильным вот почему.
В нем протон или иной ион описывает Архимедову спираль. Трасса эта, похожая на пружину часового механизма, пролегает между двумя широкими и плоскими торцами (полюсами) постоянного магнита, поле которого, собственна, и закручивает ее в спираль. Протонная «карусель» организована в вакуумной камере внутри кожуха, напоминающего большую банку из-под гуталина, разрезанную надвое по диаметру. Обе половинки суть не что иное, как электроды (их называют дуантами). Между ними от края и до края проходит узкая щель. Раскручиваясь от центра «банки» к ее периферии, частица за один полный цикл дважды пересекает эту поперечную зону, причем во время первого полувитка она двигается через зазор в одну сторону, а в течение второго — в обратную, но электрическое поле тоже каждый раз меняет свое направление на противоположное, так что, когда частица пролетает через ускоряющий промежуток, оно всегда должно сопровождать ее бодрящим толчком в спину. Только вот всегда ли?
В соответствии с теорией относительности масса движущегося тела возрастает тем заметнее, чем ближе его скорость к световой, предельной — именно этот релятивистский эффект и сказался при переходе к большим энергиям. Утрачивая прежнюю легкость, частица становится менее поворотливой и уже не поспевает в урочный момент к тому участку, где ее должно подхлестнуть электрическое поле. Запоздав, она вместо подбадривающего толчка может встретить даже противодействие, тормозящее ее полет, — поле-то переменно! А нужно, чтобы периодичность, с какой она делает витки, равнялась частоте электромагнитного «погонялы» и оба колебательных процесса согласовались по фазе — четко «работали» в такт, совпадали по направлению. Как же сделать, ломали себе голову конструкторы, чтобы частицы не выбивались из ритма? Не подогнать ли к их нарастающим опозданиям расписание ударов электродного бича? Поначалу казалось: если постепенно увеличивать время между толчками, то все равно не удастся приспособиться к неаккуратному прибытию всех или даже большинства микротелец — нельзя же, право, для каждого из них подбирать свое удлинение периода!
Но при определенных условиях частицы сами будут дружно приспосабливаться к изменению частоты — к такому парадоксальному на первый взгляд выводу пришел Владимир Иосифович Векслер.
Пусть одна из спутниц отстала от своего роя и пожаловала к ускоряющей щели не в заданной фазе, так что получила вдогонку совсем слабый импульс. Значит, ее масса возрастет в меньшей степени, чем у остальных, и теперь уже начнут отставать от нее те, другие. Быстролетная странница, которая прежде плелась в хвосте, через несколько оборотов вырвется вперед и придет к зазору между дуантами раньше прочих. Если при этом разгоняющее поле наградит ее более чувствительным «тумаком», чем следующих за ней, она рано или поздно снова переместится из авангарда в арьергард.
Меняя темп, частицы будут колебаться около некой равновесной фазы. В результате такого саморегулирования вся «компания», невзирая на отдельные отклонения от общего правила, на некоторый внутренний разброд и даже отсев «отбившихся от стада», в среднем, в своем большинстве не утратит единства действий. Так что ее поведение (скажем, совместное отставание от первоначального расписания) может быть согласованным. И его удастся подчинить одному режиму, подобрав закон, по которому должна изменяться частота ускоряющего поля, — чтобы не нарушалась синхронность, согласованность во времени между круговращением всей «карусели» и толчками ее электрического «мотора».
Вскоре Лоуренс, усовершенствовав свое детище в соответствии с рекомендациями теоретиков, довел его мощность до 350 миллионов электрон-вольт. Проектная цифра оказалась превзойденной почти в шесть раз. Только прежнее устройство стало именоваться теперь синхроциклотроном, или фазотроном, ибо в нем частота на ускоряющем промежутке уже не оставалась постоянной, а регулировалась так, как того требовал новый режим. Через некоторое время все рекорды были побиты фазотроном в Дубне — чуть ли не 700 миллионов электрон-вольт!
В 1947, а затем и в 1949 году в Москве, в том же ФИАНе, появились сравнительно небольшие установки — первая на 30, вторая на 250 миллионов электрон-вольт. Созданные под руководством В. И. Векслера, они интересны тем, что в них периодичность электрического поля сохраняется одной и той же, зато напряженность магнитного меняется во времени. Их окрестили синхротронами. Если же варьируются оба параметра, получается «гибрид» — синхрофазотрон.