Изобретено в СССР - Тим Скоренко

Самыми первыми циклическими ускорителями частиц стали циклотроны. В циклотроне пучки частиц, подгоняемые высокочастотным электрическим полем, движутся по спиральной траектории в постоянном и однородном магнитном поле. Циклотрон представляет собой вакуумную камеру, в которой расположены два полуцилиндра (дуанта), раздвинутых на небольшое расстояние, и мощный электромагнит. Пучок частиц движется по заданной магнитным полем траектории и каждый раз, попадая в зазор между дуантами, получает разгонный импульс от электрического поля. Траектория частиц при этом представляет собой спираль. На последнем, самом широком витке спирали частицы выводятся на прямолинейную траекторию и отправляются в мишень.

Обычный циклотрон позволяет разгонять протоны до энергий 20–25 МэВ. Его специфическая модификация (изохронный циклотрон) с переменным магнитным полем позволяет достигать около 1000 МэВ энергии, что тоже относительно мало в сравнении с ускорителями других типов. Зато циклотрон может быть достаточно компактным и потому ускорители этого типа применяются в практических, а не только в исследовательских целях – например, медицинские циклотроны генерируют пучки частиц для радиационной терапии.

Саму идею циклического ускорителя впервые выдвинули в Германии в середине 1920-х годов. Ещё в 1927 году физик Макс Штеенбек разрабатывал подобную систему для компании Siemens, но дальше чертежей дело не пошло. Впоследствии Штеенбек построил первый в мире работающий бетатрон (это ещё одна разновидность циклического ускорителя). В 1929 году венгерский физик Лео Силард запатентовал циклотрон, но его система тоже осталась на бумаге.

В итоге первый в мире циклический ускоритель частиц был построен в 1932 году в США, в Калифорнийском университете в Беркли. Патент на систему принадлежал физику Эрнесту Лоуренсу, немалый вклад в разработку сделал его же студент Милтон Стэнли Ливингстон. Занятно, но первый пробный циклотрончик (иначе не скажешь) они построили двумя годами раньше – он разгонял частицы всего до 80 кэВ, но Ливингстон защитил на этом материале диссертацию. Так или иначе в последующие годы под руководством Лоуренса было построено несколько циклотронов всё большей и большей энергии – к 1939 году он разогнал частицы в циклотроне до 16 МэВ.

В СССР шла аналогичная работа. У советских физиков 1930-х годов был доступ к материалам зарубежных коллег, и практически сразу после постройки Лоуренсом циклотрона в 1932 году физики Лев Мысовский и Георгий Гамов разработали проект метрового циклотрона для Радиевого института в Ленинграде. В работе также принимали участие знаменитый в будущем, а пока совсем молодой Игорь Курчатов и один из основателей Радиевого института Виталий Хлопин. В 1937 году был запущен первый советский (и европейский) циклотрон. Гамов этого не застал. Из группы специалистов, работавших над устройством, он больше всего времени проводил за границей в рабочих командировках, в период с 1928 по 1931 год объездил ведущие лаборатории мира, а в 1933-м во время очередной командировки на Сольвеевский конгресс в Брюсселе Гамов отказался возвращаться и спустя семь лет стал гражданином США.

С циклотрона Радиевого института началась работа над ускорителями в СССР – наравне с работой, которая велась в США, Германии, Дании и других странах мира. Новые схемы циклических ускорителей, позволяющие преодолевать различные ограничения, появлялись и продолжают появляться регулярно. В 1945 году физик Эдвин Макмиллан разработал и построил первый синхротрон; годом позже под его же руководством 470-сантиметровый циклотрон в лаборатории Лоуренса (ныне Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли) был модифицирован в синхроциклотрон; в 1954 году в Беркли появился первый беватрон (то есть ускоритель с энергией порядка нескольких ГэВ); в 1970-м в национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми – первый тэватрон (с энергией порядка нескольких ТэВ) и т. д.

В эту «гонку тронов» внесли свой вклад и советские учёные.

Принцип автофазировки

Над разработкой ускорителей в СССР работало немало выдающихся учёных, но именно изобретательское направление ассоциируется с конкретным человеком – Владимиром Иосифовичем Векслером. Векслер родился в 1907 году, в 1931-м окончил Московский энергетический институт, после работал во Всесоюзном электротехническом институте, потом в Физическом институте АН СССР – в общем, его трудовой путь можно назвать примером идеальной советской научной карьеры, которой чудом не коснулись ни сталинские репрессии, ни изоляция от мирового сообщества (не без оговорок, но об этом я расскажу позже), ни регулярные смены курса правящей партии.

В 1940 году Векслер защитил докторскую и остался работать в Физическом институте АН СССР. Он активно публиковался в научных журналах и считался одним из молодых светил советской ядерной физики. А в 1944 году Векслер первым в мире сформулировал принцип автофазировки.

Как уже говорилось ранее, когда пучок заряженных частиц разгоняется в циклическом ускорителе, он многократно проходит через ускоряющие промежутки. Для эффективного разгона необходимо, чтобы в эти моменты направление движения частицы и направление электрического поля совпадали, то есть движение частицы и изменение поля надо синхронизировать. Для синхронизации частота обращения частицы должна быть или равна, или кратна частоте электрического поля, при этом частица всегда будет пролетать ускоряющий промежуток при одном и том же значении фазы поля, получать энергию – и ускоряться. Именно на таком принципе и работает циклотрон: в нём частицы движутся в постоянном магнитном поле с постоянной частотой обращения, равной частоте ускоряющего поля.

Но при достижении энергией частицы достаточно высокого значения синхронизация сбивается. Связано это вот с чем. При скоростях, значительно меньших скорости света, кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости:

Но если скорости приближаются к скорости света, то, в соответствии с теорией относительности равенство нарушается (что эквивалентно возрастанию массы m). А это, в свою очередь, ведёт к замедлению обращения частицы по мере роста энергии – собственно, период обращения частицы становится прямо пропорциональным её энергии.

Частота обращения уменьшается, перестаёт совпадать с частотой разгоняющего электрического поля, и частицы выпадают из ускоряемого пучка. Если у нас одна частица, то мы можем подгонять под изменение её частоты обращения частоту поля, снижая по ходу ускорения или изменяя величину магнитного поля. Но если частиц миллионы и миллиарды, то у них существует разброс энергий (иначе говоря, каждая ведёт себя немного по-своему) и подстроиться под все попросту невозможно. Это и есть естественное ограничение циклотрона – как уже говорилось, он позволяет разогнать частицы не более чем до 20–25 МэВ.