Fizikai Szemle 2001/3. 73.o.

SZILÁRD, A FELTALÁLÓ: GYORSÍTÓK ÉS AMI EZUTÁN KÖVETKEZIK

Telegdi Bálint
az MTA tagja, CERN, Genf

Szilárd Leó a két világháború között, berlini és londoni tartózkodása alatt háztartási hűtőgépek működésével és nukleáris láncreakció ötletével foglalkozott. A gyorsítók több olyan lényeges tulajdonságát is megfogalmazta, amelyek hozzájárultak a nagyenergiájú atommag- és részecskefizikai problémák megoldásához.

Még Lanouette kitűnő Szilárd Leó-életrajza [1] sem foglalkozik elég részletesen azzal, hogy Szilárd egész tudományos pályafutása alatt dolgozott találmányokon, és a tudomány legkülönfélébb területeire vonatkozó szabadalmait nyújtotta be.

Szilárd Leó Budapesten, 1898-ban született, majd az első világháború utáni magyarországi zavaros időkben Berlinbe ment és mérnöki tanulmányokat folytatott. Berlinben 1920 és 1933 között 41 szabadalmát fogadták el, és további öt volt elbírálás alatt. Ugyanezen idő alatt kevés tudományos munkát publikált; csak két elméleti és két kísérleti fizikai cikke jelent meg.

Találmányait nem alkalmazták a gyakorlatban, nem tudtunk arról sem, hogy akár németországi, akár külföldi szabadalmaiból anyagi haszna lett volna. Egyetlen kivétel a berlini Siemens-Schuckert Rt.-nek átadott “Elektronforrásként használható kisülési cső"-ről szóló szabadalom, de az is lehetséges, hogy ő ekkor a cég fizetett tanácsadója volt.

A leghíresebb természetesen a nukleáris láncreakcióról 1934-ben benyújtott szabadalma. Ekkor ő éppen állástalan menekült volt Londonban. A leírásban mellékesen megemlíti ugyan az urániumot és a tóriumot is, de első sorban a berilliumra gondolt. A következő évben találmányát a Brit Admiralitásnál titkosíttatta.

Berlini évei alatt érdeklődését egy jóval gyakorlatibb téma: háztartási hűtőgépek tervezése foglalta el. Az akkor kereskedelmi forgalomban kapható hűtőgépek túlságosan hangosak és megbízhatatlanok voltak. Szilárd mozgó alkatrészek nélküli gépeket tervezett; erre 16 szabadalma Vonatkozott, amelyek közül ötöt Einsteinnel közösen nyújtott be. Kapcsolata Einsteinnel, a híres, valamikori szabadalmi ügyvivővel nemcsak a hűtőgépekre terjedt ki. Együtt dolgozták ki a mozgó alkatrészeket nem tartalmazó Einstein-Szilárd-féle folyékonyfém-szivattyút, amelyet 1927-ben brit szabadalomként jegyeztek be. A találmány lényege, hogy a folyékony vezetőben egy váltakozó mágneses mező zárt hurok mentén elektromos feszültséget indukál, ami az áramátjárt vezető folyadékot hajtja. Ma is használnak atomreaktorokban folyékony nátrium hűtőközeg keringetésére ilyen szivattyúkat.

Szilárd Leó és Ernest Lawrence (jobb oldalt), a ciklotron két feltalálója az Amerikai Fizikai Társaság 1935. áprilisi közgyűlésén, Washington, DC.

Gyorsítók

Szilárd számos találmánya közül legkevésbé ismertek azok, amelyek a részecskegyorsítással függnek össze. Ez nem meglepő, mivel a három találmány (kettő Németországban, egy Nagy-Britanniában) egyikét sem hozták nyilvánosságra, mert Szilárd Leó mind a hármat visszavonta. Az okot nem ismerjük. Lehet, hogy nem érdeklődött már a témák iránt, de elképzelhető, hogy a bírálók adtak fel újdonságra vonatkozó kérdéseket, azaz a “prioritást" firtatták.

A Van de Graaff-generátor kivételével minden gyorsító működése azonos elvek kombinációján alapszik: többszörös gyorsítás, fókuszálás, frekvenciamoduláció és fázisstabilitás.

