Наш ускоритель

Семь лет моей учебы в рабочей аспирантуре и в Политехническом институте были отнюдь не безоблачными. Иногда казалось, что мне просто не хватит сил. Домой я добирался уже к ночи и, не успев как следует выспаться, рано утром спешил в Сосновку. И так изо дня в день… Сколько раз возникал соблазн облегчить себе жизнь. «Ну что ж, останусь в лаборатории механиком, буду помогать ученым, это ведь тоже неплохо», — думал я в такие минуты.

И уж не знаю, хватило ли бы моего упорства довести учебу до конца, если бы не мои опекуны. Они не только консультировали меня по основным предметам, но и ревностно следили за моими успехами.

А консультанты у меня были такие, какими вряд ли кто мог похвастаться. По физике мне помогал Лёв Андреевич Арцимович, по математике — Яков Ильич Френкель, по химии — Николай Николаевич Семенов.

И если я на какое-то время остывал к учебе, мои шефы быстро подмечали это и начинали беспокоиться. Особенно настойчиво требовал от меня постоянного напряжения в учебе Лев Андреевич Арцимович, замечательный ученый, ушедший от нас в 1973 году.

Теперь имя Льва Андреевича широко известно во всем мире, он был академиком-секретарем Отделения общей физики и астрономии, членом президиума Академии наук СССР, руководителем научного отдела Института атомной энергии имени И. В. Курчатова, председателем Национального комитета советских физиков. За исключительные научные заслуги Льву Андреевичу было присвоено звание Героя Социалистического Труда. Он лауреат Ленинской и Государственной премий, награжден многими орденами.

Блестящий талант физика-экспериментатора особенно ярко проявился у Льва Андреевича в послевоенный период, когда он возглавил крупное направление науки об использовании атомной энергии. Более двух десятилетий Лев Андреевич посвятил разработке основ физики высокотемпературной плазмы и проблеме управляемого термоядерного синтеза. Его исследования привели к получению физической термоядерной реакции и закрепили за советской наукой передовые позиции в этой области физики.

Широко известно, что Л. А. Арцимович обладал также редким талантом педагога. Его умение ярко и ясно излагать самые трудные вопросы современной физики постоянно влекло к нему молодежь. Могу сказать, что я был одним из первых, кто испытал на себе силу этого таланта, необычайную проницательность и настойчивость Льва Андреевича в ту пору, когда он был еще совсем молодым.

Помогал он охотно, а стоило мне усомниться в своих возможностях и немного опустить руки, как Арцимович был тут как тут. Он угадывал мои тайные намерения и брался за меня со всей своей настойчивостью. Нередко он приезжал ко мне домой, объяснял положение моей жене Анне Михайловне и вместе с ней пресекал попытки бросить учебу.

Я был близок к окончанию Политехнического института, когда ввели порядок, по которому студент для завершения своего институтского обучения обязан защитить дипломный проект. Теперь все рассматривают это как должное и естественное дело, но для меня необходимость писать диплом явилась неожиданным ударом. Казалось, еще одно усилие — и я окончу институт, а теперь… «Ладно, — решил я, — обойдусь без инженерного звания».

И опять друзья не дали мне отступить. Лев Андреевич коротко и просто объяснил, что новое мое решение есть не что иное, как обыкновенное малодушие. Да и не так страшен черт, как я его себе намалевал. Тема дипломного проекта была найдена быстро — «Высоковольтный электростатический генератор с жестким ротором». Над созданием такого генератора я работал тогда вместе с группой наших ученых, в которую входил и Лев Андреевич. Наша работа велась по идее и под руководством А. Ф. Иоффе, он же стал и официальным руководителем моего дипломного проекта.

Создание высоковольтного электростатического генератора вызывалось насущнымй потребностями ядерной физики, которая начала в это время бурно развиваться. Каждый месяц публиковались новые важные работы, но чтобы по-настоящему познать тайны атомного ядра, природу сил, действующих внутри него, 105 надо было проникнуть в самое ядро, научиться его разрушать. Вот это как раз и не удавалось долгое время. Для разрушения ядра требовались источники очень высоких напряжений. Только с их помощью можно было «бомбардировать» атомное ядро протонами и электронами, превращая их в своего рода атомные снаряды.

