Генри Смит - Атомная энергия для военных целей

11.21. (а) Число ступеней. Как и во всех методах, приходилось искать компромисс между производительностью и коэффициентом разделения. В электромагнитной системе коэффициент разделения много выше, чем в других системах, так что необходимое количество ступеней мало. Вначале казалось возможным ограничиться одной ступенью, но уже первые исследования показали, что попытки повысить коэффициент разделения настолько, чтобы достаточно было одной ступени, приводили к снижению выхода до практически неприемлемой величины.

11.22. (b) Технические условия. Данные опытов по всем указанным выше факторам, определяющим работу разделительной установки, должны были перед началом строительства вылиться в решения по следующим основным пунктам; (1) размер установки, определяемый радиусом кривизны траектории иона, длина щели источника, устройство источников и приемников; (2) необходимая максимальная напряженность магнитного поля; (3) вопрос о том, нужно ли использовать ионные пучки с большой угловой расходимостью; (4) количество источников ионов и приемников на установку; (5) должен ли источник иметь высокий потенциал или потенциал земли; (6) количество ускоряющих электродов и максимальные потенциалы, приложенные к ним; (7) потребная мощность для дуг, для ускоряющего напряжения, для насосов и т. д.; (8) требования, предъявляемые к насосной установке; (9) количество установок на полюсной зазор; (10) количество установок в здании.

11.23. Разработка большей части проектов для первого завода в связи с результатами использования гигантского магнита в Беркли осенью 1942 г. должна была быть прекращена.

Однако, для проектируемого завода требовались установки несколько отличного типа. Хотя не было никаких оснований предполагать, что эти изменения повлияют на работу конструкции, было, очевидно, желательно построить модель установки в Беркли. Постройка ее была одобрена, примерно, в то же самое время, когда были заказаны первые установки для завода, так что опыт с ней не оказал влияния на основное проектирование. Эта установка была закончена и пущена в ход к апрелю 1943 г., т. е. за шесть месяцев до первой заводской установки, и принесла громадную пользу для целей испытаний и в деле обучения персонала. Позднее в здании для большого магнита в Беркли был установлен третий магнит. Всего в Беркли было сосредоточено шесть разделительных установок, с помощью которых велось опытное производство и выполнялись исследования. Помимо завершения этих установок была также проделана большая вспомогательная работа.

11.24. Как мы уже говорили, Г. Д. Смит стал изучать электромагнитные методы разделения в конце лета и осенью 1941 г. Его внимание в основном было направлено на метод использования широкого ионного источника и широкого ионного пучка вместо применяемых в калютроне узких пучков, ограниченных системой щелей. Метод, дающий разделение и использующий широкий источник ионов, был предложен Р. Р. Вильсоном (Принстон). Устройство, осуществленное по идее Вильсона, названо «изотроном».

11.25. Изотрон представляет собой масс-сепаратор, использующий широкий источник ионов, в отличие от щелевых источников, применяемых в обычных масс-спектрографах. Ионы от источника, имеющего большую поверхность, сперва ускоряются постоянным электрическим полем высокой интенсивности, а затем подвергаются действию слабого электрического поля высокой частоты, изменяющегося во времени пилообразно. Действие постоянного электрического поля заключается в том, чтобы направлять по трубе интенсивный пучок ионов, обладающих, одинаковой кинетической энергией. Скорости ионов будут при этом обратно пропорциональны квадратным корням из их масс. С другой стороны, переменное электрическое поле создает малые периодические изменения в скорости ионов. Это изменение скоростей приводит к тому, что, пройдя в трубе определенное расстояние, ионы «сбиваются в группу» (тот же самый принцип использован в генераторе высокой частоты, носящем название клистрон, где электроны «сбиваются в группу» или «модулируются по скорости»). Группы ионов с различными массами движутся с различными скоростями и, поэтому, разделяются. В точке, где это происходит (в действительности на площади, перпендикулярной пучку), специальное анализирующее устройство создает поперечное фокусирующее электрическое поле с радиочастотной компонентой, синхронизированной с приходом групп ионов. Синхронизация такова, что переменная компонента напряженности поперечного поля равна нулю, когда проходит группа ионов U-235 и достигает максимума, когда проходит группа ионов U-238. Таким образом, ионы U-235 фокусируются на коллекторе, а ионы U-238 отклоняются.

11.26. Эта схема была изложена 18 декабря 1941 г. на заседании Комитета по урану и немедленно после этого была обсуждена более полно с Лоуренсом, который посетил Принстон. Казалось, что метод может дать удовлетворительные результаты, и имеет смысл начать его экспериментальную разработку. Она была немедленно начата по контракту с ОСРД и продолжалась до февраля 1943 г. Так как идея была совершенно новая, возникли два основные вопроса: (1) возможна ли вообще работа на этом принципе и (2) может ли этот метод быть развит достаточно быстро для производства в промышленном масштабе, чтобы конкурировать с более «ортодоксальными» методами, уже разрабатывавшимися в то время.

11.27. Экспериментальный изотрон был построен и пущен в ход к концу января 1942 г. Предварительные эксперименты, проведенные в то время, показали, что изотопы лития могут быть разделены этим методом. Первое успешное частичное разделение изотопов урана было осуществлено весной 1942 г.

11.28. К сожалению, в течение лета и конца 1942 г. работа развивалась не так быстро, как это предполагалось вначале. Поэтому было решено приостановить эти работы в Принстоне и направить работников в лабораторию атомных бомб. Перед тем, как группа покинула Принстон, на небольшом экспериментальном изотроне она все же получила несколько образцов частично разделенного урана. Таким образом метод действовал, но возможности применения его в широком масштабе не были еще полностью исследованы.

11.29. В декабре 1941 г. при обсуждении всей проблемы разделения изотопов в Беркли было предложено использовать магнетрон в качестве масс-сепаратора. Тем временем Смит из Принстонского университета связался с Л. П. Смитом из Корнельского университета и обнаружил, что последний и его студенты провели с успехом значительную работу по разделению изотопов лития точно таким же методом. Об этом было сообщено Лоуренсу в Вашингтоне в декабре 1941 г. на заседании Комитета по урану. Лоуренс немедленно связался со Смитом. После этого (с февраля по июль 1941 г.) Смит работал над данным методом в Беркли. Дж. Слепян из исследовательской лаборатории Вестингауза в Ист-Питсбурге прибыл по приглашению Лоуренса в Беркли зимой 1941-42 гг. и стал работать над модификацией магнетрона, которую он назвал ионной центрифугой. Слепян оставался в Беркли большую часть времени до конца 1942 г., после чего вернулся в Ист-Питсбург, где продолжал ту же работу.