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

заставляющие ее вернуться обратно.

Такую фокусировку называют мягкой. На синхротронах с мягкой фокусировкой можно

получить энергию примерно до 15 тыс. МэВ. По-видимому, дубнинский синхрофазотрон

был и остается крупнейшей в мире установкой подобного типа (энергия частиц 10

тыс. МэВ, масса магнита 36 тыс. т).

Почему при использовании мягкой фокусировки нельзя достичь больших значений

энергии частиц? Дело в том, что с увеличением энергии частиц должен,

естественно, расти и радиус ускорителя. Это увеличение радиуса происходит в

соответствии с формулой E = 300·Н, где Е — энергия, эВ; H — напряженность

магнитного поля, Э. Но чем больше радиус, тем больше амплитуда колебаний частицы

вокруг своей равновесной орбиты. Сбить частицу с орбиты могут случайные молекулы

газа в вакуумной трубке, флуктуации ускоряющего напряжения и частоты. В связи с

этим рабочую зону (апертуру пучка) приходится увеличивать, чтобы частица не

потерялась в металле магнита во время своего пути, составляющего в ускорителе

примерно 0,5 млн. км. Это обходится очень дорого. Так, масса ускорителя на 30

тыс. МэВ с мягкой фокусировкой составила бы 100 тыс. т. Чтобы свести к минимуму

всякие колебания частицы вокруг равновесной орбиты и снизить сечение пучка,

нужно ввести более жесткую фокусировку, т. е. заставить частицы как можно меньше

отходить от своей равновесной орбиты.

Как это сделать, никто до 1951 г. не знал. Решение проблемы было выдвинуто

группой физиков Брукхейвенской лаборатории в составе Куранта, Ливингстона,

Снайдера. Ливингстон как-то предложил рассчитать, как поведет себя частица,

ускоряемая в системе из нескольких магнитов, если в каждом следующем магните

будет меняться направление, в котором поле снижается. Расчет на электронной

машине показал, что частица в этом случае движется по стабильной орбите и, кроме

того, подвергается сильным фокусирующим усилиям. В том секторе, где полюсы

наклонены внутрь, осуществляются сильная вертикальная фокусировка и

горизонтальная дефокусировка; в следующем секторе, где полюсы наклонены наружу,

фокусировка обратная. Эффект в целом заключается в том, что при определенном

расположении секторов пучок сильно фокусировался, и отклонение частиц от

равновесной орбиты было очень небольшим. Действие магнитов равнозначно в этом

смысле действию двух линз вогнутой и выпуклой, которые, будучи поставлены одна

за другой, дают в целом эффект собирания лучей. Эта идея оказалась очень

плодотворной. На ее основе построены все крупнейшие ускорители. На принципе

жесткой фокусировки работает и Серпуховский ускоритель протонов на 76 ГэВ.

В основу постройки крупнейшего в мире ускорителя 60-х годов — Серпуховского —

были положены идеи В.И.Векслера.

Пучок протонов, разогнанный в этом исполинском ускорителе, достиг энергии 76 ГэВ

(миллиардов электрон-вольт!). Под стать этой грандиозной энергии и сам

ускоритель.

Новый синхротрон стал базой нового физического института, размещенного в

Серпухове, — Института физики высоких энергий (ИФВЭ). Здесь были получены

важнейшие научные результаты: открыт новый в физике высоких энергий тип

симметрии — масштабная инвариантность, положенная теперь в основу теории сильных

взаимодействий на малых расстояниях с участием кварков — так называемой

квантовой хромодинамики.

В Серпухове открыт и новый физический эффект сложной природы, описывающий

поведение сталкивающихся частиц, — "серпуховский эффект".

Ученые США не остались в долгу и начали строить свой, еще более мощный

ускоритель. В этом, может быть, сыграл свою роль "эффект подстегивания", о

котором остроумно рассказывал академик Л.А.Арцимович:

"Делегация ученых великой державы А, возвращаясь после поездки в великую державу

Б, докладывает:

— По богатству идей, глубине понимания научных проблем и квалификации научных

кадров мы не только не уступаем нашим зарубежным коллегам, но даже стоим впереди

них. Однако там не пожалели денег, и они смогли построить новую замечательную

установку X, и если мы немедленно не начнем строить уже давно задуманную нами

установку Y, то почти сразу же окажемся в жалком и отчаянном положении.

Вслед за этим делегация державы Б возвращается из державы А и декларирует:

— Мы, конечно, в идейном отношении гораздо выше их, но нельзя ждать ни одного

часа более. Они уже приступают к строительству установки Y, и если мы прозеваем,

то через несколько лет нам стыдно будет показаться на любой научной конференции.

Поэтому надо немедленно строить установку, которая во столько же раз мощнее

установки Y, во сколько последняя превосходит нашу старую машину X. И так

далее…"

Для создания жесткой фокусировки в серпуховском и подобных ему ускорителях

поставлены друг за другом секции магнитов с разным направлением спада поля; если

в первом магните поле спадает по направлению к внешнему радиусу (вертикальная

фокусировка), то в следующем магните оно спадает к центру, уменьшая сечение

пучка в горизонтальном направлении. В результате сечение пучка и, следовательно,

размеры рабочей зоны магнита становятся меньше, что позволяет увеличить энергию

частиц без существенного утяжеления магнита.

Принцип жесткой фокусировки стал широко применяться не только в ускорителях.

Например, для фокусировки пучка и подачи его к столу экспериментатора широко

используются поворотные магниты и квадрупольные линзы, работающие на этом

принципе.

Создание ускорителей с жесткой фокусировкой позволит увеличить энергию

получаемых частиц при снижении массы магнитной системы. Однако и в этом случае

строительство синхротрона будет под силу лишь экономически мощным государствам.

Решение вопроса о строительстве такой машины возможно только в государственном

масштабе, как, например, вопрос о строительстве нового города. Сравнение с

городом здесь не случайно — рядом с ускорителем неминуемо вырастет научный центр

с целым городом ученых, технического персонала и т. п.

Один из таких новых городов вырос недавно в Батавии, в США. Там построен

крупнейший в мире ускоритель на 500 ГэВ.

Неудивительно, что идея нового ускорителя родилась в Радиационной лаборатории

имени Лоуренса, где был построен и первый циклотрон, и "Беватрон" 1954 г.

Предварительный эскизный проект синхротрона на 200 ГэВ был разработан

инженерами-физиками в Беркли еще в 60-годах, когда определялось направление

следующего этапа работ США в области физики высоких энергий. Несмотря на успехи