Ядра, которые надо разрушать, представляют собой мишень столь малых размеров, что человеческое воображение с трудом может их себе нарисовать. Радиус мишени равен примерно стомиллиардной доле миллиметра. Чтобы поразить эту мишень, нужны весьма интенсивные потоки частиц, так как лишь очень небольшому числу из них удастся попасть в ядро.

Вначале ускорители частиц («атомная артиллерия») представляли собой сравнительно небольшие приборы, помещавшиеся в обычной физической лаборатории. Это не то, что современный ускоритель — огромная и сложная установка, занимающая большую территорию и потребляющая энергию в таких масштабах, какие известны не многим заводам.

Простейшим ускорителем является всем известная радиолампа. Накаленная нить ее катода испускает электроны. Если к аноду лампы приложить напряжение примерно в сотню вольт, то между катодом и анодом образуется электрическое поле, которое ускоряет электроны — сообщает им энергию. Энергия такого ускорителя, как радиолампа, составляет несколько сот вольт, или электронвольт, как принято говорить. В кинескопе телевизора электроны ускоряются уже до энергии в несколько тысяч электронвольт. Обычная рентгеновская трубка требует еще более высокой энергии. Тут речь идет уже о десятках тысяч и даже сотнях тысяч электронвольт. Но «атомной артиллерии» и такие энергии недостаточны. Ее снаряды достигнут цели, лишь получив ускорение во много миллионов раз. Вот почему так необходимо было создать высоковольтные установки, в которых можно получать заряженные частицы большой энергии и разгонять их в вакуумной трубке, прикладывая к электродам большую разность потенциалов.

Впервые в нашем институте разрабатывал конструкцию электростатической машины Н. Н. Семенов Он сделал много в этом направлении, но увлекся другой важной областью науки — химической физикой, где добился выдающихся результатов, и его машина не была доведена до конца. Впоследствии такая машина, основанная на идее изменения электрической емкости, была построена в Америке известным физиком Ван де Граафом.

Основной элемент электростатического генератора Ван де Граафа — большой полый сферический электрод, изолированный от земли. В полость электрода входит бесконечная движущаяся лента и передает, ему электрический заряд, который она несет на коронирующих остриях, другая сторона ленты заряжается от постоянного внешнего источника. При движении часть ленты, получившая низковольтный заряд, уменьшает емкость и повышает свой потенциал. На сферической поверхности электрода можно получить напряжение в миллион вольт. Генераторы такого типа применяют по сей день, но у них низкий коэффициент полезного действия, и поэтому уже в тридцатые годы стали изыскивать новые типы приборов для получения высокого напряжения.

А. Ф. Иоффе задумал конструкцию электростатического генератора (ускорителя), основанного Пй том же принципе, но вместо движущейся ленты предложил использовать жесткий ротор. Это позволяло значительно увеличить скорость переноса зарядов и получить гораздо большие значения токов.

В те времена специальных конструкторских бюро, разрабатывающих, как сегодня, установки для Исследовательских работ, не существовало. Мы все проектировали сами. Изучали разные варианты электростатических генераторов с жестким ротором. Проблем было много — и частных, и более общих; занимались различными видами электрической изоляции, исследовали генераторы, заполняя изолирующие промежутки то жидкими, то твердыми диэлектриками, газом под давлением или создавали там вакуум. Работа по подбору веществ для высоковольтной изоляции принесла важные результаты.

Самым хорошим изолирующим материалом оказались газы, а среди них лучшим по своим электрическим, химическим и другим характеристикам шестифтористая сера, которой мы дали имя «элегаз», то есть электрический газ.

Элегаз во многом по своим свойствам превосходил и воздух, и азот, и углекислоту, которыми до того заполняли электрические установки. Поэтому, кроме выводов для основной работы, был сделан еще один: нужно использовать элегаз в промышленных высоковольтных устройствах. И вот параллельно с работой над ускорителем мы (М. В. Гликина, В, М. Гохберг и я) в содружестве с инженерами ленинградских предприятий в течение нескольких лет конструировали и внедряли в промышленность новые высоковольтные устройства.

