Частка на самообслуговуванні
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Ще ні в одному оповіданні про чудеса кібернетики не зустрічалася обчислювальна машина, яка проводить сама складний фізичний експеримент. Логіка розвитку улюбленої зброї сучасної атомної фізики – прискорювачів – привела до народження думки про кібернетичні прискорювачі. У звичайному резонансному циклічному прискорювачі електричне поле жене по колу частинку, а магнітне поле утримує її в межах цього кола. Але узгодити дії цих полів дуже складно технічно. Величина і складність прискорювачів ростуть набагато швидше, ніж енергія мікроснарядів, що розганяються ними.
Так, якщо побудувати прискорювач типу існуючих на енергію в тисячі мільярдів електронвольт (що приблизно в 30 разів перевищує досягнуті енергії), то ця машина мала б діаметр більше шести кілометрів! І в той же час кожну деталь довелося б виготовити і встановити з точністю в соті долі міліметра. Вимоги ці нездійсненні, бо найдосконаліша апаратура не може вимірювати і регулювати мікронні відхилення на кілометрових відстанях. Та й важила б така машина півмільйона тонн.
Ви бачите, цей шлях веде до глухого кута. Потрібна ідея. Так завжди було в історії техніки. Людина рухається, піднімаючись по сходах, а потім винаходить ліфт. Від весел до вітрила, від вітрильників до пароплавів. Ідеї експериментальної фізики спираються на техніку віку, тому і з’являються відразу ж за досягненнями цієї техніки. Так виник принцип автокорекції. Нехай пучок літаючих мікроснарядів отримає повне самоврядування, – сказали вчені!
Майбутній прискорювач з повним правом можна назвати кібернетичним. Справа в тому, що частинки, що мчать по круговому треку камери, повинні самі повідомляти про найменше відхиленні від заданого маршруту, а обчислювальна машина – тренер бігунів – миттєво виправляти їх шлях. Кільцева вакуумна камера, в яку полетять частинки, збереже свою двадцятикілометрову довжину. Зате її перетин можна буде сильно зменшити. Замість кола діаметром в 10-15 сантиметрів, звичайного для кращих сучасних прискорювачів, перетин камери звузиться до розмірів кадру вузької фотоплівки. Адже небезпека, що частинки вріжуться в стінку, тепер повністю відпадає.
Завдяки невеликим розмірам камери, вага прискорювача зменшується від півмільйона тонн до десяти тисяч, тобто буде навіть менше, ніж у споруджуваних зараз прискорювачів на значно менші енергії. Вимоги до точності виготовлення та складання послаблюються в сто разів! А таку точність вже можна забезпечити.
Розгін самоврядних частинок буде відбуватися так. Уздовж кільцевої камери прискорювача стоять, як верстові стовпи, численні металеві пластинки – сигнальні електроди. Стоять попарно. Пролітаючи між будь-якою парою відмітчика, пучок частинок наводить на кожній з платівок електричний заряд. Коли потік частинок летить точно по своїй орбіті, в центрі камери, заряди виходять однаковими, і в кібернетичний контроль не надходить жодних сигналів. Але варто часткам трохи відхилитися від свого маршруту, на пластинах виникають різні заряди, і в обчислювальну машину подається сигнал тривоги.
«Кібернетичний фізик» обчислює спотворення в електричному і магнітному полях і передає наказ регулюючим приладам. Орбіта частинок виправляється майже миттєво – на це йде менше тисячної частки секунди. Під цим пильним контролем безперервно підхльостувані електричним полем частинки за 11 секунд досягнуть величезної заданої енергії і будуть готові до виконання поставленого перед ними завдання.
Хороший легкоатлет пробігає за 11 секунд стометрівку. Бігуни-частинки через 11 секунд після старту вилітають з камери, зробивши більше вісімдесяти навколосвітніх подорожей!
ПРИГОДИ НА ТРЕКУ
Отже, пучок частинок летить в кільцевій камері, набираючи швидкість. Все стрімкіше рухається по треку стадіону щільна група бігунів на довгу дистанцію. Миттєво діючий контроль стежить за рухом пучка. Частинки коло за колом точно йдуть по заданому маршруту, нікуди не відхиляючись від нього. Але ось починають доповідати по черзі всі датчики камери – пучок частинок летить вже не точно посередині, він відхилився в сторону і неухильно, оборот за оборотом, наближається до зовнішньої стінки камери. Через кілька десятків обертів частинки загинуть, врізавшись в цю стінку. Цю мікрокатастрофу треба терміново запобігати.
Тут на виручку приходить відкритий академіком В. І. Векслером ще в 1944 році принцип автофазування. За певних умов частота обертання частинок строго залежить від частоти прискорюючих поштовхів електричного поля. Іншими словами, частинки самі стежать за частотою свого обертання і приводять її в точну відповідність з прискорючою напругою.
Після надходження тривожного сигналу про те, що пучок частинок з кожним оборотом наближається до зовнішньої стінки, починає працювати лічильний пристрій машини. Частота поля збільшується. А що це означає? Адже частота – кількість оборотів, яке здійснює пучок за одиницю часу.
