Популярное

В Атомграде на Волге

Г. Левенштейн, А. Смагин

Рис. М. Аверьянова Фото Н. Хорунжего

Здание, у которого сделал свою следующую остановку наш автобус, выглядит необычно: огромный, этажа в четыре высотой, бетонный куб, на фасаде которого нет ни единого окна. Только внизу небольшая дверь. Входим в нее и поднимаемся на второй этаж. Большую его часть занимает зал, где находится другой мощный ускоритель ядерных частиц — синхроциклотрон. Ни по форме, ни по устройству он не похож на синхрофазотрон. Почему же названия обеих могучих машин начинаются с одинакового слова «синхро»?

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно сказать несколько слов об истории создания и устройстве первых ускорителей-До начала 30-х годов ученые попросту использовали заряженные частицы, получающиеся при радиоактивном распаде некоторых элементов. Например, а -лучи радия (поток ядер атомов гелия) — они вылетают из радия со скоростью в несколько десятков тысяч километров в секунду. Эти а -частицы, ускоряемые самой природой в процессе радиоактивного распада ядер тяжелых элементов, и были первыми «снарядами», примененными учеными для разрушения атомного ядра. Но исследователи находились в положении стрелка, у которого есть патроны только одного образца. Они не имели возможности изменить ни свойства «снарядов», ни скорость их полета. Уже из опытов по превращению ядер при помощи частиц физикам стало ясно, что для успешной работы необходимы частицы с энергией в несколько миллионов электроновольт.

Это привело к мысли о создании специальной машины, ускоряющей заряженные частицы. Ученые решили разгонять частицы при помощи мощного электрического поля, в котором частица «падала» бы под действием разницы потенциалов. Чем больше эта разница, тем скорей будет двигаться частица. А чтобы ее движению ничто не мешало, в приборе нужно было создать вакуум.

Эти соображения и были положены в основу при постройке первой установки для разгона элементарных частиц — линейного ускорителя. Принцип его действия прост. В трубе, из которой выкачан воздух, расположены через определенные промежутки электроды. С одного конца в трубку влетают протоны — ядра атомов водорода. При прохождении по трубке они в каждом межэлектродном промежутке «подстегиваются» электрическим полем. Поэтому их скорость возрастает от электрода к электроду. 3 конце трубки разогнанные протоны ударяются о мишень из исследуемого вещества.

Линейные ускорители позволили получить частицы высоких энергий. Это было первое «орудие ядерной артиллерии», позволившее человеку выбирать в зависимости от потребности вид и скорость «снаряда». Но это орудие обладало рядом недостатков, что толкало ученых на поиски новых решений проблемы. В 1930 году американский физик Лоуренс пришел к оригинальной идее: создать ускоритель, в котором будет не великое множество электродов (а их число у некоторых линейных ускорителей перевалило уже за тридцать!), а всего два. Но они должны были быть расположены в магнитном поле. Зачем — станет ясно из дальнейшего.
Идея Лоуренса сразу нашла горячих сторонников. Предложенный им ускоритель, получивший название «циклотрон», в дальнейшем совершенствовался учеными ряда стран. Что же представляет собой эта установка?

Между полюсами мощного электромагнита расположена вакуумная камера, имеющая форму короткого цилиндра. Внутри него находится другой цилиндр, разделенный по вертикали на два полуцилиндра. Эти полуцилиндры называются дуантами. В середину камеры подводится через специальную трубку водород, который ионизируется в газовом разряде. Образовавшиеся протоны летят прямолинейно, но магнитное поле, пронизывающее камеру сверху вниз, заворачивает частицы, заставляет их двигаться по окружности. Так обстоит дело внутри дуантов. Но вот группа протонов, пройдя полуокружность, очутилась в узкой щели между дуантами. Здесь частицы попадают под действие электрического поля переменного тока, которое их как бы подстегивает и с силой вбрасывает в противоположный дуант.

Скорость частиц возросла. Когда они, пройдя свой путь внутри второго дуанта, опять окажутся в просвете между дуантами, электрическое поле, успевшее к этому времени переменить направление, вновь подстегивает частицы, отчего скорость их возрастает еще больше. Принцип, положенный в основу конструкции циклотрона, кажется очень простым, но в действительности все обстоит сложнее. Основных трудностей две.
Во-первых, нужно учитывать то, что скорость ускоряемых частиц достигает многих десятков тысяч километров в секунду. При таких скоростях уже весьма ощутимым становится явление, теоретически предсказанное в начале нашего века гениальным физиком Альбертом Эйнштейном: масса тела зависит от его скорости. Чем больше масса частицы, тем труднее магнитному полю удерживать частицу. Траектория частиц в циклотроне — это широкая спираль. Поэтому для значительного ускорения частиц необходимо строить циклотроны все большего и большего диаметра. Кроме того, с ростом массы частиц изменяется и время их движения по каждой полуокружности, все более увеличиваясь. Значит, при каждом обороте частицы будут все больше и больше запаздывать, не поспевая за электрическим полем, колебания которого происходят строго через равные промежутки времени. Это приведет к тому, что частицы будут попадать в щель между дуантами в тот момент, когда сила поля будет уже уменьшаться и, значит, приобретаемое ими ускорение будет с каждым разом становиться все меньше. А вскоре частицы уже настолько отстанут от поля, что оно начнет не ускорять их, а тормозить.