Мы вели изыскания для нужд «высокой теории» — стремились создать мощный высоковольтный иоточник энергии для исследований по ядерной физике, Прежде всего нам предстояло найти такой диэлектрик, который позволил бы иметь самые малые промежутки между электродами и наибольшую начальную емкость при высоком напряжении. И на первых же порах pабота на «чистую науку» дала много ценного народному хозяйству.

Когда стали исследовать диэлектрические свойства разных жидкостей, то обнаружили, что керосин, если его тщательно очистить, повышает свою электрическую прочность до 220–250 киловольт на сантиметр. Мы изготовили в лаборатории небольшую модель генератора, работавшую в керосиновой среде, и при первичном напряжении в 6 киловольт получили на выходе напряжение до 180 киловольт. После этого решили приступить к разработке большого генератора. По расчетам, новая конструкция позволяла создать источник напряжения до трех миллионов вольт.

Соорудить такую установку даже силами всего института было невозможно. Основные части ускорителя изготовил один из ленинградских заводов. А вот сборку агрегата, его наладку и очистку необходимых 20 тонн керосина сделали в лаборатории.

Труда и времени потребовалось для всех этих работ очень много. Пришлось самим изготовлять массу различного оборудования для исследований на нашем аппарате — он был высотой 4 метра и около 3 метров в диаметре. Современные ускорители намного больше размером, но наш в то время казался гигантом.

Над генератором работали Л. А. Арцимович, М. В. Гликина, Б. М. Гохберг, Д. В. Филиппов, Г. П. Щепкин и я. Наш руководитель А. Ф. Иоффе время от времени привлекал и других сотрудников.

Проблем возникала тьма-тьмущая. А. Ф. Иоффе разделил исследования на генераторе на два этапа: первый — изучение работы самой машины, второй — вывод высокого напряжения или использование его внутри генератора для ускорения частиц.

Трудности у нас встретились сразу же. Началось с того, что наибольшее напряжение, которое мог развивать генератор, оказалось ниже рассчетного. Использованию полного напряжения мешали диэллектрические потери. Решили этот вопрос — возникли другие.

Такие сложные проблемы, как создание ускорителя, никогда сразу не решаются и требуют больших усилий и времени. Между тем некоторые сотрудники были этим недовольны и не верили в успех дела. Они говорили, что генератор — пустая затея, напрасная трата средств и времени… В конце концов разговоры закончились тем, что однажды Абраму Федоровичу сообщили: из Москвы для проверки работ едет комиссия во главе с Г. М. Кржижановским.

А. Ф. Иоффе пригласил меня в кабинет и в обычной своей мягкой манере сказал, что очень важно сделать так, чтобы комиссия имела возможность оценить работу с максимальной объективностью. А для этого хорошо бы ознакомить ее не только с теоретическими выкладками, но и показать действующую модель генератора. Иоффе тут же начертил мне, какой, по его мнению, должна быть модель.

Я забыл, что сам уже инженер и научный сотрудник (это было после того, как я окончил институт). Снял пиджак, закатал рукава и взялся за работу на станках. За несколько дней и ночей наготовил маленький генератор, наладил его и оснастил приборами.

Генератор был невелик — примерно 200 миллиметров высотой и 150 миллиметров в диаметре. А напряжение он развивал в 100 тысяч вольт! Это произвело внушительное впечатление. Все были довольны, и работа над ускорителем продолжалась.

Когда после многих и долгих мытарств генератор наконец заработал в нужном режиме, мы пришли в неописуемый восторг. Решили кроме запланированных Абрамом Федоровичем измерений характеристик самой установки, произвести дополнительные наблюдения за воздействием мощного электронного пучка на разные вещества.

Опыта работы с проникающими излучениями ни у меня, ни у моих товарищей не было. Но мы смело, не соблюдая никакой осторожности, входили в лабораторию, где работал генератор, и вводили в электронный пучок объекты исследования. Для науки результаты оказались новыми, а для исследователей печальными: они пострадали от ожогов.

