Кристалл вместо магнита
Наиболее громоздкая и дорогостоящая часть ускорителя заряженных частиц - его электромагниты. Они используются для решения нескольких задач.
Во-первых, электромагниты заставляют частицы «заворачивать» в горизонтальной плоскости, двигаться по кольцу и проходить ускоряющие станции многократно, достигая очень высокой кинетической энергии. Энергию частиц ограничивают длина кольцевой орбиты ускорителя и величина «заворачивающего» магнитного поля, которое создают так называемые дипольные магниты. В современных ускорителях с длиной орбиты 20-30 км их число достигает многих сотен, причем каждый магнит имеет размеры в несколько метров. Во-вторых, дабы избежать рассеяния пучка ускоряемых частиц на молекулах остаточного газа в вакуумной трубе ускорителя и попадания на её стенки, пучок частиц нужно непрерывно фокусировать, «поджимать» к оси трубы, сохраняя его устойчивость. Эту функцию выполняют другие, «квадрупольные», электромагниты, которых также требуется немало.
На снимке: 120 дипольных магнитов весом по 200 тонн образуют магнитную дорожку длиной около 1.5 км. для пучков ускорителя ИФВЭ
Кроме того, ускоритель немыслим без систем вывода частиц для использования их в физических экспериментах, для «разводки» по разным каналам на разные экспериментальные установки. Эту задачу тоже выполняют сложные электромагнитные системы, созданные на пределе современных технологических возможностей.
Таким образом, управление пучками частиц высоких энергий на ускорителях осуществляется электромагнитами, потребляющими немалое количество электроэнергии. Последнее обстоятельство, особенно сегодня, когда вопросы экономии сделались чрезвычайно актуальными, заставляет искать другие способы управления пучками.
Воздействовать на движение заряженных частиц можно и при помощи электрических полей. Но для отклонения пучков высокой энергии требуются столь сильные поля, что их не выдержит ни один материал. Создать искусственно их не удастся, однако в природе они существуют.
Еще в начале века немецкий физик Иоганн Штарк предположил, что кристаллы, благодаря упорядоченному расположению атомов на плоскостях, должны быть «прозрачными» для пучков частиц, пропуская их без рассеяния. Ионы кремния в кристалле образуют заряженные плоскости. Их электрические поля, складываясь, образуют «потенциальную яму» (точнее будет сказать- «канаву»), и заряженные частицы с неизбежностью движутся вдоль неё. До экспериментальной проверки этой идеи дело дошло лишь в 60-х годах, когда компьютерное моделирование подтвердило её справедливость. В кристалле кремния при расстоянии между атомными плоскостями около 2 ангстрем напряженность электрического поля достигает миллиарда (!) вольт на сантиметр. Расчеты показали, что эти сверхсильные электрические поля способны управлять движением пучков.
Следующий ценный шаг был сделан дубнинским физиком Э.Н. Цыгановым в середине 70-х годов. Он предложил использовать не прямой кристалл, а слегка изогнутую кристаллическую пластину. Предполагалось, что небольшое искривление атомных плоскостей позволит частицы отклонять. Расчеты, а затем и первые эксперименты, выполненные группой Цыганова совместно с американскими физиками на протонном синхрофазотроне Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна), подтвердили правильность этого предположения. Появилась реальная возможность хотя бы часть задач по управлению пучками переложить с электромагнита на кристалл.
Ленинградский физик А.И. Смирнов предложил придать выходному торцу изогнутого кристалла форму полусферы. Сферическая поверхность стала выполнять роль линзы, фокусирующей пучок частиц.
Все эти предложения в комплексе были осуществлены на крупнейшем российском протонном ускорителе в г. Протвино коллективом сотрудников отдела пучков Института физики высоких энергий под руководством В.И. Котова.
Вначале вместе с физиками из Дубны и Санкт-Петербурга на ускорителе ИФВЭ был проведен цикл исследований новой управляющей системы. Они показали, что кристалл может годами работать в интенсивном протонном пучке без потери своих отклоняющих и фокусирующих качеств и самое главное - без малейших дополнительных затрат электроэнергии.
И вот на ускорителе ИФВЭ уже несколько лет работает станция деления выведенного протонного пучка на изогнутом кристалле, позволяющая проводить физические исследования одновременно на двух установках. При длине около 10 см кристаллическая пластина толщиной 2 мм поворачивает протонный пучок интенсивностью порядка нескольких миллионов частиц в импульсе на 8,5 градуса. Подсчитано, что электрическое поле кристалла при этом эквивалентно магнитному полю напряженностью 350 тесла. Чтобы создать такое поле, потребовалось бы не менее пяти электромагнитов, длиной по 4 метра каждый, потребляющих сотни киловатт электроэнергии.
Созданная система управления пучками ускоренных частиц удачно дополняет все разработанные ранее. Она чрезвычайно экономична и особенно перспективна для применения на проектируемых сегодня ускорителях сверхвысоких энергий. Уже есть опыт применения вывода кристаллом части пучка ускорителя ФНАЛ в США.
Указом Президента России Б.Н. Ельцина Государственная премия РФ в области науки и техники 1996 года за работу «Создание новых методов управления пучками частиц высоких энергий и их реализация» присуждена восьми лауреатам, в том числе - всем поименованным выше российским физикам.
Опубликовано: журнал "Наука и жизнь" №11, ноябрь 1996 г.