Международный ежегодник "Будущее науки", выпуск девятый,
с.106. Изд."Знание", Москва , 1976 г.

ПУТИ РАЗВИТИЯ УСКОРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

В.П. Саранцев

В последние годы как в научной, так и в научно-популярной литературе часто поднимаются вопросы: "Нужна ли физика элементарных частиц?" "Эквивалентна ли ценность получаемых результатов уровню материальных затрат?" и т. п. Такие вопросы связаны с тем, что основной инструмент исследований, применяемый этой областью ядерной физики, - ускорители заряженных частиц - стал слишком дорогостоящим. Мы не будем пытаться сейчас доказывать необходимость развития этой области знания. Это убедительно сделано в статье М. А. Маркова "Будущее микрофизики", опубликованной в седьмом выпуске ежегодника "Будущее науки", которая подводит итоги подобной дискуссии. Еще более убедительно высказалась сама ядерная физика - последними экспериментальными результатами в открытии новых частиц.

Пытаться прогнозировать прогресс в какой-то отрасли науки, к тому же быстро развивающейся, - задача чрезвычайно трудная. Однако, как показывает статистический анализ, воплощение научных идей, если оно связано с использованием существенных капиталовложений, длится приблизительно лет десять. Этот факт придает мне смелости взяться за предсказание направления развития ускорительной техники, а следовательно, во многом и ядерной физики, на ближайшие 10-15 лет.

Необходимо сказать, что впервые метод пробных частиц ввел в ядерную физику Резерфорд, исследуя рассеяние a-частиц. Этот метод оказался настолько эффективным, что практически вся информация о строении атома, атомного ядра, которой мы сегодня обладаем, получена с использованием именно такого метода. Стремление все глубже проникнуть в атомное ядро требовало появления нового инструмента исследования. Таким инструментом стали ускорители заряженных частиц, которые сегодня вместе с ядерными реакторами составляют базу экспериментальной ядерной физики.

Последующая история ядерной физики оказалась тесно связанной с разработкой новых ускорителей частиц. В частности, сегодня мы опять стоим перед необходимостью сделать следующий шаг в ускорительной технике.

Ядерная физика ставит сейчас перед ускорительной техникой три ключевых вопроса: получение ускоренных частиц больших энергий, эффективное ускорение ядер любых тяжелых элементов, а также получение больших потоков частиц в области энергий до 1 ГэВ. Последние две проблемы в настоящее время уже находятся в стадии воплощения, и, по-видимому, потребуется по крайней мере десять лет, чтобы научиться эффективно использовать а эксперименте те возможности, которые в ближайшие годы ускорительная техника предоставит ядерной физике. Здесь я имею в виду, во-первых, серию мезонных фабрик - сильноточных ускорителей протонов, которые в ближайшие годы вступят в строй в развитых странах мира. В проектах и стадии строительства сейчас имеется также несколько установок для ускорения тяжелых ионов, которые дадут возможность существенно увеличить массы ускоряемых ядер и повысить интенсивность пучков. Совсем другое положение с установками, позволяющими получить протоны очень высоких энергий. Хотя за последние двадцать лет в создании таких ускорителей достигнут значительный прогресс (за каждые шесть лет энергии частиц в установках такого типа возрастали на порядок), тем не менее сейчас ясно видно насыщение в этом росте. Для того чтобы понять причины изменения скорости роста, рассмотрим сравнительные характеристики двух синхрофазотронов, строительство которых разделено во времени двумя десятилетиями.

Характеристика 10 ГэВ 400 ГэВ
Диаметр магнита 72 м 2000 м
Сечение магнита 7,5 х 5,3м 0,64 х 0,33 м
Сечение вакуумной камеры 40 х 200 см 12,5 х 5 см
Вес магнита 36 000 т 9 000т
Эффективность ускорения 44,2 МэВ/м 63,6 МэВ/м

Как видно из приведенной таблицы, прогресс был достигнут по всем направлениям, кроме одного - размеров окружности, на которой происходит ускорение частиц. Размеры увеличились пропорционально энергии. Таким образом, эффективность ускорения (набор энергии на единицу длины) существенно не изменилась. Вот этот факт и заставляет задуматься над дальнейшими путями развития ускорителей.

Синхрофазотроны обладают наивысшей эффективностью ускорения. Усовершенствования, внесенные в конструкцию установки, позволили получить самые высокие значения энергии ускоряемых частиц. Однако огромные размеры установки и не менее значительная стоимость (последний ускоритель, построенный в США, стоит приблизительно 200 млн. долл.) дают основание полагать, что достигнут уже некий предел. Только новый подход к проблеме даст возможность перешагнуть этот барьер.