Згадаймо знову стадіон. Біг на довгі дистанції. Легкоатлети біжать з однаковою швидкістю, і весь час прагнуть опанувати внутрішньою частиною доріжки. Вона коротше, ця внутрішня кромка кільця, по ній за той же час можна як би «пробігти більше», зробити частину наступного обороту. Під час мотоциклетних і велосипедних гонок це видно особливо яскраво. Частки надходять точно так само. Адже їх швидкість практично не змінюється (вони майже досягли швидкості світла), а кількість оборотів, яку вони повинні зробити за одиницю часу, зросла. Залишається одне – прагнути на внутрішню доріжку треку, відходити від зовнішньої стінки камери. І з кожним оборотом пучок частинок все далі і далі відсувається від небезпечної стінки, повертаючись на свою колишню орбіту. Коли пучок сягає середини камери, частота прискорюючої напруги перестає зростати – все знову йде нормально.
В порушення приказки про те, що скоро казка мовиться, та не скоро діло робиться, тут все відбувається набагато швидше, ніж це можна описати – за тисячні долі секунди. Точно так же, при наближенні пучка до внутрішньої стінки, частота прискорюючого поля зменшиться, і частинки-бігуни, щоб скоротати вільний час, побіжать по довшій доріжці – подалі від короткої внутрішньої кромки кільця.
Пучок літаючих частинок підстерігають в дорозі ще й інші несподіванки. Точність орбіти, по якій летить пучок, забезпечує магнітне поле. Найменші нерівності магнітної «стінки» змушують частки різко змінювати траєкторію, але неухильний контроль тут же виправляє становище. Однак навіть у польоті по правильній орбіті буває, що згусток прискорених частинок раптом перестає поміщатися у вузькому коридорі камери. Пучок несподівано починає «пухнути», поперечний переріз камери стає для нього тісним, вже ось-ось окремі частки почнуть гинути та чіплятися за стінки кільця. У чому причина цього явища?
Ви бачили коли-небудь, як летить рій бджіл? Він рухається по прямій, але всередині нього бджоли літають вгору і вниз, переміщуються вліво і вправо, одночасно пересуваючись з всім роєм. Точно так же частинки в прискорювачі ніколи не рухаються по заданій орбіті, а як би роблять коливання біля неї. Тому по траєкторії летить не тонкий промінь, а згусток, розміри якого залежать від розмаху коливань окремих частинок.
Може статися, що частинки почнуть здійснювати точно одне або кілька повних коливань за час одного обороту по орбіті. Тоді настає резонанс. Пам’ятайте відому історію про роту солдат, які своїми мірними кроками розгойдали і обрушили міст, йдучи по ньому в ногу? Так от при настанні резонансу нікчемні спотворення магнітного поля, які в звичайних випадках лише трохи викривили б орбіту, тепер стають небезпечними, діючи «в такт» при кожному обороті пучка. Так слабкими поштовхами можна дуже сильно розгойдати гойдалку. Коливання часток можуть всі зростати, поки частинки не загинуть, ударившись об стінки камери.
У новому прискорювачі і з резонансом буде боротися обчислювальна машина. Час від часу змінене магнітне поле буде поштовхами розгойдувати весь пучок частинок. Так автопілот веде літак, весь час трохи збиваючи його з нормального курсу і тут же повертаючи назад. Частоту отриманих коливань виміряють сигнальні електроди, і якщо виявиться, що вона наближається до небезпечних резонансних значень, то обчислювальна машина швидко встановить це і видасть потрібні вказівки регулюючим пристроям. Мінливе магнітне поле відведе коливання від частот, близьких до резонансу.
РОЗВІДКА БОЄМ
При знайомстві з ідеєю автокорекції впадає в очі одна трудність, яка на перший погляд може здатися нездоланною. У кібернетичному прискорювачі всіма механізмами управляє сам пучок прискорених частинок. А якщо пучка ще немає, хто ж буде керувати, хто забезпечить запуск прискорювача? Частинки, кинуті в камеру прискорювача, не зможуть пройти і невеликої частки обороту. Адже камера дуже вузька, а магнітне поле ще не відрегульовано. Якщо ж частинки не пройдуть по орбіті, то невідомо, як регулювати це поле. Виходить зачароване коло: без пучка прискорених часток немає автокорекції, без автокорекції прискорювач не працює, і немає пучка. Положення нелегке.
Але з нього є вихід. Уявіть собі таку ситуацію. Наказ про швидкий наступ вже переданий по фронту. Але де у противника вогневі точки? Де у нього мінні поля? Сапери з міношукачами готові знешкодити міни, важка артилерія – придушити знаряддя ворога. Але куди посилати саперів? Які орієнтири повідомляти артилеристам? Іноді штаб цього не знає. Тоді слідує розпорядження: розвідка боєм. Передова група вклинюється в розташування противника – починається перестрілка, вогневі точки ворога засікаються по ходу бою…
Чи не можна так само вчинити і при запуску прискорювача? Можна! Так народився метод «пробних» запусків. Потрібно пустити в прискорювач порцію частинок. Вони пройдуть лише невелику частину орбіти, швидко зіб’ються зі шляху і загинуть на стінці камери. Загинуть, але не марно. Сигнальні електроди, розташовані на цій ділянці камери, передадуть відомості про те, куди відхилилися частинки. За цим відомостям система автокорекції швидко виправить пройдену частками ділянку орбіти. Тепер потрібно скоріше, поки виправлене магнітне полі не розладналося, впустити нову порцію частинок. Вони теж загинуть, але не настільки швидко, пройдуть далі і допоможуть виправити наступну ділянку орбіти. Таким способом, приблизно після ста пробних запусків, частки зможуть робити повні оберти, не натикаючись на стінки. Далі прискорювач буде працювати нормально.
Автор: Є. Мороз.