О ПЕРВОМ СОВЕЩАНИИ ПО НОВОМУ ПРИНЦИПУ ЖЕСТКОЙ ФОКУСИРОВКИ ЧАСТИЦ
Тяпкин А.А. (ОИЯИ)
About the First Meeting on the New Principle of Particles Strong Focusing
A.Tyapkin
Рассказывается как с помощью статьи акад. П.Л. Капицы автору удалось выяснить физическую сущность эффекта жесткой фокусировки, предложенной американскими учёными, и как это дало повод провести по предложению И.В.Курчатова первое обсуждение этого явления на закрытом совещании в министерстве.
Это весьма важное совещание было проведено в кабинете министра среднего машиностроения в один из первых дней января 1953 года. На нём собрались руководители всех институтов и научных организаций, прикреплённых к данному министерству. Но начать рассказ об этом совещании всё же следует с объяснения, как я, год с небольшим назад утверждённый академиком И. В. Курчатовым в научном звании мл. научного сотрудника, мог попасть на столь высокое секретное совещание по обсуждению так называемой жесткой фокусировки частиц в кольцевых ускорителях, которые сами по себе в те годы только начинали внедряться.*
Для меня проблема жесткой фокусировки частиц началась с ноября 1952 г. с того момента, когда мне было поручено моим руководителем М.С. Козодаевым*
* срочно разобраться с этим новым явлением, располагая лишь предварительным сообщением, появившемся в октябрьском номере американского научно-популярного журнала “SCINTIFIC AMERICAN”.
Мне удалось быстро справиться с порученной задачей, благодаря статье П. Л. Капицы “Маятник с вибрирующим подвесом”, опубликованной в сентябрьском номере УФН за 1951 год. Я рассмотрел аналогичную магнитную задачу, в которой вдоль кольцевой системы расположены магниты с большими чередующимися по знаку градиентами и поучил для отклонившихся от стационарной орбиты частиц сильную фокусировку одновременно и в вертикальном, и в горизонтальном направлении. При этом стала предельно ясна и физика действующего фокусирующего эффекта: частицам, отклонившимся от стационарной орбиты, навязываются параметрические колебания, благодаря которым они в фокусирующих секциях проходят при больших магнитных полях, чем в дефокусирующих секциях. На этом разностном эффекте при больших градиентах и основан сам принцип так называемой жесткой фокусировки. Когда я изложил Козодаеву найденную мною расшифровку идеи американских учёных о жесткой фокусировки частиц в кольцевом ускорителе, то Михаил Силыч сначала сильно усомнился в правильности такого решения, назвав его слишком простым.
В связи с этим возражением своего шефа, тогда ещё кандидата физ.–мат. наук, мне пришлось прибегнуть к авторитету автора использованной статьи, заявив, что я тут ни при чём, что задача о вибрурующем маятнике была решена академиком П.Л. Капицей и в своей статье он использовал метод усреднения академика Н.Н. Боголюбова и показал, что задача сводится к решению уравнения Матье, давно известному в теории колебаний (для случая гармонического закона изменения градиентов). Разве Вам не достаточно авторитета двух выдающихся академиков? Эти ссылки на безусловные научные авторитеты явно оказали воздействие на на безусловные научные авторитеты, явно оказали воздействие на моего шефа, и Михаил Силыч обещал подумать над моими расчётами до завтрашнего утра и сообщить своё окончательное решение. А на следующий день он похвалил меня за уверенность в полученном результате и сказал, что при больших градиентах магнитного поля действительно возникает весьма сильная фокусировка и что нужно срочно писать сов. секретное письмо И. В. Курчатову, чтобы он знал о нашем объяснении жесткой фокусировки ещё до выхода последнего за
нынешний год номера американского основного физического журнала, в котором должна появиться статья группы Ливингстона о жесткой фокусировке частиц.
Пока писалось это письмо И.В. Курчатову я придумал, как можно получить сверхжесткую фокусировку частиц, причём в самый важный начальный момент инжекции частиц в кольцевую систему. Для этого нужно магнитную кольцевую систему составить из постоянных магнитов, а удержание частиц в кольцевой системе обеспечить применением секций обратной полярности, чередующимися с
секциями обычной полярности. В такой системе происходит сверхжесткая фокусировка частиц, описываемая уравнением Хилла (аналог уравнения Матье при ступенчатых изменениях градиентов магнитного поля в отдельных секциях). Эти мои расчёты составил заключительную часть нашего письма академику И.В. Курчатову, которое мы отправили спец. почтой в начале декабря 1952 г., правда, при этом, к сожалению, не упомянули, о статье П.Л. Капицы.