Сейчас видны три основных направления, которые в ближайшее время позволят повысить эффективность ускорителей. Что это за направления?

В первую очередь это встречные пучки - уже сравнительно старое направление. Пожалуй, возникновение идеи использования встречных пучков следует отнести к середине 50-х годов, когда была показана возможность накопления ускоренных частиц в постоянном магнитном поле. Само предложение в то время вызвало острые дискуссии. Даже маститые физики, много сделавшие для создания новых ускорителей, не могли примириться с новой идеей. Существовало мнение, что накапливать частицы в постоянном во времени магнитном поле невозможно, так как это якобы противоречит основным законам, на которых построены ускорители. Оказалось, что противоречия здесь нет, и весь вопрос в том, как ввести частицы в магнитное поле.

Посмотрим, в чем состоят преимущества такого метода при изучении микрообъектов. Пучок ускоренных частиц направляется на мишень, и затем изучаются продукты, полученные в результате взаимодействия частицы с нуклоном или со всем ядром мишени. Таким образом, важен результат взаимодействия двух частиц. Характеристики взаимодействия, отнесенные к центру инерции частиц, получаются разными при взаимодействии летящих частиц с неподвижной мишенью и частиц, летящих навстречу друг другу. Взаимодействие последних эквивалентно взаимодействию с неподвижной мишенью частиц существенно большей энергии.

Естественно, возникает вопрос: какое отношение имеет открытие возможности накопления частиц в постоянном поле к реализации встречных пучков? Самое прямое. Идея использования встречных пучков, как мы говорили, сама по себе не нова, но ее осуществление представлялось сомнительным, так как расчеты показывали, что единичные столкновения двух пучков давали чрезвычайно малый эффект взаимодействия. Физическая аппаратура не могла с достоверностью фиксировать такой эффект. Возможность накопления позволяла существенно поднять интенсивность в пучках, а также использовать многократное взаимодействие двух пучков. Тотчас же началось строительство электронных моделей таких ускорителей, на которых этот метод не только был подтвержден, но и получены физические результаты по рассеянию электронов на электронах. Эти опыты позволили думать и об использовании нового метода для исследования протонов. После того как были построены два пересекающихся магнитных накопительных кольца при ускорителе на 28 ГэВ (ЦЕРН, Женева), осуществление такой идеи стало возможным. На последних конференциях были доложены результаты по взаимодействию частиц с энергиями, эквивалентными тем, которые могли бы быть получены в ускорителе с неподвижной мишенью на энергию более 1000 ГэВ. Таким образом, использование встречных пучков - реальное направление развития ускорителей будущего. Это направление уже подкреплено не только проектами будущих систем (встречные пучки занимают ведущее положение в планах), но некоторые из них уже обеспечены финансированием. К сожалению, развитие только этого направления в полной мере еще не обеспечивает физику высоких энергий. В настоящее время накапливается все больше и больше информации, которую можно интерпретировать как указание на существование связи между сильными и слабыми взаимодействиями частиц. Возможность обнаружения такого фундаментального факта делает необходимым расширение достигнутых пределов энергии взаимодействующих частиц как с помощью установок со встречными пучками (легких и тяжелых частиц), так и на ускорителях с неподвижной мишенью. Последнее необходимо, так как только эти установки позволяют получать интенсивные высокоэнергетичные пучки различных вторичных элементарных частиц, включая пучки высокоэнергетичных нейтрино.

Для того чтобы обеспечить полную программу развития физики высоких энергий, необходимо поднять эффективность основной установки - синхрофазотрона. Сейчас представляется, что достичь этого можно только путем замены железных магнитов ускорителя на сверхпроводящие.

Первые опыты показали, что, в принципе, можно создать импульсный безжелезный магнит, но для того чтобы сделать время нарастания магнитного поля сравнимым со временем, характерным для ускорителей с железным магнитом (это время порядка одной секунды), предстояло провести еще сложную технологическую обработку сверхпроводящих кабелей. Всего около восьми лет прошло со времени первых опытов с импульсными магнитами, а прогресс достигнут поразительный. Сейчас уже есть такие кабели, имеющие сложную структуру. Представьте себе десять тысяч нитей из сверхпроводника толщиной порядка микрона, каждая из которых покрыта слоем меди, чтобы избежать катастрофического выделения тепла в случае нарушения сверхпроводимости. Нити собираются в несколько десятков групп, расположенных в строгом порядке. Каждая из этих групп закручивается, меняет положение по сечению кабеля в зависимости от его длины по определенному закону. И все это еще раз заключено в медную оболочку.