• A többszörös gyorsítással megkerülhető a nagyfeszültségi átütési korlát, mivel a részecske ugyanazon a résen sokszor (ciklotron), vagy egymás után elhelyezett rések sorozatán (lineáris gyorsító: “linac") halad keresztül.
• A részecskenyaláb gyorsítás közbeni fókuszálását megfelelően alakított mágneses mezővel érik el. Kör alakú gyorsítóban például homogén mágneses mező tartja körpályán a töltött részecskéket, és nem szükséges külön korrekciós (fókuszáló) erő ahhoz, hogy a kör ne lépjen ki a síkból.
• Amikor a gyorsításhoz rádiófrekvenciás (RF) váltakozó feszültséget alkalmaznak, akkor a frekvenciát a részecske mozgásához kell illeszteni. A nem-relativisztikus ciklotronban a keringési frekvencia állandó, független a részecske energiájától, csak a homogén mágneses mező erősségének és a részecske tömegének függvénye.
• Ha a körpályára térítő erő a pályasík mentén nem állandó, vagy pedig a részecske relativisztikus energiákra gyorsul, akkor a gyorsítófeszültség frekvenciáját a gyorsítási ciklus alatt változtatni (modulálni) kell.
• A rádiófrekvenciás gyorsításhoz fázisstabilitás szükséges, azaz a részecskének a réshez úgy kell odaérnie, hogy fázisban legyen a változó feszültséggel. A feszültségnek a résben kell maximumot elérnie, és természetesen az irányának is megfelelőnek kell lennie.

1928 és 1934 között Szilárd általában elsőként vagy másoktól függetlenül fogalmazta meg ezeket a gondolatokat. Az elvek között élőbb szándékosan nem említettem azt, amelyet ő is kihagyott: a változó gradiensű (vagy “erős") fókuszálást, erre ugyanis csak az 1950-es évek elején jöttek rá. Végül is az erős fókuszálással eljutunk a szinkrotronhoz, amely szintén a fázisstabilitás elvén alapszik.

Lineáris gyorsító

A Szilárd által javasolt első gyorsító egy lineáris gyorsító volt, amelyet 1928. december 17-én jegyeztek be német szabadalomként “Részecskék gyorsítása" címmel. Az 1. ábra ennek vázlatos rajzát mutatja. Szilárd ugyan “csősugarakról" ír a szabadalmában, de megjegyzi, hogy “ezek korpuszkulák, azaz ionok vagy elektronok". Abban az időben előállítható kisfrekvenciás rádiófrekvenciás forrásokkal a berendezés csak meglehetősen nehéz ionokkal működhetett. A szabadalmi leírásban érdekes megjegyzés olvasható:

1. ábra. Szilárd vázlata az AC-linacról 1928-ban benyújtott szabadalmi leírásában (a számokat utólag írtuk be). 1) csatornasugár-cső, 2) ennek katódja, 3) vákuumszivattyú, 4-9) a váltakozó áramú forráshoz kapcsolt rácsok - ezek biztosítják a gyorsító résben a megfelelő ütemű áthaladást - és 10) a nyaláb kilépő ablaka.

Készülékünkben az elektromos térnek két komponense van. Az egyik balról jobbra gyorsít, míg a másik jobbról balra fejt ki fékező hatást. A gyorsított ion sebessége a pálya minden pontján azonos a balról jobbra irányuló térerősség sebességével."

Pontosan ezt értik a modern gyorsítók tervezői “haladó hullámokon" [2].

Szilárd találmányát megelőzte egy akkor Aachenben dolgozó fiatal norvég mérnök, Rolf Wideröe, aki leírja nátrium- és kálium-ionok gyorsítását két cső alakú elektróddal, amelyek közé oszcilláló elektromos feszültséget kapcsolt [3]. Wideröe cikke 1928 nyarán jelent meg, még azelőtt, hogy Szilárd benyújtotta szabadalmi kérelmét. 1931-ben Ernest Lawrence és David Sloan Berkeley-ben higany-ionokat gyorsított 1,25 MeV energiára lineáris gyorsítóban. Látni fogjuk, hogy milyen nagy a történeti jelentősége annak, hogy Lawrence felfigyelt Wideröe munkájára.

Wideröe neve ma nem igen ismert a fizikusok között. Ising, a lineáris gyorsító valódi feltalálójának neve már ismertebb, azonban ő nem azonos azzal a német elméleti fizikussal, aki a ferromágnesség róla elnevezett modelljét felállította. Gustaf Ising svéd kísérletező volt, aki már 1925-ben publikálta úttörő munkáját a lineáris gyorsítóról [4].

Lehetséges, hogy a német bírálók ismerték ezt a “prioritást", ezért utasították el Szilárd szabadalmi kérelmét.

