Самопишущий карандаш электроники

 

В 1959 году в Сокольническом парке столицы открылась американская выставка. Один из ее гидов, председатель Международного общества медицинской электроники, директор исследовательского института В. К. Зворыкин, по приглашению профессора П. В. Шмакова посетил Ленинградский институт связи. Вот что рассказал в сборнике «Пути в незнаемое» за 1964 год инженер В. Узилевский: «Вспыхнули три телевизионных экрана. Передача была короткой – трехминутный видовой фильм. Я не мог разглядеть выражение лица Зворыкина. Но мне показалось, что он сильно взволнован. Что его взволновало – виды Ленинграда, который он навсегда покинул не то в шестнадцатом, не то в семнадцатом году, уехав в Америку военным представителем, или качество телевизионного изображения? Ведь он фактически основоположник американского телевидения и многие годы отдал цветному. Зворыкин заговорил:

– Чьи это телевизоры?

– Один ваш и два наших, – ответил Шмаков.

– Вот наш. – Зажгли свет. Мы убедились, что американский профессор угадал. – Не волнуйтесь, – успокоил он Шмакова. – Ваш приемник лучше, потому я и угадал. А мы надеялись вас удивить на выставке…

Потом Зворыкина водили по всем лабораториям кафедры телевидения. На четвертом этаже он долго смотрел на портрет человека с темными глазами и маленькой бородкой. Это был портрет Розинга.

– Учитель, – тихо произнес он. – Ему и Америка обязана телевидением… Мы вас недооценивали. У вас есть чему поучиться.

Я слушал Зворыкина, а смотрел на профессора Шмакова. Я почему‑то был уверен, что в эти минуты профессор вспомнил годы блокады. Когда в холодных, нетопленных помещениях опухшие от голода сотрудники его кафедры делали ртутные взрыватели, обезвреживали неразорвавшиеся мины. Как с помощью разработанной в лаборатории аппаратуры спасали заваленных во время бомбежки людей… Выслушивая комплименты американского профессора по поводу цветной системы, профессор Шмаков помнил, как трудно далось все это».

Первую систему трехцветного телевидения в 1925 году предложил советский инженер И. А. Адамиан, а ее усовершенствованный вариант – Ю. С. Волков в 1929‑м. Прошло сорок лет, но до сих пор ни одна европейская страна не организовала регулярных телепередач в красках, кроме разве что опытных, – проблема оказалась нелегкой.

В СССР для внедрения в опытное вещание выбрана так называемая одновременная совместимая система. Она позволяет смотреть красочные программы на экранах обычных приемников, правда, в черно‑белых тонах; новым телевизорам доступны оба вида передач: и обычные и цветные. Впервые эта система у нас была опробована 31 марта 1955 года; в мае 1956 года она уже демонстрировалась советским и зарубежным специалистам.

…Еще в 1907 году преподаватель Петербургского технологического института Б. Л. Розинг получил «привилегию № 18076» на систему «электрической телескопии». Однако самое революционное нововведение ученого – управляемый электронный луч – не могло в полной мере проявить себя без других, столь же перспективных узлов. Любопытно: даже в 1922 году известный немецкий радиотехник Д. Михали в своей книге «Видение на расстоянии» скептически пожимал плечами: «Применение катодной трубки для телевидения практически неосуществимо».

Невзирая на пессимизм авторитетных оракулов, советские специалисты продолжали совершенствовать изобретение Розинга.

Механические узлы в системах передатчиков все еще сдерживали развитие телевидения. Выход из тупика в 1931 году независимо друг от друга нашли инженеры С. И. Катаев (СССР) и В. К. Зворыкин (США). Они, как и Розинг, заставили работать электронный луч – теперь уже не только в трубке – приемнике, но и в передатчике. Применение этого изумительно гибкого и эффективного инструмента упразднило громоздкие механические детали и позволило построить легкий компактный передатчик, упрятав его в небольшую стеклянную колбу. Так началась революция в телевидении.

Трубка Катаева (ее сегодняшние варианты называют иконоскопами) подняла четкость изображения, позволив увеличить количество строк в десятки раз.

Потом был имедж‑иконоскоп. Так за границей именуют трубку, изобретенную в 1933 году П. В. Шмаковым и П. В. Тимофеевым. Идею имедж‑иконоскопа подсказало авторам в какой‑то мере изобретение инженера Л. А. Кубецкого – фотоумножитель (1930 год). Трубка Шмакова – Тимофеева оказалась в десять раз чувствительней, чем обычный иконоскоп.