А в начале января 1953 г. нас вызвали на совещание в министерство, где М.С. Козодаев должен быть основным докладчиком, а мне как соавтору, видимо, следовало помогать ему отвечать на возможные вопросы. Третьим от нас был М.Г. Мещеряков - директор Гидротехнической лаборатории, где работал самый крупный тогда в мире ускоритель протонов на 480 МэВ, построенный в конце 1949 г. по инициативе академика И.В. Курчатова вместе с другими оборонными объектами атомного щита.
Это совещание проходило в кабинете министра среднего машиностроения (тогда им был М.Г. Первухин), проводить его было поручено министру элетропромышленности Ивану Григорьевичу Кабанову. Я сел поодаль от докладчика у дальней стены просторного кабинета. Вскоре ко мне подсел весьма подвижный человек, известный химик Н. Н. Семенов - директор Института химической физики АН СССР, который через несколько лет станет лауреатом Нобелевской премии по химии за разработку теории цепных реакции. Похоже, он сел подальше, чтобы делать свои критические замечания в адрес министра, который, по его мнению, вполне оправдывал свою фамилию тем, что излишне строго вёл совещание и от всех ученых требовал, как председатель, чтобы они предварительно спрашивали у него разрешение прежде, чем говорить (правда, всё было, на мой взгляд, вполне в духе того времени и до критики культа личности тогда оставалось ещё
более пяти лет).
А М. С. Козодаев тем временем выписал на доске основные соотношения и объяснял сущность принципа предложенной американскими учеными жесткой фокусировки частиц в полном соответствии с текстом нашего письма академику И.В. Курчатову. Но как только он кончил эту часть доклада, относящуюся к предложению американских учёных, сразу же возникли возражения от приглашенных на это совещание сотрудников из ФИАН во главе с главным специалистом по ускорителям член-корреспондентом АН В.И. Векслером, который указал на элементарный просчет американских учёных, который не позволяет реализовать отмеченную устойчивость в циклической системе кольцевого ускорителя.
Всякая, даже ничтожно малая, неточность при установке магнитных секции в кольце или неточности при изготовлении магнитов на заводе будет равносильна толчкам, которые должны сказываться на движении частиц, и при каждом обороте в кольце эти толчки должны строго повторяться. Учёт этих резонансов должен неминуемо приводить к тому, что вся область устойчивости уравнения Матье должна покрыться частыми линиями резонансов, соответствующих низким частотам толчков через каждый оборот в кольце. Обо всем этом повторяясь говорили и остальные сотрудники из ФИАН: В.А. Петухов, М.С. Рабинович и А.А. Коломенский.
Конечно, ни у докладчика М.С.Козодаева, ни у меня как его соавтора, не было готового ответа на эти убийственные возражения. Действительно, в рассмотренном П.Л Капицей маятнике с вибрирующим подвесом для полной аналогии с кольцевым ускорителем следовало бы рассмотреть влияние редких дополнительных толчков на точку подвеса, совершаемых через десятки собственных колебаний маятника. Мне было ясно, что влияние таких редких толчков может быть сильно ослаблено только отклонениями колебаний от гармоничности, но для конкретного ответа требовались, конечно, расчёты этого эффекта и никакими общими соображениями здесь нельзя было обойтись. Дилетантизм обоих авторов в области современных ускорителей проявился в полной мере при написании письма И.В. Курчатову.
Но тогда, на совещании, от позора непризнания ценной идеи американских физиков на основе, которой в последующие десятилетия строились все ускорители в мире, спасло выступление профессора В.В. Владимирского - зам. директора Теплотехнической лаборатории, которая позднее стала именоваться Институтом теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ). Он встал и, подойдя к доске, сказал, что “идея жесткой фокусировки имеет слишком большое значение для будущих ускорителей, чтобы её можно было бы отвергнуть сходу по теоретическим соображениям, без экспериментальной проверки. Поэтому мы с директором Лаборатории А.И. Алихановым приняли такое гибкое решение: сначала у себя на территории построить ускоритель протонов на 7 ГэВ, на нём всё проверить и влияние резонансов, о которых здесь
говорили, и прохождение цикла ускорения через критическую энергию, при которой отсутствует обычная автофазировка, и только после получения положительных результатов в этих исследованиях приступить к проектированию большого укорителя на 70 ГэВ и к началу изыскания места для строительства этого ускорителя под Москвой.
