Наш бегун — заряженная частица. И вы уже догадываетесь — нам это встречалось не раз, — что завернуть частицу можно магнитным полем.
Так оно и есть. Беговую дорожку для частиц Лоуренс поместил между полюсами сильного магнита. Размеры установки сжались. Вместо десятков электродов, как это будет у Видероэ, Лоуренс ограничивается двумя.
У Видероэ именно «будет»: первый циклотрон Лоуренса заработал еще в 1934 году.
Циклотрон. Электроны впускаются в циклотрон между дуантами, а затем, разгоняясь в электрическом поле, описывают по мере нарастания их энергии раскручивающуюся спираль. На последнем ее витке они либо выводятся из ускорителя, либо падают на мишень, установленную внутри ускорительной камеры. Подобным же образом разгоняются протоны и ионы в современных циклотронах. Они служат для изучения ядерных реакций и для искусственного получения ядер трансурановых элементов.
Вот на рисунке вы видите две полые коробки. Называются они дуантами, а выполняют роль электродов. Питает их переменное напряжение. Частота его подобрана так, что частица — например, тот же протон — получает шлепок именно в тот момент, когда она переходит из одного дуанта в другой.
Но протон ведь движется все быстрее и быстрее! Значит, шлепки не будут поспевать за ним? Опасения излишни: протон раскручивается по спирали, как наш весельчак на «колесе смеха». Выше скорость — шире виток спирали, больше пройденный путь — и то же время оборота.
Засеките время, когда мимо вас на колесе промчится человек, и отмечайте это время каждый раз. Вы увидите, что, как бы он ни старался, он будет делать полный оборот за одно и то же время. Только скорость вращения пассажира зависит от скорости колеса, а скорость вращения электрона — от частоты переменного напряжения.
И, наконец, частица вылетает вон из циклотрона, подобно камню из пращи. Что ж, скорость ее довольно велика: протон в циклотроне может набрать энергию до 25 миллионов электрон-вольт. При столь энергичной бомбардировке ядерные реакции идут уже полным ходом. Из ядер летят целые тучи частиц, — и среди них нет ни одной искомой. 25 и 300 миллионов электрон-вольт — слишком далеки они друг от друга!
Но почему только 25 миллионов электрон-вольт? Почему не разгонять те же протоны еще и еще, пока они не наберут желанной энергии? Спираль слишком раскручивается? Усильте магнитное поле, и она сожмется, или же увеличьте диаметр циклотрона. Цель ведь оправдывает средства.
Это верно. Цель оправдывает любые средства. Ради знания глубочайших тайн мироздания сегодня строятся десятки могучих машин, — а каждая такая машина стоит колоссальных денег. «Дороговаты нынче электрон-вольты!» — как-то шутливо заметил один физик, и в этой шутке большая доля правды.
Причина того, что циклотрон не дает частицы с желанной энергией, вовсе не в деньгах, а в… самих частицах. Они — существа упрямые. Первым подметил их упрямство — еще задолго до появления первого ускорителя — Альберт Эйнштейн.
Праща совершенствуется
Дело в том, что частицы, по мере того как их скорость приближается к скорости света, все сильнее сопротивляются дальнейшему ускорению. Проявляют это они единственным доступным им способом: увеличивают свою массу. Это необычайное поведение и предсказала теория относительности.
И это же поведение вызывает самые плачевные последствия в циклотроне. Электрическое поле в нем приготовилось в очередной раз шлепнуть частицу, а та «отяжелела», разленилась и не поспела к шлепку в назначенное время. Шлепок пришелся по пустому месту.
И это даже полбеды. После шлепка поле повернулось в обратную сторону. Если теперь частица подойдет к промежутку между дуантами, поле, вместо того чтобы ускорить, напротив, замедлит ее!
Великая вещь — действовать «в такт»! Попробуй-ка раскачай качели, то толкая их, то задерживая. Седоки вряд ли будут довольны.