Ciklotron

1931-ben, három héttel a lineáris gyorsítóra tett javaslata után Szilárd benyújtotta gyorsítóra vonatkozó második szabadalmi kérelmét "Korpuszkuláris sugárcső" (Corpusculare Ray Tube) címmel. A csak hét oldal terjedelmű leírás a ciklotronról és a betatronról szólt. Kifejtette, hogy a ciklotronban a rádiófrekvenciának és keringési frekvenciának rezonanciában kell lennie, és az utóbbi független a pályasugártól mindaddig, míg a részecske kinetikus energiája jóval kisebb mc²-nél. Szilárd ugyan mind a ciklotronnal, mind a betatronnal kapcsolatban elektronokat említ, de egészen biztosan tudta, hogy a ciklotron erre nem alkalmas. Az elektron kis tömege (0,51 MeV) miatt a rezonanciafrekvencia nagyon nagy. Még ha lehetséges volna ilyen frekvenciájú rezgéseket előállítani, az elektron már közepes energiákon is relativisztikusan viselkedne. Érdekes, hogy éppen ebben az időben indult meg a kutatás olyan nagyenergiájú elektronok előállítására, amelyek; kel nagyon kemény röntgensugárzást akartak kelteni.

2. ábra. Szilárd javaslata a relativisztikus elektronokkal működő ciklotron mágneses rendszerére. Növekvő energiáknál az elektronok pályasugara nő, így szinkronba kerül az ék alakú mágnesek radiálisan növekvő eltérítő mágneses terével. A berendezést függőleges fókuszálással tervezte

Betatron Szilárd és Wideröe gondolatai újból párhuzamos síneken mozogtak - ezúttal a betatronnal foglalkoztak. A betatronban a keringő elektront mágneses indukcióval gyorsítják. A gyorsító erő azonos az elektronpályához csatolt, időben változó mágneses mező által indukált elektromotoros erővel, így az elektronpálya a transzformátor szekunder tekercsének szerepét tölti be.

Wideröe ugyanabban a cikkben vázolta a betatron elvét, amelyben az alkáli-fémionok kétszeres lineáris gyorsítását írta le [3], azonban elfeledkezett a fókuszálás problémájáról. Joseph Slepian korábbi, 1922-ben felvetett javaslatából is hiányzott a fókuszálás elve. Szilárd javasolta, hogy a fókuszálást a vezérlő mágneses mező radiális csökkentésével végezzék.

Érdekes, hogy Wideröe nem tervezett ciklotront, azaz nem gondolt arra, hogy mágneses tér alkalmazásával a lineáris gyorsítóban a részecske pályáját spirálissá alakítsa át. Lawrence-nek jutott ez eszébe 1929-ben, amikor könyvtári anyag böngészése közben rábukkant a Wideröe által javasolt lineáris gyorsítóra. Lawrence a következő évben a Science-ben publikálta a ciklotron-elvet [5].

Szilárd következő - és egyben talán az utolsó - gyorsítókkal kapcsolatos ötlete volt az, amelyet 1934. február 21-i dátummal jegyeztek be mint brit szabadalmat. Ennek “Aszinkron és szinkron részecsketranszformátorok" volt a címe; a transzformátor kifejezés természetesen a betatron-elvből származik. Szilárd a szerint definiál kétféle szinkron és aszinkron - gyorsítót, hogy milyen kapcsolatban van egymással a részecske keringési és a gyorsító tér frekvenciája. A ciklotron az első, a betatron a második csoportba tartozik. A mai szóhasználattal ezeket “rezonáns", illetve “nem-rezonáns" gyorsítóknak nevezzük, de Szilárd terminológiája ma is él a “szinkrotron" és “szinkrociklotron" elnevezésben.

3. ábra. Oszcilláló V(t) feszültséggel működő gyorsító fázis-stabilitását úgy kell tervezni, hogy a gyorsító réshez túlságosan korán (szürke pontok), vagy túl későn (fekete pontok) érkező részecskék a kívánatos fázishoz minél közelebb legyenek a következő körülforduláskor. A korán érkezőket kevésbé, a későket pedig erőteljesebben gyorsítja a berendezés.

