Только 30 декабря 1955 года вышло специальное постановление Президиума АН СССР: «Присвоить кандидату физико-математических наук Капице Сергею Петровичу ученое звание старшего научного сотрудника по специальности «электроника». Постановление было подписано президентом Академии наук А. Н. Несмеяновым и и. о. главного ученого секретаря АН СССР членом-корреспондентом Н. М. Сисакяном.
Вскоре в Институте физических проблем Сергей Петрович занялся разработкой нового типа резонансного циклического ускорителя электронов — микротроном.
Еще выдающийся физик, впоследствии академик В. И. Векслер[36], в одной из своих ранних статей, опубликованной в «Докладах Академии наук СССР» в 1944 году, посвященной фазовой стабильности частиц при ускорении, предложил модификацию циклотрона для электронов. Хотя первым эту идею высказал в 1939 году Л. Альварес, но В. И. Векслер первым опубликовал соображения по идее о фазовой устойчивости ускорения. Независимо и одновременно с американцем Э. Макмилланом, лауреатом Нобелевской премии, он предложил и обосновал принцип фазовой устойчивости.
Ведущее магнитное поле и частота ускоряющего поля постоянны как в циклотроне, так и в микротроне, но его (микротрона) отличие в том, что период обращения сгустка электронов на каждом обороте должен изменяться так, чтобы при каждом новом обороте частицы приходили в ускоряющий зазор в нужной фазе высокочастотного электрического поля.
Ю. М. Ципенюк отмечает, что канадцы первыми сделали такой ускоритель и показали, что предложенный Векслером принцип работает, но у них получался очень маленький ток.
…В 1959 году Сергей Петрович вместе с женой и родителями отправляется в свою первую зарубежную поездку. Петр Леонидович должен был выступать в Праге на международном симпозиуме по планированию науки, и на семейном совете решено было ехать в Польшу и Чехословакию вчетвером, на новой отцовской зеленой «Волге». Без проблем они проехали через Минск на Варшаву, из Варшавы — в Краков, из Кракова, через Татры, в Прагу.
В Праге Петр Леонидович с ходу был вовлечен в переговоры с послом и, выйдя из посольства, небрежно сказал: «Сергей, я поеду с послом, а ты поезжай за нами». Эту поездку Сергей Петрович вспоминал и 50 лет спустя:
«Мы за послом, который мчится через весь город, прет как танк через все на свете, он-то знает дорогу, для него не существует красного света на перекрестках, а я стараюсь держаться у него на хвосте, все это на узких мощеных улицах Праги со сложным рельефом… Я никогда в жизни не чувствовал себя так ужасно и решил, что если разобью машину или случится еще что-нибудь, то пусть посол выкручивается, я исполняю его директиву!
Когда мы доехали до резиденции посла, я был совершенно мокрый от волнения, Анна Алексеевна была взбешена. Она выскочила из машины и стала кричать на посла: «Вы тут ездите как оккупанты!» — в общем, высказала все, что думала по этому поводу. Таня, сильно напуганная, сидела сзади. А я благодарил Бога, что спасся».
Вернувшись в Москву, Сергей Петрович с новыми силами обратился к своему ускорителю. В качестве ускоряющего элемента в микротроне, созданном под руководством С. П. Капицы, был использован цилиндрический резонатор, колебание в котором возбуждается от внешнего СВЧ-источника. Этот тип резонатора впервые был предложен и успешно реализован С. П. Капицей, В. П. Быковым[37], В. Н. Мелехиным[38] в 1960 году.
В 1959 году Сергей Петрович вместе со своим аспирантом Владимиром Павловичем Быковым изготовил в мастерских института прототип микротрона и начал с ним работу. С самого начала работы над микротроном велись совместно с Вадимом Николаевичем Мелехиным — выпускником Физтеха, работавшим в Институте радиотехники и электроники, только в 1964 году официально переведенным в Институт физических проблем. Вскоре после первых включений Сергей Петрович поставил перед ним задачу: сделать источник электронов более эффективным, чтобы увеличить ускоряемый ток.