Естественно, что в коротком рассказе одни фамилии встречаются чаще других, а иные и вообще отсутствуют. Как на экране телевизора: если кто‑то дан крупно, значит прочие ушли на второй план или остались за кадром; если же панорама охвачена целиком, то все действующие лица одинаково мелки, так что ни людей, ни их поступков разобрать нельзя…

Можно было бы упомянуть, что русский физик А. Г. Столетов, учитель П. Н. Лебедева, заложил основы учения об электронной фотоэмиссии. Что эти идеи развивались советскими учеными П. И. Лукирским, С. С. Прилежаевым, Н. С. Хлебниковым, многими другими. Что все современные передающие трубки обязаны своим существованием и совершенством пионерским разработкам А. А. Чернышова (1925 год), А. П. Константинова (1930), С. И. Катаева (1931), П. В. Шмакова и П. В. Тимофеева (1933), Г. В. Брауде (1938). Этот список при желании легко продолжить.

Розинг, Столетов, Попов – они были каменщиками, заложившими первые кирпичи в фундамент, на котором поднялась в небо исполинская Останкинская телебашня. Поднялась потому, что наследие русских ученых попало в хорошие руки.

Профессор П. В. Шмаков тоже начинал свою научную деятельность до революции, и его слова звучат особенно убедительно: «Для создания той или иной телевизионной системы требуется тесное содружество математиков, физиков, химиков, оптиков, вакуумщиков, энергетиков, акустиков, механиков и радистов всех профилей. Такое содружество научных сил у нас в России стало возможным только в советскую эпоху, когда были созданы крупнейшие исследовательские институты и лаборатории, а также большое число высших учебных заведений. Поэтому все практические достижения в области телевидения относятся именно к советской эпохе. Ученые дореволюционной России, занимавшиеся вопросами телевидения, были одиночками, и охват всей проблемы в целом для них был невозможен».

Сейчас телевизор прочно вошел в наш быт. Каждый вечер вспыхивают голубые экраны в миллионах квартир. Аппараты советских марок пользуются спросом и за границей.

22 марта 1965 года между правительствами СССР и Франции подписано соглашение о сотрудничестве с целью внедрить единую систему цветного телевидения на основе хорошо зарекомендовавшего себя проекта «СЕКАМ».

Телекамеры ведут репортажи не только с поверхности Земли, но и с борта космических кораблей. В дни группового полета «Востока‑3» и «Востока‑4» родилось космовидение – изображение передавалось на миллионы голубых экранов не только СССР, но и других стран, подключенных к системам Интервидения и Евровидения.

Можно без конца рассказывать о триумфах электронного луча, создающего изображение на экранах телевизоров. Да и только ли телевизоров? А осциллографов? А радиолокаторных индикаторов? А электронных микроскопов?

Электронная оптика… Сейчас это обширнейшая область науки и техники, в основе которой лежит формирование заряженных частиц в организованные потоки – широкие ли пучки, узкие ли лучи – и управление ими. Немалый вклад в ее развитие внесли советские ученые А. А. Лебедев, Г. А. Гринберг, многие другие. Именно в лаборатории Лебедева, в Государственном оптическом институте, еще в 1940 году был построен первый советский электронный микроскоп, дававший увеличение в 10 тысяч раз. Сегодня эта цифра превзойдена более чем десятикратно.

Чтобы постигнуть смысл приведенных «холодных числ», достаточно сказать, что самый мощный оптический микроскоп, хотя его никак не назовешь подслеповатым, далеко уступает электронному в зоркости – в десятки и сотни раз. Именно благодаря электрическим и магнитным «линзам», фокусирующим электронные лучи, удалось разглядеть тонкую структуру клетки, даже увидеть отдельные «живые молекулы», а это привело, как известно, к настоящей революции в биологии.

Богатейшие возможности пучка частиц в роли волшебного карандаша уже проиллюстрированы на примере телевидения. Здесь корпускулярное излучение, как когда‑то волновое (лазер!), доказало нам свою «ловкость», свою грациозную легкость, мобильность, гибкость. Между тем оно тоже способно быть мощным и разрушительным.

 

Согните его в бараний рог!

 

Под Серпуховом по соседству с крестообразным радиотелескопом построено еще одно чудо техники, кольцевидное. Его поперечник – около полукилометра, периметр – полтора. Ныне это самый большой, самый мощный ускоритель, какого еще не видывал свет. Представляете? Точнейшая, сложнейшая машина размером со стадион!

 

…О чудесах‑пирамидах умолкнет пусть варварский Мемфис.

