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

• Название: Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)
• Автор: Владимир Карцев
• Издательство: Энергоатомиздат
• Жанр: Физика
• Год: 1988
• ISBN: 5-283-02929-8

В популярной и занимательной форме рассказывается об истории решения проблемы, волнующей в равной степени и ученых, и инженеров. Эта проблема — получение сильных магнитных полей. Известно, что чем большее магнитное поле удается создать в машине, тем меньшие габариты она имеет и дешевле стоит. Ученые разработали несколько эффективных способов получения сильного магнитного поля. Об успехах и неудачах на этом пути и рассказывается в книге.

Для учащихся старших классов, читателей, интересующихся историей и современными достижениями науки и техники.

---

идейную сторону, но и все, что скрывается за окончательными результатами, за

точностью измерений. Весьма характерно, хотя это и не единственный в истории

науки пример, что один из крупнейших современных физиков по образованию инженер.

Правда, к В.И.Векслеру не следует подходить с обычной меркой. Формальный

образовательный ценз для него очень мало значил. Он всю жизнь учился и

переучивался. И до самых последних лет жизни, вечерами, в отпуске, он тщательно

изучал и конспектировал теоретические работы. Многократные длительные поездки из

Дубны в Москву он также использовал для бесед на научные темы и учебу.

В 1936 г. в жизни Векслера произошло важное событие. Им заинтересовались молодые

сотрудники Физического института Академии наук (ФИАН) И.М.Франк, П.А.Черенков,

Л.В.Грошев.

И вот И.М.Франк предложил ему сделать доклад на семинаре, потом Векслера

пригласили к С.И.Вавилову, последовало обучение в докторантуре ФИАН.

Поначалу Векслер занялся космическими лучами, потом пришлось заняться

лоуренсовским циклотроном. Построить циклотрон, подобный лоуренсовскому,

оказалось делом нелегким. Хотя уже в середине 30-х годов циклотрон с диаметром

полюсных наконечников примерно в метр, как у Лоуренса, был создан в Ленинграде,

только к 40-му году, благодаря кипучей энергии И.В.Курчатова и его коллег,

удалось запустить в работу первую в Европе "атомную дробилку", как тогда

называли циклотрон. Вавилов понимал, что глубокие исследования в области ядерной

физики невозможны без постройки мощного ускорителя. Уже в то время он предложил

создать самый крупный в мире ускоритель, диаметр полюсных наконечников которого

должен был составить несколько метров. Многим и через тридцать лет такое смелое

решение казалось невероятным. Но оно было принято и начало воплощаться в жизнь.

Была укомплектована циклотронная бригада. В нее вошли В.И.Векслер, С.Н.Вернов,

Л.В.Грошев, П.А.Черенков и Е.Л.Фейнберг. Тут же П.А.Черенков и С.Н.Вернов стали

изготавливать модель будущего циклотрона. Подобрали магнит, еще небольшой, с

диаметром полюсов около тридцати сантиметров, тщательно обработали полюсы.

Продолжению этих работ помешала война".

Вновь эта идея возникла в 1943 г., когда для осуществления советской атомной

программы потребовалось создать мощный ускоритель, настолько мощный, что принцип

циклотрона Лоуренса уже не годился. Полностью идея нового ускорителя созрела у

Векслера на рубеже 1944 г. Уже в начале 1944 г. С.И.Вавилов собрал в своем

директорском кабинете экстренное заседание Ученого совета. Там Векслер сделал

свое сообщение. Обсуждение было бурным. Предложение Векслера казалось

фантастическим, нереализуемым. Но — физически неуязвимым…

"Сотрудников В.И.Векслера, — вспоминает профессор М.С.Рабинович, — всегда

поражала его не столько потрясающая работоспособность, сколько не знающая удержу

фантазия. Беседуя со своими учениками, он часто говорил: "У меня есть некоторая

идея, которую я хотел бы обсудить". Начинался жаркий спор. Идея подвергалась

ожесточенной критике. Температура дискуссии быстро поднималась. Все

присутствующие изо всех сил старались опровергнуть новое предложение. Спор

продолжался и в следующие дни. Иногда, чтобы разобраться, требовалась большая

теоретическая работа. После такой работы спор продолжался. На возражения

следовали контрвозражения. Для нас — учеников В.И.Векслера — такой метод

разработки различных физических идей явился превосходной школой. Она много

давала, но одновременно и много требовала. Не каждый мог выдержать такую работу

в течение многих лет, но можно назвать многих ученых, которые прошли подобную

школу идей у В.И.Векслера. Многие из его учеников сами в настоящее время стали

руководителями больших коллективов научных сотрудников".

