10-28. Сверхвысокие энергии
Несколько миллиардов электроновольт — такова достигнутая в современных ускорителях энергия заряженных частиц. Но в космических лучах встречаются частицы с энергией, в миллионы раз более высокой. Возможно ли будет когда-либо получить такие «сверхэнергичные» частицы при помощи ускорителей?
В современных циклических ускорителях с кольцевым магнитом радиусы магнита и лежащей между его полюсами вакуумной ускорительной камеры растут пропорционально энергии частиц (три данной напряженности Н поля магнита). Если при энергии в 1010 электроновольт радиус магнита может быть порядка, скажем, 6 м, то при энергии 1016 эв радиус магнита должен быть равен 6 тыс. км, т. е. радиусу земного шара. Вакуумная камера такого ускорителя должна опоясать Землю по большому кругу.
Можно уменьшить размеры циклического ускорителя, если увеличить напряженность магнитного потока, пронизывающего ускорительную камеру. Стальные сердечники хорошо ведут себя при магнитной индукции до 15 тыс. гс. Дальше наступает насыщение. Существуют проекты бессердечниковых магнитов, позволяющих получить более высокие индукции. Упоминавшийся выше профессор Олифант, работающий в настоящее время в Австралии, предложил конструкцию безжелезного ускорителя, в котором индукция должна достигать 100 тыс. гс. Максимальное значение токов в обмотке магнита этого ускорителя около 1,5 млн. а! Между проводниками обмотки возникают электродинамические усилия порядка 18 т на каждый погонный сантиметр длины обмотки. Обмотка должна питаться от специальных генераторов постоянного тока (униполярных генераторов), роторы которых для уменьшения потерь на трение вращаются в атмосфере водорода.
Ускоритель Олифанта будет иметь радиус 3,6 м и сможет давать импульс не чаще, чем раз в 10 мин. Максимальная же энергия частиц будет не выше, чем в проектах ускорителей с сильной фокусировкой.
Пока не видно путей к тому, как получить еще большие напряженности магнитных полей при помощи обмоток, сделанных из медных, алюминиевых или серебряных проводников.
10-29. Пустота служит обмоткой
Осенью 1941 г. вокруг Ленинграда сомкнулось кольцо блокады. На заводе «Светлана» (об этом заводе уже упоминалось выше в связи с опытами по линейным резонансным ускорителям) оказалось много незагруженного высокочастотного оборудования. Я воспользовался им, чтобы провести давно задуманные опыты с токами, индуктированными в газовой среде. Удалось создать высокочастотные трансформаторы, вторичной обмоткой которых служили не витки проволоки, а кольцо ионизированного газа. В это кольцо, свободно парящее в воздухе, подобно кольцу дыма, какие любят пускать опытные курильщики, удавалось вводить токи в сотни ампер и мощности в сотни киловатт. До этого никто не работал с такими мощными безэлектродными электрическими разрядами. Наше кольцо ионизированного газа испускало столько света, что в ясный день давало тень против солнца. При некоторых условиях кольцо стягивалось в огненный комок, подобный шаровой молнии. В этом безэлектродном электрическом пламени «горел воздух», т. е. кислород и азот энергично соединялись, образуя бурые удушливые газы. Возникли идеи — применить такой электрический разряд для различных электрохимических производств, в частности для получения азотной кислоты.
Но тем временем положение в Ленинграде становилось все более тяжелым: усилился обстрел города, прекратилась подача электроэнергии, на заводе перестало действовать отопление, и опыты с высокочастотными установками, естественно, прекратились. Некоторые данные об этих работах были опубликованы в 1942 г.
После окончания войны результаты наших опытов оказались полезными при проектировании и расчете новых типов высокочастотных устройств для промышленного нагрева. Нам удалось построить трансформаторы со вторичной обмоткой из стекла, которое, как известно, в обычном состоянии является диэлектриком. Высокочастотные трансформаторы со «стеклянными обмотками» были использованы в качестве печей. Такие печи, в которых стекло плавится индуктированными вихревыми токами, сейчас работают на отечественных заводах. В них получают особо чистое, высококачественное стекло.