Посрамлена и кичливость всех Вавилонских твердынь.

Храмом Эфесским отныне не хвастают пусть ионийцы.

Взора не тешит уже славный Делосский алтарь.

Да не возносят теперь до небес, похваляясь, карлицы

Чудо свое – Мавзолей, что надменно вздымается ввысь.

Все уступают они творению…

 

Так и хочется продолжить:

 

…физиков русских –

Наш ускоритель‑гигант славит людская молва.

 

Но в оригинале стихи звучат иначе:

 

…цезарей римских.

Больше всего Колизей славит людская молва.

 

Сей высокопарный панегирик принадлежит античному поэту Марциалу.

«А среди памятников, которые оставит после себя наш беспокойный век, быть может, наиболее яркими будут полуразрушенные и поросшие травой, старьте, заброшенные к тому времени гигантские ускорители, – так считает молодой журналист и ученый, кандидат технических наук В. П. Карцев. – Ускорители – вот те памятники, по которым потомки будут судить о нас, об уровне нашей техники и культуры. Ускорители – это наши пирамиды».

Среди литературных вариаций на эту тему чаще всего сталкиваешься именно с архитектурно‑строительными ассоциациями. Вот, пожалуйста:

– Каждый вид ускорителей имеет собственный архитектурный стиль. Синхроциклотроны для меня – барокко. Протонные синхротроны выполнены, без сомнения, в романском стиле, хотя их изогнутые арки расположены горизонтально. Электронные синхротроны обладают той легкостью и грацией, которая присуща готике. А изохронный циклотрон с его вычурными полюсными наконечниками оформлен как бы в манере рококо…

Это говорит ученый. И не кто иной, как специалист, участвовавший в сооружении первых циклотронов, – Роберт Уилсон.

Незаметно для себя мы очутились среди отнюдь не царских «тронов», перенесясь сюда из мира «скопов», – помните? Кинескоп, иконоскоп, имедж‑иконоскоп, электронный микроскоп… У всех у них, как и у клистронов, у магнетронов, есть немало общего с циклотронами, синхрофазотронами и прочими «тронами». Имена радиоламп‑малюток и ускорителей‑великанов созвучны неспроста.

В «лампе морского прибоя» электронным потоком управляют с помощью электрического поля, в магнетроне – магнитного. Управляют – это значит формируют частицы в прямолинейные пучки или закручивают их в вихри, разгоняют их на пути от катода к аноду, отклоняют и таким образом заставляют работать, эксплуатируют, добиваясь нужной цели. А разве в ускорителях происходит не то же самое, разве что в больших масштабах?

Потоки корпускул вполне правомерно рассматривать как лучи. Чем массивнее эти «пули» и чем сильнее они разогнаны электрическим полем, тем короче волна. Ее длину подбирают так, чтобы она была сравнимой с размерами исследуемого объекта. Ведь облучаемое вещество сообщит о себе что‑то лишь в том случае, если оно как‑то исказит нахлынувшую на него волну. Дмитрий Иванович Блохинцев, президент Международного союза чистой и прикладной физики, член‑корреспондент АН СССР, так иллюстрирует эту закономерность:

– Представьте себе лодку на поверхности пруда. Гонимые ветром волны набегают на нее, отражаясь от одного, например левого, борта, а за другим, правым, возникает область штиля. По тени и отражению можно судить с? размерах и форме лодки, даже не видя ее саму. Зато если погрузить в воду вязальную спицу, то волны, чересчур большие в сопоставлении с нею, не возмутятся, не исказятся. Они попросту не заметят столь ничтожного препятствия, а мы о нем так ничего и не узнаем.

У протонных пучков дубненского синхрофазотрона длина волны составляет одну стотриллионную долю сантиметра, а это меньше нуклона. Значит, таким путем можно «прощупывать» внутреннюю структуру ядра и его «кирпичиков».

Еще выше разрешающая способность у серпуховского ускорителя. Частицы в нем удается разгонять до энергий в 70 миллиардов электрон‑вольт – в семь раз больше, чем на дубненском. Однако, если учесть, что при ударе микротарана ядра обстреливаемой мишени податливо отступают назад, то, к сожалению, волна корпускулярного излучения укоротится не во столько же раз, а лишь в корень квадратный из 7, то есть примерно в два с половиной раза. Чтобы уменьшить ее вдесятеро, понадобилась бы машина, которая мощнее дубненской во сто крат.

Проект именно такого сверхгиганта выдвинут советскими учеными в августе 1963 года на Международной конференции, проходившей в Дубне. Тогда же их коллеги из Европейского центра ядерных исследований предложили ускорители в 3 раза меньшей, но все равно циклопической мощности – на 300 миллиардов электрон‑вольт, а американцы – на 200.