Но закон есть закон. Обойти его нельзя. Примириться тоже не хочется. В стене перед заветной областью больших энергий стоит поискать лазейку.
И в 1944 году эту лазейку, почти одновременно и совершенно независимо друг от друга, находят советский физик Владимир Иосифович Векслер и американский ученый Эдвин Мак-Миллан. Лазейка называется по-научному «принцип автофазировки».
…Есть такой красивый цирковой номер. На афишах он обычно набирается аршинными буквами: «Дрессированные лошади! Труппа под руководством заслуженного артиста такого-то… Смотрите! Спешите!»
Под звуки бравурного марша на манеж вылетает десяток белых лошадей, за ними, кувыркаясь, выбегают лихие джигиты. И, наконец, не спеша появляется в красивом камзоле дрессировщик с хлыстиком. Лошади бегут по кольцу все быстрее и быстрее, джигиты на полном ходу то вскакивают на спины лошадей, то виснут под брюхом, то снова спрыгивают на землю — быстро, легко, красиво. Одним словом, цирк. А лошади, как ни в чем не бывало, бегут плотным строем.
Вот такой «цирк» и решил устроить Векслер с протонами в циклотроне. Протон, отяжелевший от огромной скорости, подобен лошади, на спину которой вскочил наездник. Быстрее, быстрее летит лошадь — второй, третий наездник влезают на нее, затем на плечи друг другу, — по кругу несется уже целая живая пирамида. А дрессировщик, чтобы лошадь не замедляла своего движения, все чаще подгоняет ее взмахами хлыста.
Электрическое поле — со все возрастающей частотой!
Именно эта мысль пришла в голову Векслеру. Чем больше тяжелеет частица, тем чаще толкает ее поле.
Стоп… Но ведь поле «не знает», насколько отяжелела частица. Частицы не все ведь движутся с одинаковой скоростью. Как же поле умудряется шлепать частицы «в такт»?
Тут-то и начинается самое интересное. В группе частиц, конечно, всегда найдется такая группка, которой «такт» электрического поля вполне подойдет. Но число частиц в этой группе столь невелико, что ради нее не стоило огород городить. А как же остальные частицы?
И тут выясняется, что бегущие частицы не уступают в «слаженности» цирковым лошадям! Забежала одна лошадь вперед или отстала — она тут же замедляет или убыстряет свое движение так, чтобы сохранился плотный строй.
Разумеется, частицы далеко не так дрессированы, как цирковые лошади. Частиц на ходу подправляет само переменное электрическое поле. Забежала частица вперед, набрав большую энергию, значит, на следующем обороте она получит «неполный» шлепок и замедлится. Отстала частица — будет получать шлепки посильнее, пока не попадет «в фазу». Частицы словно сами подгоняют себя в фазу с электрическим полем, — оттого и явление было названо «автофазировкой».
Растущая при ускорении масса частиц перестает быть помехой. С нею вполне справляется поле с переменной частотой. Для этого необходимо лишь менять частоту поля синхронно с увеличением энергии и массы частиц. Как это делается, мы не будем рассказывать. Окончательная частота поля определяется только той энергией, которую вы пожелаете сообщить частицам.
От идеи до конструкции
Удивительно простая и красивая идея! Физики не замедлили ухватиться за нее.
Прошло всего лишь пять лет, и в небольшом подмосковном городке Дубне заработал первый в СССР циклотрон, воплотивший идею Векслера. Физики, желая подчеркнуть, что циклотрон не простой, а особенный, меняющий частоту поля синхронно с набором частицами энергии, окрестили его синхроциклотроном.
Здание синхроциклотрона в Дубне было построено в молодом сосновом лесу. Вокруг него все время ходит ветер. «Разгоняет воздух, чтоб чище работать было», — шутят физики. Здание до половины обложено земляной насыпью. Из-под нее выглядывают толстые бетонные брикеты.
По высокой лестнице поднимаемся на второй этаж. Отодвигается массивная дверь, и мы попадаем в главный зал.