В связи с развитием циклических ускорителей у советского ученого Г. И. Будкера возникла идея применить кольцевой безэлектродный разряд в пустоте для создания сверхмощных магнитных полей, которые могли бы направлять сгусток ускоряемых заряженных частиц. Г. И. Будкером был проведен ряд интересных опытов и расчетов.
Известно, что вокруг замкнутого электронного луча возникает магнитное поле, которое стремится стянуть этот луч в возможно более тонкую нить. При некоторых условиях плотность тока в луче может достигнуть сотен тысяч ампер на квадратный миллиметр поперечного сечения луча. Напряженность магнитного поля вблизи поверхности электронного луча будет в несколько раз больше, нежели в гигантских катушках Олифанта. Многое здесь все же еще неясно. Есть опасения, что такой луч может начать изгибаться, змеиться. Во всяком случае, до сих пор еще неизвестны разработанные конструкции ускорителей с таким замкнутым электронным лучом.
10-30. "Дуэль" ускорителей
Американский физик Керст, который построил первый работающий бетатрон, высказал идею: устроить «дуэль» двух ускорителей и столкнуть встречные потоки заряженных частиц. Если это два ускорителя на энергии в десятки миллиардов электроновольт, то эффект встречного столкновения будет такой же, как при ударе о неподвижную мишень потока заряженных частиц, ускоренных до энергий в тысячу миллиардов электроновольт. Но можно ли практически осуществить такое столкновение? Какова его вероятность?
Высказывались идеи о переносе опытов по ускорению заряженных частиц в космические просторы. Предполагалось создавать в высоком вакууме мирового пространства потоки заряженных частиц, управлять этими потоками при помощи искусственных спутников, которые в свою очередь должны получать управляющие команды с наземных станций и передавать на эти станции данные об опытах.
Множество остроумных специальных деталей привлекает внимание во все новых проектах ускорителей, публикуемых в печати.
Можно любоваться этими проектами, как мы любуемся прекрасными произведениями живописи и скульптуры, с той, правда, разницей, что в области ускорителей все очень быстро выходит из моды. То, что вчера казалось новым и оригинальным, назавтра сдается в архив.
История ускорителей заряженных частиц не насчитывает и трех десятилетий. За этот срок достижимые энергии выросли от долей мегаэлектроновольта до тысяч мегаэлектроновольт.
Примерно каждые 6 лет достижимые энергии увеличивались в 10 раз. Это можно видеть из представленного на рис. 10-18 родословного древа «семейства ускорителей».
Одна мысль в истории развития ускорителей должна быть подчеркнута. Чем большую энергию требуется получить, тем больше ступеней ускорения должен пройти сгусток частиц, тем дольше продолжается игра электромагнитных волн и заряженных частиц и тем меньше остается к концу цикла ускорения уцелевших, накопивших энергию частиц1. Это дало повод для шутки, что со временем появятся ускорители, которые будут давать одну частицу сверхвысокой энергии в неделю.
1 Напомним, что бетатрон дает 50 порций ускоренных частиц в секунду, существующие синхрофазотроны — одну порцию в несколько секунд, а безжелезный синхрофазотрон Олифанта — одну порцию ускоренных частиц в несколько минут.
Рис. 10-18. Ускорители заряженных атомных частиц.
Разнообразные типы ускорителей показаны в виде ответвлений от общего ствола. Горизонтальные линии отмечают уровни энергии в миллионах электроновольт (Мэв).
Слева сгруппированы ускорители прямого действия. Эта ветвь обозначена буквами ВВ — высоковольтные установки. Во всех этих установках энергия частиц прямо пропорциональна тому напряжению, которое фактически прикладывается к ускорительной трубке. 10 Мэв — это потолок для всех высоковольтных устройств (ВВ).