Высокоэнергетические корпускулярные излучения… Их научную важность физики осознали еще до того, как научились получать их в лабораториях.

…Вот так сюрприз! Откуда он – столь необычный след? Все другие искривлены наподобие дуг, а этот – словно тетива лука. Тут было над чем призадуматься.

Физик Дмитрий Скобельцын оторвал глаза от вороха снимков и посмотрел на стоявшую перед ним камеру Вильсона. В ней действительно долгие годы наблюдались лишь прямолинейные треки. Вторгаясь в газовую среду, заполнявшую камеру, частица летела вперед, напролом, не отклоняясь, – да и с чего бы ей поворачивать? Правда, на ее пути попадалось множество препятствий – целая толпа встречных молекул. Но, обладая большей энергией, она их попросту калечила, разбивала вдребезги, упорно продолжая двигаться по прежнему направлению. Сзади оставались обломки – ионы и электроны. На них конденсировались водяные пары, присутствовавшие в газе. Образовывалась ниточка из мельчайших бусинок‑капелек, хорошо видная в окуляр. Ее легко было и сфотографировать – на снимке получались крапинки, составлявшие не очень ровную, прерывистую, но все же явно прямую трассу. Так продолжалось до тех пор пока Скобельцын не поместил камеру Вильсона в постоянное магнитное поле, чтобы оно плавно изгибало маршрут заряженной корпускулы.

Еще в 1922 году в «Журнале русского физико‑химического общества» («ЖРФХО») вышла статья, подписанная П. Л. Капицей и Н. Н. Семеновым, – «О возможности экспериментального определения магнитного момента атома». (Статья была помечена декабрем 1920 года. Но пока она добиралась до Берлина, где издавался «ЖРФХО», пока набиралась, печаталась, Штерн вместе с Герлахом поставили подобный же опыт. Впоследствии первый из них за эту работу удостоился Нобелевской премии.) Командированный тогда же в Англию, к самому Резерфорду, 29‑летний Петр Капица защитил там докторскую диссертацию на тему «Прохождение альфа‑лучей через материальную среду и методы получения сильных магнитных полей». Получил премию Максвелла, а через пять лет стал действительным членом Королевского общества. Здесь, в Кембридже, Капице пригодились идеи, сформулированные в той самой статье: молодой советский физик впервые предложил точно оценивать энергию частиц по степени их отклонения магнитным полем, куда помещалась камера Вильсона.

Так же поступил в 1927 году и Дмитрий Владимирович Скобельцын. Правда, он изучал иное явление – эффект Комптона. И треки, полученные им на снимках с помощью камеры Вильсона, принадлежали не ядрам гелия, как у Капицы, а электронам, выбитым из атома гамма‑квантами. Но закономерность оставалась той же самой: чем круче вираж, тем податливее была описывавшая его частица, тем она слабосильнее.

Так вот, на некоторых кадрах в тех же условиях у Скобельцына почему‑то запечатлелись прямолинейные черточки.

Чьи они? Комптоновских электронов? Нет! Какие‑то иные пули, куда болеем стремительные и мощные, прошили камеру Вильсона насквозь, даже не обратив внимания на внешнее магнитное поле.

Тщательный критический анализ условий опыта, перебор всех предполагаемых источников окончательно убедил Скобельцына: зафиксировано всепроникающее космическое излучение.

Обнаруженное еще в 1912 году, оно интересовало в основном геофизиков, атомников же оставляло к себе равнодушными. Открытие советского ученого, как по сигналу тревоги, подняло канониров микромира. Еще бы: высокоэнергичные частицы, а их не умели тогда получать в лаборатории, обещали стать новыми, более мощными снарядами в штурме ядерного Измаила.

Сдвинуть с мертвой точки проблему космических лучей помог и другой способ их регистрации, предложенный в 1925 году нашими же учеными Л. В. Мысовским и А. П. Ждановым, – прямо на фотопластинку, без камеры Вильсона и ее тумана. Повреждая молекулы светочувствительного слоя, частица оставляет в эмульсии след, хорошо прорисовывающийся по проявлении. А монография Мысовского «Космические лучи» (1929 год) привлекла всеобщее внимание к новой области, которая до того времени лежала в стороне от столбовой дороги ядерной физики.