Для создания сверхпроводящих ускорителей предстоит решить еще ряд вопросов как технического характера (например, какая конфигурация обмоток оказывается наиболее выгодной), так и физического (например, на какие величины остаточного поля, характерного для таких магнитов, нужно рассчитывать, равномерно ли это поле, сохраняет ли оно свою величину в разных импульсах?).

Какой же выигрыш сулит для ускорителей сверхпроводимость? Проведенные сейчас опыты показывают, что магнитное поле можно увеличить примерно в 2,5-3 раза, во столько же раз возрастает эффективность ускорения.

Сочетание сверхпроводимости и встречных пучков частиц в принципе дает возможность сделать следующий шаг в создании новых ускорительных систем. Дальнейшее продвижение пока представляется менее определенным. Так, все оценки были сделаны лишь для одного сверхпроводника - ниобия-титана. А между тем известны и другие сверхпроводники, для которых поля могут быть увеличены еще почти в 10 раз. Только пока мы не научились использовать эти сверхпроводники в ускорителях. Будущее со всей определенностью ответит на вопрос о том, какая может быть достигнута эффективность ускорения с использованием сверхпроводимости. Однако уже сейчас можно сказать, что следующий шаг будет сделан именно в этом направлении.

Расскажем о проектах некоторых установок. Все планируемые установки будут созданы на базе уже действующих крупнейших центров ядерной физики. Это связано с желанием максимально использовать имеющиеся возможности существующих ускорителей и экспериментального оборудования. В создаваемых машинах работающие в физических центрах ускорители будут использовать, как правило, в качестве инжекторов. Так, модернизация существующего ускорителя 400 ГэВ (США) предполагает создание в том же тоннеле кольца из сверхпроводящих магнитов, способных довести энергию частиц до 1000 ГэВ. Более далекие планы этого центра предполагают и строительство накопительных колец с целью обеспечения возможности работы со встречными пучками протонов 2-1000 ГэВ.

В Брукхевене уже несколько лет идут исследования по проекту ускорителя со сверхпроводящими магнитами на энергию 200 ГэВ и накопительного комплекса для работы со встречными пучками 2х200 ГэВ. Этот проект предполагает использование в качестве инжектора уже работающего в этом центре синхрофазотрона с энергией частиц в 30 ГэВ.

Из крупных американских проектов еще следует сказать о совместном предложении двух физических лабораторий в Беркли и Стенфорде. Эти предложения предусматривают создание установки со встречными пучками электронов и позитронов с энергиями по 15 ГэВ на базе существующего в Стенфорде линейного ускорителя. В дальнейшем этот комплекс предполагается дополнить ускорителем протонов с энергией 200 ГэВ для осуществления протон-электронных встречных соударений.

Наиболее крупной установкой Западной Европы будет строящийся ускоритель на основе обычных железных магнитов, способный ускорять протоны до энергии в 300 ГэВ. В дальнейшем предполагается осуществить возможность работы и со встречными пучками.

В Советском Союзе также обсуждается проект сооружения ускорительного комплекса на базе ускорителя в Серпухове на 76 ГэВ. Основной ускоритель этого комплекса предлагается соорудить с использованием последних достижений в технике сверхпроводимости. Максимальная энергия протонов в этой установке составит 2000-5000 ГэВ. В рамках этого проекта также рассматривается возможность работы на встречных протонных пучках.

Короткое перечисление обсуждаемых проектов крупных установок дает представление о направлении развития ускорительной техники, а следовательно, и физики элементарных частиц на ближайшее десятилетие. О дальнейшем прогрессе можно говорить только условно. Во-первых, как уже было сказано выше, он будет тесно связан с будущими успехами в использовании сверхпроводимости, с возможностями получения больших значений магнитного поля.

Наконец, необходимо сказать еще об одном направлении развития ускорителей: это применение так называемых коллективных эффектов для ускорения частиц. Этот подход к проблеме ускорения частиц принципиально отличен от тех, что мы рассматривали выше. В этом направлении за последние годы достигнут вполне ощутимый прогресс, и сейчас кажется, что оно уже наряду с другими получило право на существование. Остановимся подробнее на основных принципах данного метода и постараемся оценить его возможности в будущем.

Первые предложения по использованию новых эффектов для ускорения частиц относились к 1956 г. Выдвинутые идеи были настолько непривычны для специалистов по ускорителям, что даже самые известные из них не смогли оценить заложенных в этих идеях возможностей. Я расскажу подробно только об одном из таких методов, за которым закрепилось название "коллективный метод ускорения частиц".