В ветви ВВ три подразделения. Слева И пос. Н — источники постоянного напряжения. Справа — И пер. Н — источники переменного напряжения. Между ними ИГ — импульсные генераторы.
К источникам постоянного напряжения относятся электростатические генераторы — ЭСГ и каскадные выпрямители КВ, которые бывают с емкостной и индуктивной связью каскадов.
Источники переменного напряжения могут работать с токами низкой частоты — ТНЧ и с токами высокой частоты — ТВЧ.
До напряжений порядка сотни мегавольт поднимается ветвь вихревых ускорителей В. Собственно, в этой ветви имеется один-единственный представитель — бетатрон, обозначенный на рисунке буквой Б.
Вправо от общего ствола идет ветвь резонансных ускорителей — РУ. Именно на этой ветви непрестанно возникают все новые и новые побеги, стремящиеся все выше, ко все более грандиозным энергиям заряженных частиц.
10-31. Перспективы
Энергия, сообщаемая элементарным частицам ускорителями, непрерывно растет. За время с 1930 по 1965 гг. она увеличится от 101 до 102 эв, т. е. в 103 раз за 35 лет. До конца текущего века, вероятно, возможно создание ускорителей, рассчитанных на энергию частиц 104 эв.
Подобные ускорители позволят приблизиться в земных лабораториях к энергиям космических частиц. Одним из первых шагов на пути достижения больших энергий является спаренная работа двух ускорителей, выводящих частицы на две орбиты с общей касательной. Частицы разных направлений встречаются на общем участке образования пакетов. Энергия частиц может быть в этом случае доведена до 105 эв и больше.
10-32. Заключение
Физику атомного ядра иногда сравнивают с астрономией. Исследуемые этими науками объекты находятся на противоположных концах «шкалы длин». Но и для изучения мельчайших деталей микромира и для проникновения в дали космоса необходима аппаратура гигантских размеров.
Успехи астрономии основаны на использовании мощных телескопов. От подзорной трубы Галилея с линзами диаметром в несколько сантиметров до современного телескопа-рефлектора с пятиметровым зеркалом — таков путь совершенствования астрономической аппаратуры.
3Для ускорения электронов применяется электронный синхротрон СЭ. Для ускорения ионов строятся приборы с кольцевым магнитом огромных размеров. Самый большой из подобных приборов — это советский синхрофазотрон СФ. Наиболее молодой побег на ветви РУ — это ускоритель с острой фокусировкой ОФ.
5конструкции с кольцевым магнитом ΚМ.
Попытки еще дальше продвинуться по пути увеличения размеров телескопов для световых лучей наталкиваются на почти непреодолимые трудности; здесь и неустранимые деформации инструмента, и влияние земной атмосферы. Современная астрономия ищет новые пути. Например, развивается радиоастрономия, в которой используются электромагнитные волны, в десятки тысяч и даже в миллионы раз более длинные, нежели световые. Длинные волны позволяют применять воспринимающие поверхности больших размеров. Есть проекты радиотелескопов с диаметром «зеркала» порядка сотни метров.
Физики, работающие над проблемами ускорения заряженных частиц, вряд ли могут сегодня ответить на вопрос — когда же остановится стремительное развитие ускорителей на все большие энергии? Одно можно сказать: техника не пойдет по пути простого увеличения размеров современных приборов.
В 17 в. в Версале — резиденции французского короля Людовика XIV — была построена насосная станция для приведения в действие фонтанов в парке. Она считалась в то время величайшим инженерным сооружением, одним из чудес мира. Версальская насосная станция занимала площадь в несколько гектаров, коромысла насосов были сделаны из вековых сосен. И вся эта громоздкая «машинерия» развивала мощность менее 100 кВт, т. е. меньше, чем средних размеров насос современной пожарной машины.
Быть может, так же громоздко и неуклюже будут выглядеть по сравнению с физическими приборами будущего наши современные грандиозные ускорители.
Все глубже становится наше познание вещества, все новые и новые способы перестройки материи находит человек. И нет предела в познании и обладании веществом.