В 1929 году Скобельцын установил, что лучи, приходящие из вселенной, зачастую проявляют себя не в виде отдельных редких пуль, а целыми ливнями, наподобие шрапнельных осколков. Внедряясь в воздушную оболочку нашей планеты, походя круша встречные молекулы, они вызывают целый фейерверк микрокатастроф, сыплющий искрами по сторонам осколки атомов и новые, элементарные частицы. Стало очевидно: стремительный корпускулярный поток порождает качественно иные явления, которые невозможно или очень трудно наблюдать, если оперировать традиционными малыми энергиями – как при бомбардировке веществ обычными, сравнительно медленными ядерными частицами. Увы, новый инструмент исследования не только радовал своей невиданной мощью, но и огорчал грубостью. Нерегулярные по времени, неоднородные по энергии, разношерстные по составу, небесные пулеметные очереди все меньше устраивали ученых. Все настойчивей заявляла о себе потребность в иной канонаде – столь же сокрушительной, но к тому еще и хорошо организованной, легко поддающейся управлению.

Трудно сказать, кто, где и когда впервые подал мысль об ускорителе. Идея зрела исподволь во многих странах. В конце концов вакуумная трубка, с помощью которой Рентген в 1895 году открыл лучи, названные его именем, – тоже ускоритель, правда, линейный, не кольцевой. В нем электроны, срывавшиеся с катода, разгонялись электрическим полем и, проносясь мимо анода, с силой бились о мишень – об антикатод. Тормозясь в нем, они отдавали избыток своей энергии в виде всепроникающих квантов. Но там разность потенциалов не превышала 50 тысяч вольт. И, стало быть, пройдя ее, наша однозарядная частица обретала энергию не более 50 тысяч электрон‑вольт, то есть в сотни раз меньше, чем требовалось для вторжения в атомное ядро.

В принципе, конечно, можно было создать длиннющую вакуумную трубку, равноценную десятку или хоть сотне обычных. Иной путь наметили харьковские физики (К. Д. Синельников и другие). Конструируя небольшой импульсный генератор на полтора миллиона вольт для получения быстрых ионов и электронов, они задались вопросом: а не лучше ли свернуть цепочку в кольцо, в спираль и таким образом обойтись меньшим количеством звеньев? В 1930 году они даже испытали устройство, напоминающее циклотрон. Но довести эту идею до логического конца суждено было другому. Должен же кто‑то стать первым!

Первым стал Эрнест О. Лоуренс, доктор философии Калифорнийского университета (США). В 1932 году он соорудил свою установку.

В том же 1932 году по инициативе Л. В. Мысовского в Радиевом институте был заложен первый в Советском Союзе и Европе однометровый циклотрон. Он сыграл свою роль в развитии нашей ускорительной техники: его запуск и эксплуатация стали своеобразной генеральной репетицией накануне наших всемирно прогремевших премьер, начавшихся сооружением шестиметрового синхроциклотрона в Дубне.

Тем временем группа Лоуренса сконструировала новый ускоритель, рассчитанный на энергию частиц в 60 миллионов электрон‑вольт. Увы, он не оправдал возлагавшихся на него надежд: не был способен сообщать частицам запланированную мощь. Самое большее, на что у него «хватало пороху», – разгонять их до энергии в 20 миллионов электрон‑вольт – втрое меньше. И ничего тут нельзя было поделать, если бы не…

Спасательный круг, за который ухватился Лоуренс, – принцип автофазировки. Эта идея впервые сформулирована советским ученым В. И. Векслером в серии его статей, вышедших в 1944–1945 годах, и независимо от него американским физиком Э. Мак‑Милланом.

 

Как пришпорили кентавра

 

«Циклоп» Лоуренса оказался слабосильным вот почему.

В нем протон или иной ион описывает Архимедову спираль. Трасса эта, похожая на пружину часового механизма, пролегает между двумя широкими и плоскими торцами (полюсами) постоянного магнита, поле которого, собственна, и закручивает ее в спираль. Протонная «карусель» организована в вакуумной камере внутри кожуха, напоминающего большую банку из‑под гуталина, разрезанную надвое по диаметру. Обе половинки суть не что иное, как электроды (их называют дуантами). Между ними от края и до края проходит узкая щель. Раскручиваясь от центра «банки» к ее периферии, частица за один полный цикл дважды пересекает эту поперечную зону, причем во время первого полувитка она двигается через зазор в одну сторону, а в течение второго – в обратную, но электрическое поле тоже каждый раз меняет свое направление на противоположное, так что, когда частица пролетает через ускоряющий промежуток, оно всегда должно сопровождать ее бодрящим толчком в спину. Только вот всегда ли?