Тогда на совещании против такого мудрого плана у оппонентов, естественно, не нашлось аргументов. Именно этот план, как известно, и был реализован впоследствии, включая названные тогда энергии. Правда, в последующем энергии этих ускорителей удалось повысить соответственно до 10 ГэВ и 76 ГэВ. А строительство этих ускорителей успешно было завершено в 1961 и 1968 годах.
А тогда на совещании М.С. Козодаев продолжил свой доклад, изложив мою идею о сверхжесткой фокусировке в знакопеременной системе магнитов с постоянными во времени и с предельно высокими напряжённостями магнитных полей. Он закончил своё краткое заключительное сообщение, указав на существование области устойчивости, получаемой из уравнения Хилла. И сразу со стороны тех же специалистов из ФИАН раздались возгласы возмущения: “Еще не ясно, будет ли работать американская идея жесткой фокусировки, а вы нам предлагаете рассматривать свою утопию о сверхжесткой фокусировке!”. Этими возгласами они, фактически, сорвали всякое обсуждение новой и весьма оригинальной идеи. . А совещание на этом закончилось и председатель, закрывая его, посоветовал всем участникам спокойно подумать над поставленными серьёзными проблемами и на основе предварительных испытаний принять окончательное решение о строительстве более экономичных ускорителей, затем он первым покинул кабинет министра.
Об этом совещании мне представилась возможность рассказать И.В. Курчатову, когда в конце апреля 1953 г. он посетил М. С. Мещерякова в связи с начавшей реконструкцией синхроциклотрона с целью повышения его энергии до 680 МэВ. Я обратил его внимание на возражения В. И. Векслера на этом совещании против жесткой фокусировки, мотивированных неучтёнными низкочастотными резонансами и попросил подтвердить это Михаила Григорьевича, который также был на этом совещании.
- Да, дело, конечно, не в резонансах, а в том, что у Векслера подписаны уже все правительственные постановления на его проект о строительстве большого кольцевого ускорителя на 10 Гэв, основанного на старом принципе мягкой фокусировки. Ему уже поздно что-либо менять. Вот поэтому он и против американского новшества, - так охарактеризовал тогда Мещеряков основную причину выступления Векслера против жесткой фокусировки.
Поскольку и сейчас, после пятидесяти прошедших лет, я уверен, что моя идея, появившаяся впервые в официальном документе в декабре 1952 г. (наше с М. С. Козодаевым совсекретное письмо академику И.В. Курчатову), таит в себе весьма большие возможности для ускорителей ХХ1
века, то считаю, что в качестве послесловия к настоящему рассказу о первом совещании по жесткой фокусировке необходимо добавить и сведения о дальнейшей судьбе этой новой идеи, оглаской которой и закончилось это важное совещание.
Должен отметить, что я специально обращаю внимание на дату этого официального документа, прежде всего по приоритетным соображениям, поскольку через несколько лет в США некий К. Р. Саймон, как понимаю тоже
новый человек в деле ускорителей, независимо сделал точно такое же предложение и опубликовал его в 1955 году. (Simon, Keith R. , Phys. Rev. V.98, p.1152, “Fixed field alternating gradient accelerators.”)
Рядом с его заявкой на фокусировку в симметричной знакопеременной магнитной системе появилась и коллективная заявка нескольких авторов, включая К. Р. Саймона. Это предложение американских учёных
тоже совпало с более ранним предложением советских авторов из ФИАН, о котором нам стоит здесь рассказать.
Об этом предложении нам стало известно в конце февраля 1953г., когда в Гидротехническую лабораторию, где мы проводили экспериментальные исследования на ускорителе, пришла авторская заявка на изобретение из ФИАН под необычным названием “Кольцевой циклотрон”, за подписью трёх следуюших авторов: В. А. Петухов, М.С. Рабинович и А.А. Коломенский.
