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.
Таковым, например, является дубненский колосс. Он вступил в строй в апреле 1957 года. Во время его пуска у пульта управления стоял академик Векслер, воплотивший в замечательной советской машине свою идею автофазировки.
Большой победе нашей науки и техники предшествовал не только кропотливый анализ отечественного и зарубежного опыта, но и пионерский поиск, проведенный в ФИАНе группой ученых во главе с докторами физико-математических наук А. А. Коломенским и М. С. Рабиновичем. В 1953–1955 годах новые теоретические выводы тщательно проверялись на модели ныне действующего ускорителя, оттачивались его конструктивные узлы.
Некоторое представление о том, что это за «узлы», дает электромагнит. Он весит 36 тысяч тонн. А ведь он не сплошной, не дискообразный, как у циклотрона. Он сделан в форме пустотелой баранки, сердцевину которой составляет кольцевидная труба — вакуумная камера. Там, внутри, частицы движутся не по архимедовой спирали, не от центра к периферии, а по замкнутой круговой орбите одинакового радиуса. Такое решение сделала возможным остроумная идея — одновременно варьировать характеристики двух полей: напряженность магнитного и частоту электрического. Идея великолепная, но как нелегко было ее осуществить! Соответствие обоих параметров выдерживается с точностью до десятой доли процента. За их согласованностью строго следит специальное устройство. Оно непрерывно измеряет напряженность закручивающего поля и в случае малейшего ее отклонения подает сигнал, по которому корректируется частота поля разгоняющего, а она как-никак изменяется почти в 10 раз! Управление всем режимом ускорения полностью автоматизировано. С этими сложнейшими задачами блестяще справились специалисты Радиотехнического института АН СССР под руководством академика А. Л. Минца, Ф. А. Водопьянова, С. М. Рубчинского и других. Вакуумная камера, электромагнит и питающая его обмотку подстанция мощностью 140 тысяч киловатт (две Волховские ГЭС!) спроектированы исследовательским коллективом во главе с Д. В. Ефремовым, Е. Г. Комаром, Н. А. Моносзоном, А. М. Столовым.
Многолетний труд многолюдных исследовательских коллективов, мощный индустриальный базис, щедрые государственные ассигнования на развитие науки сделали реальностью еще одно чудо техники, сооружение которого под силу лишь стране с могучей экономикой и высокой культурой.
Решением нашего правительства эта уникальная установка поступила в распоряжение интернациональной семьи ученых, которыми в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) представлено двенадцать разных стран. Там же находятся и другие ускорители. Есть они и в самой Москве, и в Новосибирске, и в Харькове, и в Томске, и в Ереване, и во многих других городах. Разные у них мощности, различны их типы. Но ученые и инженеры не устают искать, совершенствуя старые модели, изобретая новые, — покорение корпускулярного луча продолжается.