В соответствии с теорией относительности масса движущегося тела возрастает тем заметнее, чем ближе его скорость к световой, предельной – именно этот релятивистский эффект и сказался при переходе к большим энергиям. Утрачивая прежнюю легкость, частица становится менее поворотливой и уже не поспевает в урочный момент к тому участку, где ее должно подхлестнуть электрическое поле. Запоздав, она вместо подбадривающего толчка может встретить даже противодействие, тормозящее ее полет, – поле‑то переменно! А нужно, чтобы периодичность, с какой она делает витки, равнялась частоте электромагнитного «погонялы» и оба колебательных процесса согласовались по фазе – четко «работали» в такт, совпадали по направлению. Как же сделать, ломали себе голову конструкторы, чтобы частицы не выбивались из ритма? Не подогнать ли к их нарастающим опозданиям расписание ударов электродного бича? Поначалу казалось: если постепенно увеличивать время между толчками, то все равно не удастся приспособиться к неаккуратному прибытию всех или даже большинства микротелец – нельзя же, право, для каждого из них подбирать свое удлинение периода!

Но при определенных условиях частицы сами будут дружно приспосабливаться к изменению частоты – к такому парадоксальному на первый взгляд выводу пришел Владимир Иосифович Векслер.

Пусть одна из спутниц отстала от своего роя и пожаловала к ускоряющей щели не в заданной фазе, так что получила вдогонку совсем слабый импульс. Значит, ее масса возрастет в меньшей степени, чем у остальных, и теперь уже начнут отставать от нее те, другие. Быстролетная странница, которая прежде плелась в хвосте, через несколько оборотов вырвется вперед и придет к зазору между дуантами раньше прочих. Если при этом разгоняющее поле наградит ее более чувствительным «тумаком», чем следующих за ней, она рано или поздно снова переместится из авангарда в арьергард.

Меняя темп, частицы будут колебаться около некой равновесной фазы. В результате такого саморегулирования вся «компания», невзирая на отдельные отклонения от общего правила, на некоторый внутренний разброд и даже отсев «отбившихся от стада», в среднем, в своем большинстве не утратит единства действий. Так что ее поведение (скажем, совместное отставание от первоначального расписания) может быть согласованным. И его удастся подчинить одному режиму, подобрав закон, по которому должна изменяться частота ускоряющего поля, – чтобы не нарушалась синхронность, согласованность во времени между круговращением всей «карусели» и толчками ее электрического «мотора».

Вскоре Лоуренс, усовершенствовав свое детище в соответствии с рекомендациями теоретиков, довел его мощность до 350 миллионов электрон‑вольт. Проектная цифра оказалась превзойденной почти в шесть раз. Только прежнее устройство стало именоваться теперь синхроциклотроном, или фазотроном, ибо в нем частота на ускоряющем промежутке уже не оставалась постоянной, а регулировалась так, как того требовал новый режим. Через некоторое время все рекорды были побиты фазотроном в Дубне – чуть ли не 700 миллионов электрон‑вольт!

В 1947, а затем и в 1949 году в Москве, в том же ФИАНе, появились сравнительно небольшие установки – первая на 30, вторая на 250 миллионов электрон‑вольт. Созданные под руководством В. И. Векслера, они интересны тем, что в них периодичность электрического поля сохраняется одной и той же, зато напряженность магнитного меняется во времени. Их окрестили синхротронами. Если же варьируются оба параметра, получается «гибрид» – синхрофазотрон.

Таковым, например, является дубненский колосс. Он вступил в строй в апреле 1957 года. Во время его пуска у пульта управления стоял академик Векслер, воплотивший в замечательной советской машине свою идею автофазировки.

Большой победе нашей науки и техники предшествовал не только кропотливый анализ отечественного и зарубежного опыта, но и пионерский поиск, проведенный в ФИАНе группой ученых во главе с докторами физико‑математических наук А. А. Коломенским и М. С. Рабиновичем. В 1953–1955 годах новые теоретические выводы тщательно проверялись на модели ныне действующего ускорителя, оттачивались его конструктивные узлы.