В процессе разработки этот новый способ претерпел существенные изменения, и поэтому необходимо остановиться на некоторых этапах его развития. Первые, самые общие предложения были высказаны академиком В. И. Векслером в середине 50-х годов. Новый принцип ускорения был назван им когерентным. Характерная особенность его состоит в том, что электрическое поле, ускоряющее частицы, не является внешним, а возникает в результате взаимодействия малой по геометрическим размерам группы ускоряемых частиц с другой группой зарядов, плазмой или электромагнитной волной. В таком методе малость геометрических размеров является принципиальной, так как если размеры достаточно малы, то в создании ускоряющего поля участвуют все ускоряемые частицы и величина поля оказывается пропорциональной числу этих частиц, в чем и выражается когерентность взаимодействия. Пространственно это поле создается только в том месте, где находятся ускоряемые частицы, и синхронизм ускорения обеспечивается автоматически. В. И. Векслером были рассмотрены три варианта создания такого ускорителя - ускорение средой, ударное когерентное ускорение и радиационное ускорение плазменных сгустков.

Рассмотрим для примера один из таких механизмов ускорения. Известно, что частицы, проходящие через газ, замедляются за счет ионизационных потерь. Этот эффект обратим, и если частицы поместить в движущуюся среду, они будут увлекаться средой до тех пор, пока скорости среды и частиц не сравняются. Возьмем в качестве среды поток электронов. Если количество электронов достаточно велико, то увлекаемый электронами ион в конце концов начнет двигаться с их скоростью. При когерентном ускорении происходит следующее. Электроны как легкие частицы (их масса приблизительно в 2000 раз меньше массы протона) при сравнительно небольших энергиях могут двигаться со скоростью, близкой к скорости света. Если достаточно большой сгусток электронов захватит и увлечет за собой некоторое количество протонов, то их энергия при той же скорости будет в 2000 раз больше энергии электронов. Таким образом, можно ускорить протоны до миллиардов электрон-вольт, разогнав электроны лишь до миллиона электрон-вольт.

Хотя силы, действующие со стороны электронов на отдельный ион, малы, тем не менее, как это было выше указано, при большом числе ионов суммарная сила, действующая на ионный сгусток, возрастает пропорционально их числу. При этом важно, чтобы на протяжении всего процесса ускорения размеры сгустка оставались достаточно малыми, так как только в этом случае увлекающая сила одновременно действует на все частицы сгустка. Однако из-за расталкивания одноименно заряженных частиц такой сгусток сохраняет свои размеры лишь очень короткое время, недостаточное для ускорения частиц. В этом и состояла основная трудность, с которой столкнулись исследователи при реализации когерентных методов.

Чтобы обойти эту трудность, в одном из способов, предложенном В. И. Векслером, предлагалось ускорять нейтральный (плазменный) сгусток. Воздействие внешней электромагнитной волны прикладывалось к легкому компоненту сгустка - электронам, которые увлекали тяжелые частицы. Однако эксперименты по осуществлению такого метода ускорения показали, что в плазменном сгустке развивались микронеустойчивости, и получение больших эффективностей ускорения не представлялось возможным. Подойти к осуществлению новых методов ускорения можно было только через создание устойчивого сгустка.

Выход был найден в использовании релятивистского характера движения одного из компонентов сгустка.

Известно, если имеются параллельно движущиеся одноименные частицы, то они, подобно обычному току, создают магнитное поле, в результате действия которого частицы начинают притягиваться, компенсируя силу кулоновского расталкивания. При очень больших скоростях начинает действовать релятивистский фактор. Исходя из теории относительности нельзя получить такие магнитные поля, которые бы полностью компенсировали силу кулоновского отталкивания. Мерой "недокомпенсации" этих сил служит величина 1/g2, где g релятивистский фактор, равный 1/sqrt(1-(n/c)2), где n - скорость пучка, с - скорость света в вакууме.

Как же все-таки осуществить такую компенсацию? Оказывается, для электронов это можно относительно легко сделать. Так, для пучка электронов со сравнительно низкой энергией - 10 МэВ силы кулоновского расталкивания будут ослаблены из-за магнитного притяжения в 400 раз. Для того чтобы скомпенсировать недостающую 1/400 часть сил кулоновского расталкивания, можно в такой пучок из Ne электронов добавить малое количество положительно заряженных ионов
Ni > (Ne/g2)n.

