В СССР шла аналогичная работа. У советских физиков 1930-х годов был доступ к материалам зарубежных коллег, и практически сразу после постройки Лоуренсом циклотрона в 1932 году физики Лев Мысовский и Георгий Гамов разработали проект метрового циклотрона для Радиевого института в Ленинграде. В работе также принимали участие знаменитый в будущем, а пока совсем молодой Игорь Курчатов и один из основателей Радиевого института Виталий Хлопин. В 1937 году был запущен первый советский (и европейский) циклотрон. Гамов этого не застал. Из группы специалистов, работавших над устройством, он больше всего времени проводил за границей в рабочих командировках, в период с 1928 по 1931 год объездил ведущие лаборатории мира, а в 1933-м во время очередной командировки на Сольвеевский конгресс в Брюсселе Гамов отказался возвращаться и спустя семь лет стал гражданином США.
С циклотрона Радиевого института началась работа над ускорителями в СССР – наравне с работой, которая велась в США, Германии, Дании и других странах мира. Новые схемы циклических ускорителей, позволяющие преодолевать различные ограничения, появлялись и продолжают появляться регулярно. В 1945 году физик Эдвин Макмиллан разработал и построил первый синхротрон; годом позже под его же руководством 470-сантиметровый циклотрон в лаборатории Лоуренса (ныне Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли) был модифицирован в синхроциклотрон; в 1954 году в Беркли появился первый беватрон (то есть ускоритель с энергией порядка нескольких ГэВ); в 1970-м в национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми – первый тэватрон (с энергией порядка нескольких ТэВ) и т. д.
В эту «гонку тронов» внесли свой вклад и советские учёные.
Над разработкой ускорителей в СССР работало немало выдающихся учёных, но именно изобретательское направление ассоциируется с конкретным человеком – Владимиром Иосифовичем Векслером. Векслер родился в 1907 году, в 1931-м окончил Московский энергетический институт, после работал во Всесоюзном электротехническом институте, потом в Физическом институте АН СССР – в общем, его трудовой путь можно назвать примером идеальной советской научной карьеры, которой чудом не коснулись ни сталинские репрессии, ни изоляция от мирового сообщества (не без оговорок, но об этом я расскажу позже), ни регулярные смены курса правящей партии.
В 1940 году Векслер защитил докторскую и остался работать в Физическом институте АН СССР. Он активно публиковался в научных журналах и считался одним из молодых светил советской ядерной физики. А в 1944 году Векслер первым в мире сформулировал принцип автофазировки.
Как уже говорилось ранее, когда пучок заряженных частиц разгоняется в циклическом ускорителе, он многократно проходит через ускоряющие промежутки. Для эффективного разгона необходимо, чтобы в эти моменты направление движения частицы и направление электрического поля совпадали, то есть движение частицы и изменение поля надо синхронизировать. Для синхронизации частота обращения частицы должна быть или равна, или кратна частоте электрического поля, при этом частица всегда будет пролетать ускоряющий промежуток при одном и том же значении фазы поля, получать энергию – и ускоряться. Именно на таком принципе и работает циклотрон: в нём частицы движутся в постоянном магнитном поле с постоянной частотой обращения, равной частоте ускоряющего поля.
Но при достижении энергией частицы достаточно высокого значения синхронизация сбивается. Связано это вот с чем. При скоростях, значительно меньших скорости света, кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости:
Но если скорости приближаются к скорости света, то, в соответствии с теорией относительности равенство нарушается (что эквивалентно возрастанию массы
Частота обращения уменьшается, перестаёт совпадать с частотой разгоняющего электрического поля, и частицы выпадают из ускоряемого пучка. Если у нас одна частица, то мы можем подгонять под изменение её частоты обращения частоту поля, снижая по ходу ускорения или изменяя величину магнитного поля. Но если частиц миллионы и миллиарды, то у них существует разброс энергий (иначе говоря, каждая ведёт себя немного по-своему) и подстроиться под все попросту невозможно. Это и есть естественное ограничение циклотрона – как уже говорилось, он позволяет разогнать частицы не более чем до 20–25 МэВ.