Некоторое представление о том, что это за «узлы», дает электромагнит. Он весит 36 тысяч тонн. А ведь он не сплошной, не дискообразный, как у циклотрона. Он сделан в форме пустотелой баранки, сердцевину которой составляет кольцевидная труба – вакуумная камера. Там, внутри, частицы движутся не по архимедовой спирали, не от центра к периферии, а по замкнутой круговой орбите одинакового радиуса. Такое решение сделала возможным остроумная идея – одновременно варьировать характеристики двух полей: напряженность магнитного и частоту электрического. Идея великолепная, но как нелегко было ее осуществить! Соответствие обоих параметров выдерживается с точностью до десятой доли процента. За их согласованностью строго следит специальное устройство. Оно непрерывно измеряет напряженность закручивающего поля и в случае малейшего ее отклонения подает сигнал, по которому корректируется частота поля разгоняющего, а она как‑никак изменяется почти в 10 раз! Управление всем режимом ускорения полностью автоматизировано. С этими сложнейшими задачами блестяще справились специалисты Радиотехнического института АН СССР под руководством академика А. Л. Минца, Ф. А. Водопьянова, С. М. Рубчинского и других. Вакуумная камера, электромагнит и питающая его обмотку подстанция мощностью 140 тысяч киловатт (две Волховские ГЭС!) спроектированы исследовательским коллективом во главе с Д. В. Ефремовым, Е. Г. Комаром, Н. А. Моносзоном, А. М. Столовым.

Многолетний труд многолюдных исследовательских коллективов, мощный индустриальный базис, щедрые государственные ассигнования на развитие науки сделали реальностью еще одно чудо техники, сооружение которого под силу лишь стране с могучей экономикой и высокой культурой.

Решением нашего правительства эта уникальная установка поступила в распоряжение интернациональной семьи ученых, которыми в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) представлено двенадцать разных стран. Там же находятся и другие ускорители. Есть они и в самой Москве, и в Новосибирске, и в Харькове, и в Томске, и в Ереване, и во многих других городах. Разные у них мощности, различны их типы. Но ученые и инженеры не устают искать, совершенствуя старые модели, изобретая новые, – покорение корпускулярного луча продолжается.

В 1953 году А. А. Коломенский, В. А. Петухов и М. С. Рабинович, а двумя годами позднее Окава и Саймон (США) предложили еще одну разновидность ускорителя – кольцевой фазотрон. В нем магнитное поле сохраняется постоянным во времени, а это, помимо прочих технических преимуществ, дает реальную перспективу в сотни раз повысить интенсивность пучка по сравнению с той, что достигнута равномощными ускорителями, где магнитное поле переменно.

Конечно, в обычном фазотроне разгонять частицы до энергий более одного миллиарда электрон‑вольт нереально. Но именно в обычном. Ибо у него магнит сплошной. Его вес, как и его же потребность в электропитании, с увеличением мощности установки до семизначного числа возросли бы чудовищно.

Советские ученые придумали, однако, способ, как устранить, казалось бы, непреодолимую трудность.

Они пришли к выводу: магнит и здесь можно значительно облегчить, если сделать его в форме узкого кольца, собранного из отдельных секторов. При переходе от предшествующего сектора к последующему поле поочередно меняет свое направление на обратное и своими силовыми линиями «прижимает» вихляющуюся частицу к круговой орбите то с одного бока, то с другого. Так осуществляется жесткая фокусировка.

Нехитрая вроде бы мысль (впервые ее подал в. общих чертах греческий инженер Н. Кристофилос еще в 1950 году). А сотрудникам Брукхейвенской национальной лаборатории и их коллегам из Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) понадобилось 8 лет напряженной теоретической и экспериментальной работы, чтобы спроектировать два синхрофазотрона, на 30 миллиардов электрон‑вольт каждый.

Вдвое более мощный серпуховский ускоритель, созданный под руководством А. Л. Минца и В. В. Владимирского, также воплотил в себе эту замечательную идею. Его магнит, имея в 8 раз больший поперечник, намного легче, чем у дубненской машины, где применена мягкая (слабая) фокусировка.

Развивая далее принцип сильной фокусировки, коллектив физиков ОИЯИ во главе с В. П. Дмитриевским, В. П. Джелеповым и Б. И. Замолодчиковым построил модель изохронного циклотрона.

При всей ограниченности лоуренсовское изобретение позволяет получать самые густые рои разогнанных частиц. Как поднять его «потолок», не утратив его достоинств? Если сделать дискообразные торцы магнита не плоскими, а рельефными (по Уилсону – «в стиле рококо»), то в создаваемом ими поле появятся перемежающие друг друга сгущения и разрежения. Они‑то и помогут частицам раскручиваться в заданном режиме, не сбиваясь с пути истинного.

Трудность заключается в том, чтобы с высокой точностью, до сотых долей процента, обеспечить нужное распределение силовых линий, их конфигурацию.