Для придания сгустку компактности нужно заставить электроны двигаться по замкнутым, скажем, кольцевым орбитам так, чтобы они обтекали ионы, находящиеся внутри кольца. Таким образом, можно получить кольцевой сгусток, в котором электроны движутся с релятивистскими скоростями, а ионы равномерно заполняют электронное кольцо. Непосредственно инжектируя электроны в магнитное поле и подбирая величину поля, можно получить кольцевое образование. Но если учесть максимальную интенсивность пучков электронов, даваемых современными ускорителями, и размеры сечения кольцевого образования в магнитном поле, то окажется, что возникающие в кольце максимальные напряженности удерживающего ионы поля не превысят 100 кв/см; и этого недостаточно для эффективного ускорения. Чтобы существенно повысить величину напряженности поля, нужно уменьшить размеры кольца. Для этого можно воспользоваться способностью электронного образования менять в растущем магнитном поле как радиус, так и размеры поперечного сечения. Этот способ и был использован в установке, работающей в Объединенном институте ядерных исследований.

Электроны инжектируются в магнитное поле и образуют кольцо диаметром около 1 м. Магнитное поле формируется, как и в обычных ускорителях, таким образом, чтобы обеспечить удержание электронов при энергии инжекции и устойчивость их орбитального движения. По мере возрастания магнитного поля происходит сжатие кольца. При этом уменьшается как радиус кольца, так и радиус его сечения: в конечном состоянии диаметр кольца сокращается до 10 см, а диаметр сечения кольца составляет всего 2-3 мм.

Как же будет выглядеть коллективный ускоритель в целом? Ускоритель должен состоять из инжектора электронов, камеры, где создается кольцевой сгусток, и системы ускорения этого сгустка. Как было показано выше, для получения плотного электронного кольца необходимо инжектировать в магнитное поле достаточно интенсивный пучок электронов уже релятивистских энергий. Следовательно, необходим ускоритель электронов, способный ускорить в импульсе сотни ампер электронного тока.

Анализ показывает, что в настоящее время для этого пригоден лишь так называемый линейный ускоритель индукционного типа. Такой ускоритель представляет собой последовательность одновитковых импульсных трансформаторов, на первичную обмотку которых подается импульс напряжения от специальных модуляторов. Вторичной обмоткой трансформаторов служит электронный пучок. Такая система позволила получить токи электронов в сотни ампер.

Ускоренный таким образом пучок электронов поступает в камеру, где создано магнитное поле необходимой конфигурации. Именно с этого момента магнитное поле в камере начинает нарастать, а размеры электронного кольца - уменьшаться. На конечном этапе сжатия в электронное кольцо вводятся ионы. Для этого на короткое время открывается газовый клапан, выпускающий в область электронного кольца газ, ионы которого необходимо ускорять. При столкновении электронов кольца с молекулами газа происходит ионизация, и полученные ионы захватываются внутрь электронного кольца. Таким образом, отпадает необходимость в создании специальных ионных источников. Регулируя давление внутри газового источника, можно получить необходимую концентрацию ионов. Итак, сгусток готов.

Как известно из теории движения частиц в пространственно неоднородных магнитных полях, кольцевое образование, подобное нашему, при помещении его в пространственное неоднородное поле начинает двигаться в сторону уменьшения поля. При этом скорость кольца как целого будет расти в соответствии с уменьшением орбитальной скорости электронов, т. е. падающее вдоль оси кольца поле может "перекачивать" энергии вращения в энергию продольного движения. Таким образом, для того чтобы кольцу в целом сообщить движение вдоль оси, необходимо не только убрать удерживающее его на орбите магнитное поле, но и создать уменьшающееся вдоль оси поле. При этом крутизна изменения поля не должна быть слишком большой, чтобы ионы вследствие инерции не оторвались от электронного кольца.

Вот этот принцип и был испытан в Дубне на модели ускорителя. В электронных кольцах уже удалось ускорить ядра азота и гелия. Эти опыты показали не только работоспособность нового принципа ускорения, но и его универсальность - таким образом могут быть ускорены любые ионы. Созданием такой универсальной системы и заняты физики, работающие в Дубне. Сейчас еще рано говорить о всех тех новых возможностях, которые откроются для ядерной физики после создания этого нового ускорителя.Таковы, на мой взгляд, направления развития современной физики и техники ускорителей. Хочется надеяться, что в ближайшем будущем эти исследования дадут ядерной физике новые инструменты для изучения элементарных частиц, помогут сделать решающие шаги в понимании окружающего нас мира.