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

достичь новых колоссальных энергий путем сравнительно небольших затрат?

Относительно недавно были предложены совершенно новые идеи создания сверхмощных

ускорителей. Одна из них заключается в том, что ядро и цель — частица и мишень —

"выстреливаются" навстречу друг другу с помощью сравнительно небольших

ускорителей и сталкиваются с громадной, невиданной ранее силой.

В числе лауреатов Ленинской премии 1967 г. были физики из Новосибирска

Г.И.Будкер, А.А.Наумов, А.Н.Скринский, В.А.Сидоров, В.С.Панасюк. Им первым

удалось осуществить на практике идею встречных электрон-позитронных пучков. В

установке ВЭПП-2, магниты которой имеют диаметр всего лишь 3 м, новосибирским

физикам удалось достичь энергии взаимодействия частиц, равной 2 млн. МэВ!

Обычный линейный ускоритель на ту же энергию уместился бы не во всяком

европейском государстве.

Идея ускорителя без магнитов принадлежит Энрико Ферми, который, конечно, имел в

виду обойтись именно без магнитов, но не без магнитного поля, иначе ускоритель

получился бы колоссальной длины. Вместо поля магнитов Ферми предложил

использовать магнитное поле Земли. Ускоритель типа синхротрона должен был бы

представлять собой вакуумную трубу, опоясывающую земной шар вдоль магнитного

экватора. Осуществление такого проекта могло бы дать пучки чрезвычайно

энергичных частиц, однако стоимость ускорителя, по-видимому, оказалась бы

громадной — ведь орбита частиц должна быть круговой, а Земля — далеко не

идеальный шар. Чтобы обеспечить идеальную окружность, пришлось бы прорывать

туннели, строить виадуки над океанами и т. д. А проблема обеспечения

герметичности и высокого вакуума устройства, опоясывающего земной шар!

Какую же энергию частиц можно получить с помощью ускорителей? Естественно, что

самый большой возможный на нашей планете ускоритель должен располагаться по

экватору Земли. Индукция магнитного поля определяемая насыщением стали, равна,

скажем, 2 Тл. При этих условиях максимальная энергия ускоряемых протонов будет

равна 1010 МэВ.

Космической эре свойственны и космические проекты. Таким является проект

"лунатрона". Ускоритель можно разместить на нескольких спутниках, вращающихся

вокруг Земли. На спутниках можно установить фокусирующие магниты, ускоряющие

пластины, инжекторы. С помощью такой системы можно будет достичь энергии порядка

108 МэВ. Большое преимущество такой системы — отсутствие необходимости

вакуумировать рабочее пространство — ведь лунатрон будет размещен вне атмосферы

(т. е. в условиях естественного высокого вакуума).

Чрезвычайно интересная идея ускорителя предложена советским физиком академиком

Г.И.Будкером. Она заключается в том, чтобы слабым наводящим полем создавать

мощный круговой пучок электронов. Этот пучок стал бы, по сути дела, гибким

шнуром, по которому течет очень сильный электрический ток. Электрический ток

всегда создает магнитное поле, стремящееся уменьшить сечение проводника (пинч-

эффект). Однако, чем меньше диаметр шнура, тем больше при том же токе магнитное

поле, создаваемое на поверхности шнура. Г.И.Будкер предложил использовать это

очень сильное магнитное поле как рабочее поле ускорителя. В пучке электронов

диаметром 6 м можно удержать протоны с энергией вплоть до 104 МэВ.

Большие надежды возлагают физики и на сверхпроводимость. Ограничителем

магнитного поля ускорителей является индукция насыщения стали (около 2 Тл).

Однако, если сталь из ускорителя убрать, возникнет много других проблем.

Сопротивление магнитному полю ускорителя, например, сразу увеличится. Чтобы

сохранить поток прежним, нужно сильно увеличить мощность питания обмоток,

которая и при ускорителе со сталью была огромной. Мощность питания американского

синхрофазотрона "Беватрон" составляла 100 тыс. кВт. Такую мощность потребляет

город со стотысячным населением.

При рассмотрении проекта ускорителя "Газовая и электрическая компания"

тихоокеанского побережья специально занималась вопросом: не будут ли "садиться"

все лампы в городах Беркли и Окленде, когда в ускорителе разгоняется пучок

протонов.

А ведь "Беватрон" — относительно небольшой ускоритель и к тому же со стальным

сердечником. В ускорителях на 300 тыс. — 1 млн. МэВ без стали потребление

электроэнергии будет гораздо больше. Соответственно более дорогостоящим и

громоздким окажется сам ускоритель. Но если разобраться, эта колоссальная

энергия будет в большей мере тратиться попусту. Для поддержания магнитного поля

не требуется энергия: постоянный магнит ниоткуда не получает энергию, а его

магнитное поле не расходуется, когда им что-либо притягиваешь. Энергия

необходима лишь на установление поля: если в этой области пространства

магнитного поля раньше не было, а теперь оно есть — это значит, что затрачена

некоторая энергия. Остальная электроэнергия тратится на нагревание обмоток,

обладающих электрическим сопротивлением. Не будь сопротивления, потери бы

исчезли. Если подсчитать, какая часть энергии в ускорителях используется

полезно, то окажется, что она ничтожна.

Именно с этим обстоятельством и связаны попытки использовать в качестве

материала обмоток магнитов ускорителей сверхпроводник. У сверхпроводника

омическое сопротивление отсутствует и, следовательно, потери энергии также

отсутствуют. Другая положительная сторона применения сверхпроводящих обмоток —

возможность сильного увеличения магнитного поля, а стало быть, и уменьшения

радиуса ускорителя. Если удастся достичь магнитного поля 10 Тл, размеры

ускорителей уменьшатся впятеро.

В поисках новых путей, позволяющих более дешевым и эффективным способом получать

частицы высоких энергий, ученые ФИАНа выдвинули идею построить в Протвино

ускорительно-накопительный комплекс (УНК) на энергию ускоряемых протонов 3000

ГэВ. Большой вклад в развитие и осуществление этой идеи внес академик

А.А.Логунов. Частицы энергий 70 ГэВ, ускоряемые на уже существующем Серпуховском

ускорителе, будут "впрыскиваться" в УНК для дальнейшего ускорения. В УНК будут

использоваться мощные сверхпроводящие магниты, которые позволят снизить длину

окружности ускорителя с 60 до 20 км, резко уменьшить энергозатраты на питание

магнитов. Несмотря на гигантские финансовые расходы, комплекс решено строить, и

строительство начато. Ученые предполагают, что уникальный физический прибор

поможет раскрыть самые сокровенные тайны строения вещества. Новый ускоритель