Наши ученые и инженеры успешно справились с этой сложной технической проблемой. Опыты с моделью вселили уверенность: новый циклотрон способен в 50 раз превзойти самый мощный классический – лоуренсовский! В Дубне уже спроектирована такая установка на 700 миллионов электрон‑вольт.

Автофазировка и жесткая фокусировка привели к прорыву в область сверхвысоких энергий – в сотни миллиардов электрон‑вольт. Еще дальше – за триллионный рубеж – позволят шагнуть автокоррекция – автоматическое исправление характеристик магнитной и ускоряющей системы по информации о «самочувствии» летящих частиц, поступающей от самого пучка. Эта идея высказана советскими учеными Э. Л. Бурштейном, А. В. Васильевым, А. Л. Минцем, В. А. Петуховым и Э. М. Рубчинским.

Растет мощность ускорителей, умножается их количество, ширится и качественное разнообразие их типов. Но какой от этого прок человечеству?

Оправдывают ли себя огромные средства, вложенные в сложнейшие, дорогостоящие машины?

 

Кудесники микромира

 

Ускорители еще в начале войны дали возможность измерить важнейшие ядерные константы, без которых немыслимо сооружение атомных котлов.

Именно ускорители приблизили эру ядерной энергетики. Говоря о необходимости капиталовложений в научные исследования, академик П. Л. Капица приводил такое сравнение: «Когда Колумб направлялся в экспедицию, результатом которой было открытие Америки, он ехал на простом маленьком фрегате, на лодчонке, с современной точки зрения.

Но чтобы освоить Америку как страну, потребовалось построить большие корабли, как „Лузитания“, „Титаник“, и это полностью себя оправдало».

Да, оправдало, даже несмотря на отдельные издержки: как известно, и «Титаник» и «Лузитания» пошли ко дну – первый столкнулся с айсбергом, вторую торпедировала германская подводная лодка.

В мае 1955 года американские физики опубликовали сообщение о синтезе элемента № 101, названного ими менделеевием «в признание ведущей роли великого русского химика Дмитрия Менделеева, который первым использовал для предсказания свойств еще не открытых элементов периодическую систему – принцип, явившийся ключом к открытию последних семи трансуранов». А в 1961 году пустая клетка под номером 103 заполнилась еще одним новичком – лоуренсием. Его окрестили так в честь изобретателя циклотрона. И разве не символично, что в таблице соседствуют имена Менделеева и Лоуренса?

1 марта 1969 года исполнится столетие с того дня, когда наука обогатилась эпохальным открытием: Дмитрий Иванович Менделеев сформулировал периодический закон. Исходя из своей классификации, в 1872 году, когда число известных элементов не превышало и семи десятков, он уже допускал существование по крайней мере пяти заурановых незнакомцев. Сколько же их всего? Где верхний предел менделеевской системы? Ответить на этот вопрос, один из кардинальнейших в современном естествознании, стало возможно лишь после появления ускорителей. Именно с их помощью алхимики XX века получили плутоний, кюрий, берклий, калифорний, эйнштейний, фермий, менделеевий, лоуренсий, некоторые иные элементы. И продолжают создавать рукотворные ядра.

Между клетками с менделеевием и лоуренсием в таблице примостился пустой квадрат. Одно время там стоял символ нобелия (No). Но вскоре физики заявили, что латинское сокращение очень хорошо отражает итог открытия: «No» по‑английски означает «нет». Что случилось?

В 1957 году сотрудники Нобелевского института в Стокгольме поспешили объявить о синтезе еще одного кандидата в трансураны. Они облучали мишень из кюрия (№ 96) ионами углерода (№ 6), разогнанными в циклотроне. Ожидалось, что оба ядра сольются, образовав новое, соответствующее элементу № 102.

Американцы повторили опыты на линейном ускорителе Калифорнийского университета. Увы, выводы шведов не подтвердились. Открытие было «закрыто».

В том же 1957 году в Институте атомной энергии имени И. В. Курчатова группа Г. Н. Флерова (С. М. Поликанов, А. С. Карамян, А. С. Пасюк, Д. М. Парфанович, Н. И. Тарантин, В. А. Карнаухов, В. А. Друин, Б. В. Волков, А. М. Самчинова, Ю. Ц. Оганесян, В. И. Хализев, Г. И. Хлебников), бомбардируя плутоний (№ 94) ионами кислорода (№ 8), получила вещество, выбрасывавшее альфа‑частицы. Характеристики излучения заставляли заподозрить, что его испускают новорожденные ядра сто второго элемента. Но советские ученые не торопились афишировать свое достижение. Предстояло тщательнейшим образом проверить результаты, чтобы отмести все сомнения, которых было немало.