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.

---

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

ускорительной техники, обнадеживающие результаты экспериментов на крупных

ускорителях, ряд коренных вопросов строения материи продолжает волновать

неутоленное воображение ученых. Все эти вопросы "прекрасного, но все еще

загадочного мира", возможно, могли бы быть решены в процессе экспериментов с

соударениями частиц, еще более энергичных, чем те, которые получаются с помощью

наиболее мощных синхротронов, включая даже Серпуховский. Кроме того, путешествие

в мир столь экзотических энергий могло бы привести к весьма неожиданным

открытиям. Настойчивость физиков привела к тому, что конгресс США одобрил в

1967 г. ассигнования в 250 млн. дол. на постройку "малого варианта" нового

ускорителя ("большой вариант" стоил бы 350 млн. дол.). Из 125 мест, предложенных

для постройки ускорителя, была выбрана плоская местность Кун-Холлоу вблизи

Батавии в штате Иллинойс площадью 10 квадратных миль. Для постройки и

эксплуатации будущего ускорителя была создана Исследовательская ассоциация

университетов. Так возникла база для будущей Национальной ускорительной

лаборатории США, директором которой был назначен Роберт Вильсон. Это он

вспоследствии рассказывал о драматических событиях постройки уникального

ускорителя.

Получив 250 млн. дол., Вильсон и его новые сотрудники решили сделать ускоритель

не на 200 ГэВ, как было запланировано, а сразу на 500 ГэВ. Отважные участники

встречи 15 июня 1967 г. на месте постройки будущей машины решили построить

ускоритель всего за пять лет (в этот день они не знали хотя бы приблизительно

даже диаметра будущего ускорителя).

Вообще говоря, диаметр ускорителя для получения большей энергии целесообразно

было делать возможно большим, и поэтому его, казалось, должен был бы определить

размер заданного участка. Однако стоимость ускорителя тем больше, чем больше

диаметр магнитов, а она ограничена сверху ассигнованной суммой. Если задаться

желаемой энергией частиц, то диаметр будет определяться уже тем максимальным

магнитным полем, которое удастся обеспечить, и расстояниями между

поворачивающимися магнитами.

Был выбран диаметр, равный ровно 2 км. Часть окружности, примерно четверть ее,

должна была быть освобождена для устройства ввода и вывода протонного пучка,

ускоряющих и измерительных устройств. Тогда при магнитном поле 1,8 Тл можно было

бы достичь энергии 400 ГэВ, а при магнитном поле 2,25 Тл — 500 ГэВ.

Такое магнитное поле и даже значительно большее в принципе можно было бы

довольно легко получить при помощи сверхпроводящих магнитов. Однако

проектировщики решили не рисковать и остановились на хорошо освоенных

электромагнитах со стальным сердечником.

Важным параметром магнитов, определяющим их стоимость, является, как мы видели,

апертура, рабочее пространство между полюсами магнита. Чем больше апертура, тем

легче предотвратить рассеяние протонов на стенках камеры из-за их взаимного

электростатического отталкивания и неточного "прицеливания". Большая апертура,

однако, — это серьезное возрастание затрат на материалы сердечника и обмоток, на

земляные работы (туннель становится шире и выше), на радиационную защиту и

электроэнергию, затрачиваемую в обмотках. Точно рассчитать увеличение надежности

работы ускорителя за счет увеличения апертуры вряд ли возможно, и проектировщики

остановились на значении, подсказанном опытом и интуицией. Для примененной

системы жесткой фокусировки был выбран зазор между полюсами 5 см и ширина

полюсов 10 см на одной стороне магнитов и соответственно 3,8 и 12,5 см — на

другой. Интересно обратить внимание на очевидную "нерасчетность" этих цифр

(особенно если перевести их в дюймы), так же как и на случайный размер диаметра

(2 км).

В результате расчетов, проведенных на основе учета приведенных данных, длина

каждого из 660 поворачивающихся магнитов (каждый массой 11 кг) оказалась равной

6,5 м, высота 30 см и ширина около 80 см. 180 фокусирующих магнитов имеют длину

2,3 м, весят каждый по 5 т. Функции поворота и фокусировки здесь, как мы видим,

разделены.

Крайне упрощена была система питания магнита. Вместо надежной, но дорогостоящей

системы мотор-генераторов, дающей постоянный ток, здесь была установлена система

мощных селеновых выпрямителей для выпрямления обычного трехфазного тока из сети.

Крайне упрощен и фундамент — он не имеет бетонных опор, покоящихся на скальном

основании. Возможные в этом случае перекосы магнитов снимаются специальными

юстировочными устройствами. Сам туннель составлен из стандартных бетонных

секций, установленных на не очень мощном бетонном монолите.

И все же вся эта затея была, по выражению ее авторов, "бравадой". Некоторая доля

риска и самонадеянности была социально обусловлена — нужно было привлечь к делу

нужных людей. То, что эта идея в конце концов осуществлена и крупнейший в мире

ускоритель заработал, — результат сочетания интуиции, осторожной смелости и

упорства физиков и инженеров, случайного благополучного стечения обстоятельств и

крайне удачного "поворота дела" в правительстве США, неожиданно для самих

создателей ускорителя отпустившем им огромную сумму денег. Построенный

ускоритель успешно работает. Исследователи планируют сделать его еще мощнее,

заменив обычные магниты более сильными, сверхпроводниковыми.

Ускорители — удовольствие дорогое. Например, ускоритель на 1000 ГэВ будет стоить

около 1 млрд. руб., диаметр его секционированного кольцевого магнита составит

около 7 км. На строительстве такого ускорителя будут заняты тысячи человек и

сотни организаций. Правда, масса магнита при введении жесткой фокусировки для

такой энергии частиц весьма умеренна — "всего" 30 тыс. т. Для защиты от

излучения придется построить вокруг ускорителя бетонные стены толщиной 12 м.

Возрастание энергии до столь высоких значений приводит к новым трудностям,

касающимся фокусировки. Ведь диаметр ускорителя на 1000 ГэВ около 7 км, а для

того, чтобы частица не уклонялась от равновесной орбиты и не терялась бы в

полюсах магнита, необходимо устанавливать магнит с погрешностью до 0,01 мм.

Магнитные системы этих гигантских ускорителей действуют по кибернетическому

принципу. Любая погрешность в" изменении направления пучка тотчас же фиксируется

приборами, и в ускоряющую систему из вычислительного центра подается команда об

изменении ее параметров, которая должна перевести пучок-нарушитель на свою

орбиту.

А может быть, физики найдут какое-нибудь более изящное решение, которое позволит

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