Эти трудности, казалось бы, совершенно исключали возможность значительного увеличения энергии ускоряемых частиц.

Но вот в 1944—1945 годах появились одна за другой работы известного советского физика члена-корреспондента Академии наук СССР В. А. Векслера и, независимо от него, американского физика Мак-Миллана, ознаменовавшие новый этап в развитии техники ускорителей. В этих работах были изложены принципы автофазировки
В чем их суть?

Ученые предложили немного менять частоту перемен электрического поля и дали формулы, по которым это изменение частоты можно рассчитать. С изменением скорости частиц изменялась и частота «подгоняющего» их электрического поля. Совпадение частот колебаний в физике носит название синхронности. Вот откуда взялось слово «синхро» в названии ускорителя, в здание которого мы вошли. Это крупнейший в мире ускоритель такого типа. Он разгоняет протоны до энергии 680 млн. электроновольт, что в полтора раза превышает возможности крупнейшего американского синхроциклотрона, находящегося в Чикагском университете.

Начинаем осмотр синхроциклотрона. Прямо перед нами —» колоссальное сооружение, своими «корнями» уходящее глубоко вниз, где расположены различные вспомогательные установки: холодильные, с помощью которых получают жидкий водород; насосные, откачивающие воздух из камеры ускорителя, и ряд других.

На фасаде ускорителя сверкает надпись: «Электросила имени Кирова».

Установку показывает нам инженер Михаил Федорович Шульга, в ведении которого находится весь ускоритель. Он работает на нем с момента его постройки и является одним из создателей этой замечательной машины.

Как мы уже знаем, основная часть ускорителя — огромный электромагнит. Диаметр его полюсов — 6 м, зазор между полюсами 60 см. Питается он током 4 200 а, потребляемая электрическая мощность — 1 000 квт.

Напряженность создаваемого им магнитного поля — 17 тыс. эрстед — почти на 20% больше магнитного поля синхрофазотрона. Это понятно: диаметр камеры синхроциклотрона почти в десять раз меньше, и, чтобы удерживать частицы на более крутой траектории, нужна соответственно и большая мощность магнитного поля. Весит синхроциклотрон 7 тыс. т, ускоряемые частицы проходят в нем путь в 600 км. Рядом - генератор высокочастотных колебаний, создающих ускоряющее электрическое поле. Мощность генератора — 40 тыс. квт!

Обходим сооружение и попадаем к тому месту, где из ускорителя выводится поток частиц. Там стоит отклоняющий магнит, и через тонкую алюминиевую диафрагму толщиной в 2 мм пучок частиц диаметром в 20-копеечную монету «бьет» в экспериментальный зал, отгороженный толстой бетонной стеной. Обычно это пучок протонов, однако, поместив с помощью специальных держателей в камеру ускорителя бериллиевую мишень, исследователи получают поток нейтронов. Это делается без нарушения работы ускорителя.

Огромную машину окружает большой короб, в котором Циркулирует воздух, охлаждающий всю установку.

Мы пробираемся в экспериментальный зал, расположенный за стеной. Кругом большие бетонные плиты, которые сильный кран перемещает по залу, создавая в нужных местах мощную защиту от излучений. Ведь во время работы ускорителя возникает гамма-излучение, опасное для жизни человека. В экспериментальном зале стоят многочисленные установки, подобные тем, которые были описаны нами в прошлом номере журнала. Вот мониторы — нейтронные счетчики, вот диффузионная камера Вильсона, вот пузырьковая камера. Но во время работы ускорителя людям нельзя находиться и здесь.

Экспериментальный зал кончается бетонной стеной. За ней и находятся регистрирующие устройства. Все счетчики экспериментального зала кабелем соединены с этими регистраторами. Пользуясь передышкой, в экспериментальном зале работают научные работники, проверяют установки, что-то исправляют и доделывают.

Наша экскурсия заканчивается.

Перед уходом мы обращаем внимание на автоматические ручки, высовывающиеся из карманов сотрудников лаборатории.
— Это не ручки, — говорит наш экскурсовод, — это приборы, реагирующие на излучение.

Врачи института бдительно следят за состоянием здоровья каждого сотрудника. Эти приборы — маленькие счетчики — помогают врачам в их работе.

Мы выходим на улицу в тенистую прохладу лабораторного городка, благодарим гостеприимных хозяев, прощаемся с ними.

НА СКОТНОМ ДВОРЕ

Во время дождя коровы вбежали на скотный двор. В каждый хлев встало по одной корове, но для одной коровы не нашлось места. Если бы в каждый хлев встало по две коровы, тогда бы один хлев пустовал. Сколько быпо хлевов и сколько коров вбежало на скотный двор?

ИЗ ТРЕХ ЧАСТЕЙ

Как разрезать на три части по прямым линиям пять квадратов, чтобы, сложив эти три части, получить один квадрат?

ОДНА СПИЧКА

Какую спичку и куда нужно переложить, чтобы это равенство стало правильным?