Наибольший ожог получил я после того, как без предохранения подержал в пучке кусок каменной соли. Соль окрасилась быстро, а биологическое действие электронного пучка начало проявляться только спустя несколько дней в Москве, куда я с группой ленинградцев прибыл по дороге в очередную экспедицию на Эльбрус. Об этой экспедиции я расскажу позднее, сейчас лишь упомяну, как там обнаружились результаты моей беспечности.

У меня на правой руке началось покраснение. Обожженное место сильно болело. В московском Рентгеновском институте определили сильный ожог руки электронами. Сказали, что болезнь только еще развивается, нужно Ожидать худшего, и мне следует остаться в Москве, чтобы приступить к лечению.

Но я не в меру расхрабрился и поехал на свой риск дальше. Через три дня в Нальчике мне сделали перевязку: рука сильно опухла. Я решил, что теперь пора начаться улучшению, а кроме того, в составе экспедиции есть врачи, и отправился дальше к Эльбрусу.

В лагере, который находился на высоте 2500 метров, беспокоить товарищей мне не хотелось, и я скрывал, что руке становится все хуже. Однако экспедиционные жилищные условия были необычными: спать приходилось в мешке при температуре минус 20°С. Если я прятал руку в мешок, то малейшее прикосновение к ткани вызывало страшную боль, а если высовывал из мешка, рука начинала замерзать. Наши врачи старались мне помочь, но безрезультатно. Уже потом они рассказывали, что пришли к решению срочно ампутировать кисть, так как поражение стало распространяться выше (видимо, они думали, что у меня началась гангрена).

Спасла мне руку счастливая случайность. Вблизи нашего лагеря разбила палатку группа летчиков, проходивших тренировку в длительном пребывании на большой высоте. С ними был старый доктор Калиновский, к которому наши врачи обратились аа сбветом. Калиновский быстро разобрался в моем печальном положении (в рентгеновских ожогах он был сведущ). И руку мне вылечил, применив так называемый метод застойной гиперемии. Он по нескольку раз в день перетягивал мне руку жгутом, нарушая на какое-то время отток крови, и на третий день мне стало лучше. За это я ему всю жизнь благодарен. Так окончилась беда, которая произошла от собственного моего легкомыслия.

Работая над генератором, мы в предвоенные годы успели сконструировать и внедрить в промышленность высоковольтные элегазовые устройства. Это была серия компактных высоковольтных конденсаторов на большие переменные и постоянные емкости. Только на одном заводе, изготовляющем радиопередающие устройства, внедрение элегазовых конденсаторов принесло миллионы рублей экономии.

Я предложил использовать наши высоковольтные конденсаторы и для мощных высокочастотных закалочных агрегатов на машиностроительных заводах. После первых опытов в Ленинграда Наркомат тяжелой промышленности решил внедрить такие конденсаторы на всех своих предприятиях, потому что их применение произвело переворот в самой технике обработки поверхности крупных деталей.

Потом вместе с сотрудниками завода «Севкабель» мы разработали высоковольтный кабель и коаксиальный фидер с применением высокого давления (в качестве диэлектрика снова был использован элегаз). Далее сконструировали трансформатор с газовым наполнителем, высоковольтный выключатель и многое другое. О работах с высоковольтными устройствами мы опубликовали несколько статей в физических журналах.

В те годы из-за дел, связанных с созданием электростатического генератора, я часто посещал разные — заводы в Москве и Ленинграде. Присматривался к производству и попутно вносил свои рационализаторские предложения. Например, мне пришла мысль сделать автоматический самоустанавливающийся съемник для штамповальных станков. Предложил я и новый привод для эскалатора метро, которые изготовляли на заводе «Красный металлист». На этот привод я получил авторское свидетельство.