Ответ на эту заявку М.С. Козодаев поручил написать молодому Ю.Д. Прокошкину, который в то время приступил к расчётам по жесткой фокусировке частиц, эффективно применив матричный формализм. В своём ответе он отметил большую ценность сделанной заявки, но в положительном решении авторам отказал, поскольку они не сослались на автора исходной идеи, доложенной М. С. Козодаевым на совещании в министерстве в присутствии авторов данной заявки. Тот же вопрос о приоритете А. Тяпкина вновь возник уже после того, как американские учёные тоже пришли к идее создания кольцевого циклотрона. Тогда та же группа авторов из ФИАН, уяснив, что им на три года удалось опередить американцев с идеей создания кольцевого циклотрона, попыталась претендовать на высшую премию Академии
наук, то есть на премию им. М.В. Ломоносова. На состоявшемся в Академии заседании выступил чл.-кор. М. Г. Мещеряков и отметил, что исходная идея таких ускорителей была выдвинуты его сотрудником Тяпкиным, а выступивший затем акад. Л. А. Арцимович подтвердил это, сказав, что в декабре 1952 г. И. В. Курчатов ознакомил его с письмом, в котором содержалась эта, поразившая его идея А. Тяпкина об инжектировании частиц сразу в систему с максимальными полями на знакопеременных магнитах. И на этом основании авторам было отказано в премии.
В заключение напомню, что в первой половине 70-х годов Д. И. Блохинцев собрал совещание, проходившее в мраморном зале Президиума А.Н., для обсуждения будущих ускорителей частиц. Все участники сошлись во мнении, что в кольцевых ускорителях будущего, безусловно, должны использоваться сверхпроводящие магнитные системы. В связи с этим акад. С. Л. Минц заметил, что очень трудно осуществить изменение поля, получаемого с помощью сверхпроводящей системы, в строгом соответствии с повышением энергии пучка ускоряемых частиц. Я тогда напомнил собравшимся о предложенной мною в конце 1952 г. кольцевой системе с постоянными магнитами, в которой частицы удерживаются во время цикла ускорения с помощью секций с обратным направлением поля, и отметил, что дальнейшее развитие таких систем было предложено затем сотрудниками ФИАН. После этого, присутствующий на этом совещании А.А. Коломенский поддержал моё предложение о целесообразности вернуться к рассмотрению таких кольцевых систем с постоянными полями в сверхпроводящем варианте и затем добавил, что они у себя в “Питомнике” на двух моделях провели испытание кольцевого циклотрона и получили положительные результаты, подтвердившие работоспособность самого принципа столь необычного ускорителя.
Профессор, заслуженный деятель науки РФ
А.А. Тяпкин
_________________________
* В Советском Союзе идея кольцевого ускорителя была выдвинута впервые в 1946 г. известным специалистом по созданию реакторов на быстрых нейтронах Александром Ильичём Лейпунским (7.12.1903 – 14.08.1972) акад. АН УССР. В Обнинске под его руководством были начаты работы по сооружению кольцевого ускорителя на энергию 1,5 ГэВ, которые в 1950 г. были свернуты в связи с началом разработки в ФИАН проекта более крупного кольцевого ускорителя на 10 ГэВ, который был создан в Дубне в 1958 году. В США идея кольцевого ускорителя была опубликована в 1947 г. в статье профессора Бирмигамского университета М. Олифанта и его коллег: Oliphant М. et al., Proc.Phys. Soc.,59, 666.
А разработки таких ускорителей начались в 1947 г. сразу в двух лабораториях: в Калифорнийской лаборатории излучения разрабатывался беватрон на 6 ГэВ, который предполагалось запустить в 1954 г., и в Брукхавенской национальной лаборатории создавался космотрон, который был запущен в 1952 г. на энергию 2,3 ГэВ, а в последующем его энергию удалось повысить до 3,0 ГэВ.
** Козодаев Михаил Силыч (22.10.1909 – 6.06.1986) – д-р физ.- мат. наук, проф., известный специалист по ядерной электронике и методики регистрации частиц, участник создания автоматических систем контроля на самых первых реакторах и активный участник становления физики высоких энергий. В 30-е годы после того как известный итальянский исследователь космических лучей Б. Росси создал на основе схемы совпадений первый телескоп из счетчиков Гейгера М. Козодаев первым догадался оснастить телескоп счетчиком, включённым на антисовпадения, чтобы регистрировать число остановившихся частиц А в 1934 г. . . вместе с Апихановым и Алиханьяном первыми открывают процесс образования электрон-позитронных пар в поле ядра в результате внутренней конверсии возбуждённого ядра.
Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.
