Водородные ядра с энергией в миллиарды электрон-вольт — такова продукция современных ускорителей. Подобно большому заводу, такой ускоритель состоит из многих «цехов» (см. цветную вкладку).
Самая тяжелая, громоздкая часть установки — это кольцевой электромагнит, который можно было бы назвать «цехом магнитного поля». Здесь создаются те незримые магнитные стены, которые ограждают кольцевой путь заряженных частиц.
Магнитный поток в сердечнике электромагнита (1) не постоянен. Магнитный поток нарастает в каждый рабочий цикл от нуля до максимума, а затем снова падает до нуля. Если бы сердечник был изготовлен в виде стального массива, то пульсирующий магнитный поток возбуждал бы в этом массиве вредные вихревые токи. Для ослабления вихревых токов сердечник составлен из отдельных пластин мягкой стали, изолированных одна от другой.
На рисунке представлен ускоритель, у которого магнит состоит из четырех квадрантов. В одном из промежутков между квадрантами расположена система ввода ускоряемых частиц (10).
В другом промежутке производится вывод готовой продукции — ускоренных частиц. В третьем показан ускоряющий высокочастотный контур (11). Обмотка электромагнита обозначена цифрой «2».
«Цех питания». Энергия в обмотки электромагнита подается от силовой установки, показанной в верхнем правом углу схемы.
В быстро вращающихся роторах генераторов переменного тока накапливается кинетическая энергия. За счет энергии роторов питается электромагнитное поле в течение периода ускорения.
Ток от генераторов подается к электрическим вентилям — игнитронам (3). На рисунке показана одна группа из 6 вентилей. В установке может быть несколько таких групп. В начале каждого рабочего цикла вентили работают как выпрямители — превращают переменный ток генераторов в постоянный ток, который затем посылают в обмотку (2) кольцевого электромагнита (1).
Обмотка электромагнита обладает большой самоиндукцией — электрической инерцией. Поэтому в начале рабочего цикла, в первые моменты ускорения частиц, ток, идущий через обмотку электромагнита, невелик. К концу периода ускорения ток через обмотку достигает максимального значения. В этот момент производится переключение схемы управления вентилями (3). Изменяется направление потока энергии, энергия перекачивается из электромагнита обратно в генераторы переменного тока. Ток в обмотке электромагнита падает, а скорость вращения роторов генераторов нарастает. В этот период времени они работают как двигатели.
Затем несколько секунд дается на отдых, после чего начинается следующий рабочий цикл. Вновь нарастает магнитное поле. Начинается ускорение новой порции протонов.
Ускорительная камера (6) имеет форму огромной баранки прямоугольного сечения. Для нормальной работы ускорителя в камере должно поддерживаться высокое разрежение — высокий вакуум: давление газов в камере не должно превышать миллиардной доли от атмосферного давления.
«Вакуумный цех». В нескольких местах к кольцевой камере (6) подключены высоковакуумные, так называемые диффузионные, насосы (9). В них кипит особое масло (силиконовое — кремний-органическое). Потоки масляных паров захватывают и уносят газы из ускорительной камеры. Между каждым насосом и ускорительной камерой есть ловушка, которая не допускает масляные пары от насоса в камеру. Дно и потолок выполнены из стали в виде отдельных узких полос, изолированных друг от друга особой пластмассой.
Паромасляные насосы не могут выбрасывать захваченный ими газ прямо в атмосферу. Выход высоковакуумных насосов подключается к насосам предварительного разрежения.
Источник протонов. Протоны, подлежащие ускорению, поступают из разрядной трубки (7). Здесь в дуговом разряде с атомов водорода «сдираются» электронные оболочки. Оголенные ядра собираются в узкий поток, который проходит предварительное ускорение. В советском ускорителе протоны, прежде чем попасть в кольцевую камеру, предварительно ускоряются до энергии в 9 млн. электрон-вольт в высокочастотной линейной системе, обозначенной на рисунке цифрой (8). По вводному устройству — криволинейной трубе (10) — протоны, прошедшие предварительное ускорение, впрыскиваются в кольцевую камеру.
«Высокочастотный цех» вырабатывает напряжение, ускоряющее протоны при каждом их обороте. Генератор (4) получает питание от группы вентилей (5). В отличие от обычных радиовещательных передатчиков, у которых частота сохраняется постоянной во время работы, ускорительный генератор в течение одного цикла ускорения должен изменить свою частоту более чем в 10 раз.
Когда ионы только входят в кольцевую камеру, их скорость мала и частота ускоряющего напряжения обычно меньше одного мегагерца. К концу периода ускорения частота должна достигнуть нескольких мегагерц.
За время ускорения до максимальной энергии каждый протон успевает сделать несколько миллионов оборотов по орбите длиною в несколько сотен метров. За каждый оборот протоны наращивают свою энергию примерно на тысячу электрон-вольт.
Путь, проходимый протонами за каждый цикл ускорения, составляет около миллиона километров.
Описанный физический прибор занимает площадь не меньшую, чем территория крупного машиностроительного завода.
Десятки физиков, а также рабочих и инженеров различных специальностей обслуживают этот физический прибор. Этот прибор ускоряет протоны до миллиардов электрон-вольт. Но ученые уже работают над тем, чтобы овладеть еще более высокими энергиями. Каковы же будут эти сверхмощные ускорители? Можно одно сказать: техника не пойдет по пути простого увеличения размеров современных приборов.
В XVII веке в Версале, резиденции французского короля Людовика XIV, была построена насосная станция для приведения в действие фонтанов в парке. Она считалась в то время величайшим инженерным сооружением, одним из чудес мира. Версальская насосная станция занимала площадь в несколько гектаров, коромысла насосов были сделаны из вековых сосен. И вся эта громоздкая машинерия развивала мощность менее 100 квт — меньше, чем средних размеров насос на современной пожарной машине.
Быть может, так же громоздко и неуклюже будут выглядеть по сравнению с физическими приборами будущего наши современные самые грандиозные приборы.
* * *
Текст Б. Привалова Рис. Ю. Черепанова
Увидев на выставке «Юный техник» портрет Васи Дотошкина, Боба Белоручкин чуть не умер от зависти.
— Подумаешь! — возмутился он, глядя на портрет Дотошкина. — Изобретатель нашелся! А порох все равно не ты выдумал. Мы тебе нос утрем!
— Угу, — неуверенно согласился Верхоглядкин и еще более неуверенно добавил: — Чем мы хуже?
— Пошли изобретать! — воскликнул Боба. (См. стр. 15.)
КРОССВОРД В РИСУНКАХ
СОГЛАСЕН ЛИ ТЫ С ТЕМ, ЧТО…
1. Водяной пар имеет вид белых клубов.
2. Втыкая швейную иглу, можно развить давление в 1 000 атм.
3. Большие скорости движения вызывают перегрузки в организме.
4. Теплотворная способность динамита меньше, чем теплотворная способность керосина.
5. Сифон может действовать в пустоте.
6. Холодная вода быстрее гасит огонь, чем кипяток.