В. Н. Мелехин предложил оригинальное решение: инжектировать электроны из катода, помещенного непосредственно на одной из стенок ускоряющего резонатора. В качестве катода использовалась нагреваемая вольфрамовая нить. Тот же В. Н. Мелехин предложил оптимизировать форму пролетных отверстий ускоряющего резонатора. Учитывая, что поперечное электрическое поле входного отверстия фокусирует пучок электронов, а выходного — дефокусирует, он предложил увеличить входное отверстие в осевом направлении, усиливая тем самым радиальную фокусировку, а выходное отверстие увеличить в диаметре, чтобы уменьшить его дефокусирующее воздействие.
Немного позднее в творческий коллектив вошел Евгений Леонидович Косарев[39], взявший на себя большую часть расчетов по микротрону.
В самом начале 1960-х годов к работам подключился Лев Борисович Луганский[40], тогда студент, а впоследствии доктор технических наук. Именно Л. Б. Луганский не только рассчитал новые области фазовой устойчивости, но и экспериментально подтвердил их существование.
После проведения названных и многих других работ по доводке и совершенствованию микротрона интенсивность ускоренного пучка электронов, по словам профессора Ю. М. Ципенюка[41], увеличилась в сотни раз! Ток оказался столь большим, что относительно недорогой в изготовлении микротрон мог конкурировать с любыми другими ускорителями электронов. Для мирового сообщества физиков, работавших с ускорительной техникой, это стало настоящей сенсацией. Открылись самые широкие возможности проведения новых ядерно-физических экспериментов на микротроне.
По мнению заместителя директора ИФП им. П. Л. Капицы Г. Д. Богомолова, успех с микротроном был достигнут прежде всего потому, что он был грамотно рассчитан теоретически.
Работы в лаборатории сразу интенсифицировались, появились новые студенты. Сергей Петрович взялся читать лекции по методам высокочастотных измерений и по ускорителям. Нашедшая свой путь микротронная группа стала быстро развиваться. Работы положительно оценили и одобрили ведущие советские ученые А. П. Александров, Л. А. Арцимович, Н. Н. Семенов, Ю. Б. Харитон, И. К. Кикоин… Рад был успеху сына с товарищами и П. Л. Капица. Были задуманы и начались работы по созданию микротронов с существенно большей мощностью ускоренного луча.
Микротрон, созданный в Институте физических проблем, был импульсным ускорителем, с напряженностью электрического поля в резонаторе СВЧ в 300–400 кВ/см, работающим с частотой повторения от 100 до 1000 Гц, с длительностью импульса в несколько микросекунд. Средняя мощность ускоренного луча при этом достигала нескольких киловатт при энергии до 30 МэВ. Размеры созданного микротрона были относительно небольшими: диаметр от одного до полутора метров, общий вес ускорителя около 1500 килограммов.
Ближайшие сотрудники С. П. Капицы — и Вадим Николаевич Мелехин, и Владимир Павлович Быков, и Евгений Леонидович Косарев, и Лев Борисович Луганский, и Юрий Михайлович Ципенюк — внесли большой вклад в создание микротрона нового типа.
Впоследствии В. Н. Мелехин, В. П. Быков, Е. Л. Косарев, Л. Б. Луганский и Ю. М. Ципенюк защитили докторские диссертации, стали известными физиками.
Известно, что Петр Леонидович Капица считал, что начало пути у молодого человека обязательно должно быть успешным, чтобы он поверил в свои силы. Нельзя доверяться случаю. Об этом он не раз говорил в своих выступлениях. Для Сергея Петровича это было не начало пути, это была уже третья попытка, на сей раз, несомненно, успешная.
«Несмотря на то, что принцип микротрона-ускорителя электронов, в котором частицы движутся в постоянном и однородном магнитном поле и ускоряются высокочастотными полями постоянной частоты, принцип, который был сформулирован еще в 1944 году Векслером в самой первой из его работ по циклическим ускорителям, никому раньше не удалось построить микротрон, в котором бы ускорение происходило устойчиво и эффективно. С. П. Капица предложил это направление и вместе с руководимой им группой построил ряд машин и разработал принципы их расчета. Это потребовало как решения ряда задач по исследованию динамики частиц — их захвата и фокусировки, так и решения ряда инженерных задач. В результате был разработан принцип микротрона, получивший большое распространение как в Советском Союзе — около 40 машин, так и за рубежом — в США построено два инжектора, в Италии, Швеции и др. странах», — писал Сергей Петрович в 1979 году в неоконченной статье «О научной работе С. П. Капицы» для представительских документов на выдвижение кандидатом в члены-корреспонденты АН СССР.
36
37
38
39
40
41