Частица на самообслуживании
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Еще ни в одном рассказе о чудесах кибернетики не встречалась вычислительная машина, проводящая сама сложный физический эксперимент. Логика развития любимого оружия современной атомной физики — ускорителей — привела к рождению мысли о кибернетическом ускорителе. В обычном резонансном циклическом ускорителе электрическое поле гонит по кругу частицу, а магнитное поле удерживает ее в пределах этого круга. Но согласовать действия этих полей очень сложно технически. Величина и сложность ускорителей растут гораздо быстрее, чем энергия разгоняемых ими микроснарядов.
Так, если построить ускоритель типа существующих на энергию в тысячу миллиардов электронвольт (что приблизительно в 30 раз превышает достигнутые энергии), то эта машина имела бы диаметр более шести километров! И в то же время каждую деталь пришлось бы изготовить и установить с точностью в сотые доли миллиметра. Требования эти невыполнимы, ибо самая совершенная аппаратура не может измерять и регулировать микронные отклонения на километровых расстояниях. Да и весила бы такая машина полмиллиона тонн.
Вы видите, этот путь ведет к тупику. Нужна идея. Так всегда было в истории техники. Человек движется, поднимаясь по лестнице, а потом изобретает лифт. От весел к парусу, от парусников к пароходам. Идеи экспериментальной физики опираются на технику века, поэтому и появляются сразу же за достижениями этой техники. Так возник принцип автокоррекции. Пусть пучок летящих микроснарядов получит полное самоуправление,— сказали ученые!
Будущий ускоритель с полным правом можно назвать кибернетическим. Дело в том, что частицы, несущиеся по круговому треку камеры, должны сами сообщать о малейшем отклонении от заданного маршрута, а вычислительная машина — тренер бегунов — мгновенно исправлять их путь. Кольцевая вакуумная камера, в которой полетят частицы, сохранит свою двадцатикилометровую длину. Зато ее сечение можно будет сильно уменьшить. Вместо круга диаметром в 10—15 сантиметров, обычного для лучших современных ускорителей, сечение камеры сузится до размеров кадра узкой фотопленки. Ведь опасность, что частицы врежутся в стенку, теперь полностью отпадает.
Благодаря небольшим размерам камеры, вес ускорителя уменьшается от полумиллиона тонн до десяти тысяч, то есть будет даже меньше, чем у строящихся сейчас ускорителей на значительно меньшие энергии. Требования к точности изготовления и сборки ослабляются в сто раз! А такую точность уже можно обеспечить.
Разгон самоуправляющихся частиц будет происходить так. Вдоль кольцевой камеры ускорителя стоят, как верстовые столбы, многочисленные металлические пластинки — сигнальные электроды. Стоят попарно. Пролетая между любой парой отметчиков, пучок частиц наводит на каждой из пластинок электрический заряд. Когда сгусток частиц летит точно по своей орбите, в центре камеры, заряды получаются одинаковыми, и в кибернетический контроль не поступает никаких сигналов. Но стоит частицам чуть отклониться от своего маршрута, на пластинах возникают разные заряды, и в вычислительную машину подается сигнал тревоги.
«Кибернетический физик» вычисляет искажения в электрическом и магнитном полях и передает приказ регулирующим приборам. Орбита частиц выправляется почти мгновенно — на это уходит меньше тысячной доли секунды. Под этим бдительным контролем непрерывно подхлестываемые электрическим полем частицы за 11 секунд достигнут огромной заданной энергии и будут готовы к выполнению поставленной перед ними задачи.
Хороший легкоатлет пробегает за 11 секунд стометровку. Бегуны-частицы через 11 секунд после старта вылетают из камеры, совершив более восьмидесяти кругосветных путешествий!
ПРИКЛЮЧЕНИЯ НА ТРЕКЕ
Итак, пучок частиц летит в кольцевой камере, набирая скорость. Все стремительнее движется по треку стадиона плотная группа бегунов на длинную дистанцию. Недремлющий, мгновенно действующий контроль следит за движением пучка. Частицы круг за кругом точно идут по заданному маршруту, никуда не отклоняясь от него. Но вот начинают докладывать по очереди все датчики камеры — пучок частиц летит уже не точно посередине, он отклонился в сторону и неуклонно, оборот за оборотом, приближается к наружной стенке камеры. Через несколько десятков оборотов частицы погибнут, врезавшись в эту стенку. Надвигающуюся микрокатастрофу надо срочно предотвращать.
Здесь на выручку приходит открытый академиком В. И. Векслером еще в 1944 году принцип автофазировки. При определенных условиях частота обращения частиц строго зависит от частоты ускоряющих толчков электрического поля. Иными словами, частицы сами следят за частотой своего обращения и приводят ее в точное соответствие с ускоряющим напряжением.
После поступления тревожного сигнала о том, что пучок частиц с каждым оборотом приближается к наружной стенке, начинает работать счетное устройство машины. Частота подгоняющего поля увеличивается. А что это означает? Ведь частота — количество оборотов, которое совершает пучок за единицу времени.