Больше всего В.И.Векслер любил работать с молодежью, особенно с молодыми

теоретиками. И это понятно. При бурной творческой работе у В.И.Векслера

возникало много идей, иногда были и неправильные, но большей частью весьма

интересные и настолько на первый взгляд необычные, фантастические, что они

вызывали у многих физиков, привыкших к традиционному, медленному, "солидному"

движению по дороге науки, возражения, порой даже насмешку и нежелание спорить по

существу. К сожалению, некоторые, даже очень хорошие физики настороженно

встретили его самую блестящую идею — принцип автофазировки, который привел к

принципиально новым методам создания ускорителей заряженных частиц. Поэтому

В.И.Векслеру было проще с молодежью, которая только вырабатывала свой стиль

работы.

Идея автофазировки понравилась Л.Н.Мандельштамму, статьи В.И.Векслера были

молниеносно переведены на английский язык (несколько позже аналогичное

предложение выдвинул американец Э.М.Макмиллан).

Наконец-то Лоуренс смог возобновить работы на заброшенном циклотроне, и уже

через несколько месяцев на нем были получены частицы с энергией 500 (!) МэВ. По

это был уже не циклотрон, а совершенно новая машина — синхроциклотрон.

Однако, прежде чем перейти к описанию этой повой машины, обратимся к некоторым

физическим явлениям, лежащим в основе процесса ускорения заряженных частиц.

Лоуренс первым использовал магнитное ноле для возвращения частиц к одним и тем

же ускоряющим промежуткам. Известно, что любая заряженная частица, двигаясь в

магнитном поле, будет двигаться по окружности. В двух точках такой окружности

Лоуренс расположил ускоряющие промежутки. Вот для этого Лоуренсу и понадобился

старый магнит, завалявшийся на складе Калифорнийского университета.

С ростом энергии частиц, получаемых в ускорителе, увеличивается радиус орбит, по

которым вращаются частицы, а вместе с ним и диаметр магнитов. Поэтому-то самые

большие магниты в мире — это магниты ускорителей.

Заряженная частица подвержена в циклотроне влиянию двух сил: центробежной,

которая стремится "выбросить" частицу из циклотрона, и центростремительной

лоренцевой силы, которая заставляет частицу двигаться по окружности. Если в

какой-то точке орбиты напряженность, скажем, резко падает до нуля, частица в

этой точке, не сдерживаемая лоренцевой центростремительной силой, выскочит из

циклотрона.

Исходя из этих соображений, напряженность поля по орбите циклотрона

устанавливают строго постоянной. Равенство центробежной и центростремительной

сил на равновесной орбите обеспечивает так называемую горизонтальную

устойчивость частицы. Что это значит? Предположим, что частица под влиянием

каких-либо сил перешла с равновесной орбиты на орбиту большего радиуса. В этом

случае лоренцева центростремительная сила будет больше центробежной, и в

результате частица начнет смещаться в сторону орбиты меньшего радиуса до тех

пор, пока не достигнет равновесной орбиты. При уменьшении радиуса орбиты частицы

наблюдается обратная картина.

А что случится, если частица перейдет на более низкую или более высокую орбиту?

Если полюсные наконечники магнита параллельны друг другу и магнитные силовые

линии, которые должны быть перпендикулярны к стальным поверхностям, представляют

собой параллельные прямые, то при смещении орбиты вверх или вниз частица не

"заметит" каких-либо изменений в магнитном поле. Все орбиты — средняя, более

низкая и более высокая — будут для частицы равноценными, что приведет в конце

концов вследствие неидеальности изготовления поверхностей полюсов к тому, что

частицы "потеряются" в полюсах магнита.

Чтобы этого не произошло или, как говорят, для обеспечения "вертикальной

устойчивости" или "вертикальной фокусировки" движения частицы, полюсы магнитов

скашивают так, чтобы зазор к краю полюса становился больше. В действительности,

однако, скашивают не сами полюсы, а магнитные крышки вакуумной камеры, в которой

происходит ускорение.

В этом случае поле магнита ускорителя изменится: если непосредственно под

центром полюса силовые линии по-прежнему будут прямыми, перпендикулярными

плоскостям полюсов, то на внешнем крае полюса силовые линии будут выгибаться

наружу, образуя так называемое бочкообразное выпучивание силовых линий.

Бочкообразное магнитное поле характерно тем, что на его "экваториальном обруче"

поле минимально, а с продвижением вверх или вниз оно увеличивается. Частица,