Работали мы много. А тут еще появился искуситель— Н. Н. Семенов. В 1931 году он стал директором Института химической физики, который находился через квартал от Физтеха. Николай Николаевич говорил мне, что у него есть очень интересная работа — надо изучить влияние высоких давлений на ход органических реакций. Эти исследования должны дать важные результаты для физики и химии и, несомненно, смогут быть использованы в промышленности… Словом, Н. Н. Семенов рассказывал обо всем этом так убедительно, что я согласился участвовать в его опытах.

Исследовательскую группу возглавлял Юлий Борисович Харитон. В нее вошли сотрудник его лаборатории О. И. Лейпунский и я. Таким образам я оказался одновременно в трех исследовательских группах двух институтов.

Начали с разработки аппаратуры сверхвысоких давлений. Приборов, работающих при давлении 10–20 тысяч атмосфер, у нас тогда не изготовляли. Их вообщееще не производили нигде. Конструирование таких установок упиралось в ряд теоретических трудностей. Главная была в том, что мы не знали, как достичь равномерного распределения давления в камере. Однако как раз в это время американский физик Бриджмен, опубликовал работу, где излагал очень интересную, принципиально новую схему аппарата. Мы учли эту схему и вскоре создали установку для исследования газов при давлениях до 12 тысяч атмосфер и температуре 450 °C.

Затем разработали и построили установку, состоящую из большого пресса на 40 тонн, мультипликатора для предварительного сжатия жидкости до 3000 атмосфер и деталей, позволяющих проводить опыты с газом.

Установка обладала интересными особенностями. Мы могли заполнять капилляр исследуемым газом при 150 атмосферах. Затем давление увеличивалось. При объеме капилляра в 3 кубических сантиметра можно было производить опыты с давлением до 20 тысяч атмосфер. Мы имели возможность отделять газ от жидкости и подогревать его в процессе опыта при сверхвысоких давлениях. По стеклянному капилляру, в котором находился исследуемый газ, давление распределялось равномерно во всех направлениях, и поэтому работа проводилась в условиях полной безопасности. С помощью такой микрометодики были изучены реакции газов с твердыми телами, затем каталитические реакций на тонких проволочках, газовая коррозия металлов, растворимость газов в твердых телах, сжижаемость газов, теплоотдача.

Были проведены также опыты по разложению метилового спирта при 8000 атмосфер и 350 °C. Они показали, например, что с повышением давления растет скорость образования диметилового эфира, увеличивается скорость разложения и выход метана и углекислого газа.

При помощи той же микрометодики мы исследовали поведение коллоидных растворов под давлением. Оказалось, что с повышением давления значительно ускоряется застудневание коллоидов гидрата окиси железа, но образование некоторых других гидратов замедляется…

Все это было необычайно интересно, мы очутились в мире новых, никому не известных явлений, происходящих в веществе.

Институт обратился в президиум Академии наук с просьбой присвоить мне звание старшего научного сотрудника. Несмотря на то что я не имел ученой степени, по результатам работы в Физтехе мне это звание присвоили.

Когда определился успех наших работ с высокими давлениями, мы задумали еделать машину для исследования химических реакций при сильных адиабатических сжатиях, то есть таких сжатиях, которые происходят без отдачи тепла. Физико-химическую часть работ мы составляли и проводили вместе с Ю. Б. Харитоном, а конструкцию, монтаж и отработку адиабатической машины вел я.

Машина удалась. Маленький, всего 20-миллиметровый, ее поршень двигался в горизонтальном направлении и производил сильные адиабатические сжатия, при которых возникали высокие давления и температуры. 115 Это позволило получать в машине реакции газовых продуктов, происходившие через очень короткие промежутки времени. (При скорости поршня 85 метров в секунду в момент наибольшего сжатия возникала температура около 2200 °C, а наши приборы регистрировали процессы, длившиеся десятитысячную долю секунды.)

Первые опыты проводились при однократном действии поршня машины, а впоследствии мы стали вести их и при непрерывных периодических движениях поршня. Таким методом нам удавалось извлекать азотную кислоту непосредственно из воздуха.

Это было только начало, получали мы малое количество продукта, но у нас с Ю. Б. Харитоном появилась надежда довести машину до промышленного образца и внедрить новый метод химического синтеза. Эти наши исследования прервала война…