Вспомним снова стадион. Бег на длинные дистанции. Легкоатлеты бегут с одинаковой скоростью, и все время стремятся овладеть внутренней частью дорожки. Она короче, эта внутренняя кромка кольца, по ней за то же время можно как бы «пробежать больше», сделать часть следующего оборота. Во время мотоциклетных и велосипедных гонок это видно особенно ярко. Частицы поступают точно так же. Ведь их скорость практически не меняется (они почти достигли скорости света), а количество оборотов, которое они должны сделать за единицу времени, возросло. Остается одно — стремиться на внутреннюю дорожку трека, отходить от наружной стенки камеры. И с каждым оборотом пучок частиц все дальше и дальше отодвигается от опасной стенки, возвращаясь на свою прежнюю орбиту. Когда пучок достигает середины камеры, частота подгоняющего напряжения перестает возрастать — все снова идет нормально.
В нарушение поговорки о том, что скоро сказка сказывается, да не скоро дело делается, здесь все происходит гораздо быстрее, чем это можно описать — за тысячные доли секунды. Точно так же, при приближении пучка к внутренней стенке, частота подгоняющего поля уменьшится, и частицы-бегуны, чтобы скоротать свободное время, побегут по более длинной дорожке — подальше от короткой внутренней кромки кольца.
Пучок летящих частиц подстерегают в пути еще и другие неожиданности. Точность орбиты, по которой летит пучок, обеспечивает магнитное поле. Малейшие неровности магнитной «стенки» заставляют частицы резко менять траекторию, но неуклонный контроль тут же исправляет положение. Однако даже в полете по правильной орбите бывает, что сгусток ускоряемых частиц вдруг перестает помещаться в узком коридоре камеры. Пучок неожиданно начинает «пухнуть», поперечное сечение камеры становится для него тесным, уж вот-вот отдельные частицы начнут погибать цепляться за стенки кольца. В чем причина этого явления?
Вы видели когда-нибудь, как летит рой пчел? Он движется по прямой, но внутри него пчелы летают вверх и вниз, перемещаются влево и вправо, одновременно передвигаясь со всем роем. Точно так же частицы в ускорителе никогда не движутся по заданной орбите, а как бы совершают колебания около нее. Поэтому по траектории летит не тонкий луч, а сгусток, размеры которого зависят от размаха колебаний отдельных частиц.
Может случиться, что частицы начнут совершать точно одно или несколько полных колебаний за время одного оборота по орбите. Тогда наступает резонанс. Помните известную историю о роте солдат, которые своими мерными шагами раскачали и обрушили мост, идя по нему в ногу? Так вот при наступлении резонанса ничтожные искажения магнитного поля, которые в обычных случаях лишь чуть-чуть искривили бы орбиту, теперь становятся опасными, действуя «в такт» при каждом обороте пучка. Так слабыми толчками можно очень сильно раскачать качели. Колебания частиц могут все возрастать, пока частицы не погибнут, ударившись о стенки камеры.
В новом ускорителе и с резонансом будет бороться вычислительная машина. Время от времени меняющееся магнитное поле будет толчками раскачивать весь пучок частиц. Так автопилот ведет самолет, все время чуть-чуть сбивая его с нормального курса и тут же возвращая обратно. Частоту полученных колебаний измерят сигнальные электроды, и если окажется, что она приближается к опасному резонансному значению, то вычислительная машина быстро установит это и выдаст нужные указания регулирующим устройствам. Меняющееся магнитное поле уведет колебания от частот, близких к резонансу.
РАЗВЕДКА БОЕМ
При знакомстве с идеей автокоррекции бросается в глаза одна трудность, которая на первый взгляд может показаться непреодолимой. В кибернетическом ускорителе всеми механизмами управляет сам пучок ускоряемых частиц. А если пучка еще нет, кто же будет управлять, кто обеспечит запуск ускорителя? Частицы, впрыснутые в камеру ускорителя, не смогут пройти и небольшой доли оборота. Ведь камера очень узка, а магнитное поле еще не отрегулировано. Если же частицы не пройдут по орбите, то неизвестно, как регулировать это поле. Получается заколдованный круг: без пучка ускоряемых частиц нет автокоррекции, без автокоррекции ускоритель не работает, и нет пучка. Положение нелегкое.
Но из него есть выход. Представьте себе такую ситуацию. Приказ о скором наступлении уже передан по фронту. Но где у противника огневые точки? Где у него минные поля? Саперы с миноискателями готовы обезвредить мины, тяжелая артиллерия — подавить орудия врага. Но куда посылать саперов? Какие ориентиры сообщать артиллеристам? Иногда штаб этого не знает. Тогда следует распоряжение: разведка боем. Передовая группа вклинивается в расположение противника — начинается перестрелка, огневые точки врага засекаются по ходу боя…
Нельзя ли так же поступить и при запуске ускорителя? Можно! Так родился метод «пробных» запусков. Нужно пустить в ускоритель порцию частиц. Они пройдут лишь небольшую часть орбиты, быстро собьются с пути и погибнут на стенке камеры. Погибнут, но не напрасно. Сигнальные электроды, расположенные на этом участке камеры, передадут сведения о том, куда отклонились частицы. По этим сведениям система автокоррекции быстро исправит пройденный частицами участок орбиты. Теперь нужно поскорее, пока исправленное магнитное поле не разладилось, впустить новую порцию частиц. Они тоже погибнут, но не столь быстро, пройдут дальше и помогут исправить следующий участок орбиты. Таким способом, приблизительно после ста пробных запусков, частицы смогут делать полные обороты, не натыкаясь на стенки. Дальше ускоритель будет работать нормально.
Автор: Е. Мороз.