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

делает заряженная частица в единицу времени. Возникает вопрос: нельзя ли сделать

так, чтобы от центра к краю полюсов магнитное поле увеличивалось. Тогда

приращение массы и, следовательно, "неповоротливость" частицы с ростом ее

энергии могли бы быть скомпенсированы, а энергия частиц, получаемых в

циклотроне, увеличена.

Но в циклотронах делают наоборот: магнитное поле к краю полюса снижают,

осуществляя этим вертикальную фокусировку. Как примирить эти противоположные

требования? Как одновременно иметь вертикальную фокусировку и увеличить поле от

центра полюса с периферии?

Этой задачей интересовались давно. Еще в 1938 г. американский ученый Томас

предложил формулу, в соответствии с которой должно изменяться магнитное поле в

зазоре циклотрона с тем, чтобы эти два условия обеспечивались одновременно.

Однако форма полюса при этом оказалась чересчур сложной. Поэтому идея

"изохронного" циклотрона имела в то время немного приверженцев.

Со временем положение изменилось. Инженеры-физики предложили вместо сложных

полюсов Томаса использовать обычные цилиндрические полюсы, покрытые стальными

накладками простой формы. Как выяснилось, такие накладки обеспечивают

одновременное нарастание поля по радиусу и вертикальную фокусировку. Для

коррекции поля в зазоре изохронного циклотрона обычно применяют сложную систему

концентрических и секторных корректирующих обмоток и накладок.

Изохронные циклотроны позволяют повысить энергию частиц, получаемых на

ускорителях этого типа, до 700…800 МэВ. Дальнейшее увеличение энергии —

довольно сложная проблема, так как по технологическим причинам трудно точно

выдержать все требования к конфигурациям магнитного поля циклотронов столь

высоких энергий.

В синхроциклотронах, или фазотронах, установлены аналогичные магнитные системы с

тем лишь отличием, что частота ускоряющего напряжения по мере возрастания

энергии частиц уменьшается; это позволяет отяжелевшим частицам вовремя проходить

ускоряющий промежуток. Такое изменение частоты эквивалентно изменению поля в

изохронном циклотроне. Предел энергии частиц, получаемых в синхроциклотронах,

также составляет 700…800 МэВ. Магниты циклотронного типа устанавливаются и на

микротронах, которые служат для резонансного ускорения электронов в

электрическом поле высокой частоты. В магнитах микротронов обычно используется

магнитное поле примерно в 10 раз меньшее, чем в циклотронах.

В силу различных причин физического и технического характера (о некоторых из них

мы уже говорили) невозможно создать обычные циклотроны с энергией выше 25 МэВ, а

изохронные циклотроны и синхроциклотроны — с энергией выше 800 МэВ. Однако

имеются еще экономические факторы, ограничивающие создание сверхмощных

ускорителей. Подсчитаем, например, массу циклонического ускорителя на энергию 10

тыс. МэВ или 10 ГэВ. Если магнитное поле на конечной орбите составит 1,45 Тл, то

ее радиус должен быть примерно равным 25 м. Подставив это значение в приведенное

ранее выражение для массы магнитаG = 4,8·10-3·r2,5, получим, что масса

такого магнита составляет 1,5 млн. т. Сама постановка вопроса о построении

такого магнита была бы беспредметной.

Почему это происходит? Почему циклотрон на большую энергию имеет такую большую

массу? Первая причина, очевидно, заключается в том, что мы выбрали небольшое

магнитное поле. Если бы удалось это поле в несколько раз повысить, во столько же

раз можно было бы снизить радиус и во столько же в степени два с половиной раза

снизить массу магнита. Однако значительно повысить магнитное поле в циклотронах

нельзя, так как сталь будет сильно насыщаться.

Другая причина, вызывающая необходимость столь большой массы магнита,

объясняется самим принципом работы циклотрона. Поскольку его магнитное поле

постоянно во времени, частица, приобретающая в ускоряющем промежутке очередную

"порцию" энергии, движется по орбите большего радиуса, и траектория ее движения

напоминает спираль. Именно эта спиралевидность орбиты вынуждает иметь в

циклотроне полный набор орбит различных радиусов — от нуля до радиуса конечной

орбиты.

Однако, видимо, нет неизбежной необходимости иметь в ускорителе полный набор

орбит различных радиусов. Если бы магнитное поле в ускорителе с ростом энергии

частиц менялось, то согласно формуле r = mv/H радиус орбиты мог бы оставаться

всегда постоянным. Для этого нужно лишь обеспечить закон изменения магнитного

поля магнита во времени, приближающийся к закону изменения во времени энергии

частиц. В этом случае стало бы возможным вместо цилиндрических полюсов оставить

узкое кольцо по краю полюса, а сердцевину полюса убрать вообще. Такие ускорители

позволяют при относительно небольшой (по сравнению с гипотетическим циклотроном

на ту же энергию) стоимости получать пучки частиц с колоссальными энергиями.

Кольцевые ускорители были главным достижением создателей ускорительной техники

после Лоуренса и Векслера. Природа давно оценила преимущества трубчатых

конструкций. Распилите кость — она внутри полая. Если бы она не была пустотелой,

она была бы тяжелее, но не прочнее. И природа выбрала инженерно правильное и,

следовательно, эстетически безупречное решение.

Кольцевой ускоритель — это ускоритель Лоуренса и Векслера, у которого вынута

сердцевина полюса магнита и оставлено лишь узкое кольцо. Масса магнита снижается

при этом в сотни раз, а ускоритель приобретает правильные, почти архитектурные

формы. Красота этого решения — в глубочайшей технологической целесообразности.

Кольцевые ускорители включают синхротроны и синхрофазотроны — самые крупные и

дорогостоящие физические приборы, когда-либо находившиеся в распоряжении

человека. Диаметр кольцевых магнитов таких ускорителей равен нескольким

километрам, магнитная система кольцевых ускорителей обычно состоит из нескольких

отдельных секторных магнитов, составляющих в плане кольцо. Между этими

секторными магнитами находятся ускоряющие промежутки. Стоимость магнитов

синхротронов и синхрофазотронов (между этими двумя типами ускорителей различие

невелико) составляет около половины стоимости всего синхротрона.

Как осуществляется вертикальная фокусировка в синхротронах? Принцип тот же, что

и в циклотронах: магниты изготовляют так, чтобы магнитное поле на внешнем

радиусе было меньше, чем на внутреннем. Тогда каждая частица, вышедшая из

серединной плоскости, испытывает со стороны бочкообразного поля силы,