Владимир Карцев - Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)

формуле: E = mv2/2 = 100 ·1010/2 эрг = 3,13·1017МэВ. Казалось бы,

стрельба — идеальный метод для ускорения частиц, поскольку с небольшими

затратами мы получили огромную энергию. Однако все обстоит не так просто. Эта

колоссальная энергия распределяется между частицами, и энергия каждой частицы в

отдельности, определяющая интенсивность ядерных превращений, будет, конечно,

ничтожной. Так, на каждый протон такой системы приходится всего 0,005 эВ

энергии, чего, естественно, совершенно недостаточно.

А что, если увеличить скорость пули? Скорость стоит в формуле для энергии в

квадрате и сильно влияет на степень ускорения. Расчеты, однако, показывают, что

увеличение скорости даже до космической также не приводит к достижению

достаточной энергии элементарных частиц.

Может быть, использовать для ускорения частиц идею, положенную в основу работы

всех электродвигателей? Пусть у нас будет очень длинный электромагнит — порядка

нескольких километров с полем в зазоре около 2 Тл. Если теперь в зазоре этого

электромагнита разместить проводник с током, то проводник начнет двигаться. К

концу своего движения он может приобрести значительную энергию, если, конечно,

не расплавится (чем большее хотим получить ускорение, тем большую плотность тока

в проводнике мы должны обеспечить). Это расплавление происходит в обычных

проводниках уже при скорости 107 см/с, его явно недостаточно для ускорения при

высоких энергиях.

Наиболее эффективным методом ускорения заряженных частиц оказывается их

ускорение в электрическом поле. Под влиянием разности потенциалов 1 млн В

частица приобретает энергию 1МэВ.

Однажды, занимаясь в библиотеке, Лоуренс прочитал статью немецкого автора о двух

вакуумированных трубках, между которыми было электрическое поле. Заряженная

частица, перескакивая из трубки в трубку, значительно увеличивала свою энергию.

"А почему бы, — подумал Лоуренс, — не соединить подряд четыре, десять, сто

трубок? Тогда мы могли бы в соответствующее число раз увеличить и энергию

частицы, может быть, довести ее до такой, которая будет достаточной, чтобы

разбить атом?.. Наверное, это возможно… Но тогда установка будет очень

длинной, может быть, несколько километров в длину… А что, если свернуть эти

трубки в спираль? Тогда их можно будет разместить на небольшом пространстве…

Но частицы движутся прямолинейно… Как заставить их бежать по спирали? Частицы

движутся прямолинейно не всегда: попав в магнитное поле, частицы начинают

двигаться по кругу… Значит, нужно применить магнитное поле — разместить эту

спираль из трубок между полюсами магнита…"

Так Лоуренс открыл принцип действия циклотрона. Это открытие оказало сильнейшее

влияние не только на жизнь самого Лоуренса, но и на дальнейшее развитие ядерной

физики.

Однако идея — это еще не все. И хотя две небольшие модели, построенные

Лоуренсом, свидетельствовали о правильности нового принципа, нужно было довести

этот принцип до возможности его практического использования. В течение пяти лет

Лоуренс вместе со своими студентами работает над проблемами обеспечения

сверхвысокого вакуума, создания мощных высокочастотных генераторов, подбора

магнита.

Нужно было спешить. Ускорители того времени уже давали протоны с энергией до 0,8

МэВ. Согласно работам Эрнеста Резерфорда и некоторым выводам квантовой механики,

протоны с энергией около 1 МэВ должны расщеплять атомы. Честь первым расщепить

атом была настолько заманчивой, что за нее с колоссальным энтузиазмом

соревновались несколько всемирно известных лабораторий.

Под руководством Резерфорда работали Кокрофт и Уолтон в Кембридже, самые

"опасные" для Лоуренса соперники. Манера исследования Резерфорда заключалась в

максимальной простоте, изяществе и чистоте опытов.

На горе Дженеросо в Швейцарии европейские физики Браш, Ланж и Урбан для

ускорения протонов попытались использовать молнию, что дало бы им сразу весьма

значительный перевес, поскольку разность потенциалов, которую можно было

получить с помощью молнии, очень велика и частицы были бы ускорены молнией до 15

МэВ и выше. Исследователи натянули между соседними скалами металлическую сетку.

Во время грозы на этой сетке скапливался значительный положительный заряд.

Однажды ученым удалось получить искусственную молнию длиной около 5 м. Это

означало, что достигнута энергия 10 МэВ. Однако такое достижение обошлось очень

дорого: в результате несчастного случая погиб доктор Урбан…

Тем не менее соревнование продолжалось. И Лоуренс надеялся быть первым. Он

всегда улыбался. Он не признавал никаких препятствий: ни финансовых, ни научных,

ни технических. Он игнорировал трудности экспериментального и, что гораздо

опасней, теоретического характера.

Небольшое деревянное здание, в котором производились первые эксперименты

Лоуренса, дало начало грандиозной радиационной лаборатории в Беркли,

раскинувшейся на берегу моря на живописных холмах Сан-Франциско, где

впоследствии был установлен гигантский фазотрон, на котором сделано одно из

волнующих открытий нашего времени — открыт антипротон.

"Антимир начинается в Беркли", — с гордостью говорили берклийцы следующих

поколений. Но когда Лоуренс приступал к строительству первого циклотрона, у него

были только идея, тысяча долларов и уверенность в том, что он все может,

уверенность, не такая уж необоснованная, для "счастливчика".

Первое, с чего нужно было начать, — сделать магнит. Однако такой традиционный

подход потребовал бы слишком много времени, и поэтому Лоуренс купил громадный

восьмидесятитонный магнит, залежавшийся на складе и ранее предназначавшийся для

не выкупленного заказчиком радиопередатчика; Лоуренсу удалось приобрести его

буквально за гроши.

Отсутствие радиодеталей восполнялось за счет собственных старых радиоприемников,

"заимствования" бесхозных приемников и радиодеталей, а то и просто в результате

посещения ближайших свалок.

Механические детали физики делали сами или заказывали на небольших заводах.

Вакуумная камера первого циклотрона представляла собой сплющенную в пламени

горелки лабораторную, колбу.

Помогали Лоуренсу в основном студенты. Это, естественно, не было их основным

занятием, а потому все было направлено на то, чтобы изготовить циклотрон как

можно быстрей. Очень часто работы велись ночью, и перерыв делался лишь в четыре

часа утра, когда уставшие студенты и их руководитель шли перекусить в ближайший