Nem szeretnék részletesen kitérni a betatronnal kapcsolatos szabadalom kérdésére, csak azt említem meg, hogy ebben négy berendezést kapcsolt zárt áramkörré, azért, hogy kihasználja az oszcilláló mágneses fluxus mindkét félhullámát. Szilárd a szabadalmi leírás második részében a ciklotron másik változatát is javasolta, ami lényegében az elektron-szinkrotron egy fajtájával azonos. A relativisztikus elektronokat olyan gyűrű alakú térrészben gyorsítják, amelyben az átlagos függőleges eltérítő térerősség sugárirányban növekszik oly módon, hogy a ciklotronfrekvencia a kerület növekvő hosszúsága ellenére jó közelítéssel állandó maradjon (2. ábra). A radiálisan növekvő térerősséget olyan ékekkel állítják elő, amelyekkel a pályasíkra merőleges fókuszálást lehet elérni. Szilárd javaslata tartalmazta a frekvenciamodulációt s a fázisstabilitást - természetesen egyik sem létezhet a másik nélkül. Idézek Szilárd szabványfolyamodványából:

“A gyorsítás folyamán a keringési idő növekedni fog, mivel az elektron perdülete növekszik (feltételezzük, hogy az energia elég nagy, különben a keringési idő már eleve csökkenni fog). A nagyfrekvenciás rezgések hullámhossza ezért nem lehet állandó, a mágnesek között keringő elektron energiájának egy körülfutás ideje alatt is folyamatosan nőnie kell." A Szilárd által tervezett mágnessel a gyűrű alakú gyorsítási tartományban a pálya sugara tízszeres perdületnövekedés után 10%-kal növekszik. (A javasolt méretekből arra következtethetünk, hogy az elérendő legnagyobb perdület 100 MeV/c volt). Szilárd így folytatja:

“A körbefutási idő fokozatosan 10%-kal nő, ezért a hullámhossznak is 10%-kal kell növekednie, de az egyetlen körbefutás alatti hullámhosszváltozás nagyon kicsi lesz. Fontos megjegyezni, hogy az elektronnal egy meghatározott perdületig történő gyorsításához szükséges idő a gyorsítórésen történő áthaladáskor fennálló fázisviszonytól függ. Ebből következik, hogy meglehetősen nagy értékek között, szabadon választható az elektron gyorsításához szükséges nagyfrekvencia-tartomány. A rezgés változó frekvenciája biztosítja azt, hogy az elektron megfelelő fázisban haladjon át a résen. "

Fázisstabilitás

Szilárd ábrán szemléltette a fázisstabilitást, de mivel az eredeti diagram félrevezető lehet, ezért inkább egy általam készített rajzzal magyarázom (3. ábra), amelyen feltüntettem a gyorsító résnél lévő oszcilláló V(t) feszültség értékét. Tételezzük fel, hogy a résen áthaladó részecske “kívánt" fázisa. Nézzünk először egy olyan részecskét (szürke pontok), amely a feszültségi ciklushoz képest túl korán érkezik a réshez, ezért túl kevés energiát vesz fel, és a következő fordulat után késve érkezik oda, a fázisa ezért közelebb lesz -hoz. Ha a részecske késve érkezik, (fekete pontok) akkor túl sok energiát vesz fel; következő fordulatnál hamarabb érkezik a réshez, fázisa szintén közelebb lesz -hoz. Bebizonyítható, hogy a stabilis pontnál van a helyes fázis.

4. ábra. Szilárd által 1934-ben javasolt forgó kondenzátor lemez állítja elő a relativisztikus elektron-ciklotronban a ciklikus frekvenciamodulációt. A két lemezt (a rajzon csak az egyik látható) fogazattal kapcsolják össze úgy, hogy köztük vékony kvarclemez (satírozva) van. A két lemez közös tengelyen ellentett irányban gyorsan forog, a gyorsan oszcilláló kapacitás eredményezi a rádiófrekvenciás forrás rezonáns áramkörét.

A szabványleírás végén Szilárd gyakorlati módszereket javasol a frekvenciamodulációra. Egyik megoldás az 4. ábrán látható, körben forgó kondenzátor, ilyet használtak a negyvenes évek végén a szinkrociklotronokban. Kiszögellésekkel ellátott, két ellenkező irányban forgó kondenzátorlemezzel a kapacitás gyors oszcillációját idézik elő a gyorsító rádiófrekvenciás rezonancia-áramkörben.

Fontos megjegyezni, hogy az 1934-es Szilárd-féle szabadalom elsősorban elektronokkal foglalkozik, a protonokat csak mellékesen említi. Az akkor elérhető energiákon a protonok nem-relativisztikusak, ezért nincs szükség frekvenciamodulációra. Csak 1937-ben kezdték el tanulmányozni azokat a feltételeket, amelyek között a hagyományos ciklotronban gyorsított proton relativisztikussá válik. A Cornell Egyetemen Hans Bethe és Morris Rose jutott arra a következtetésre, hogy körülbelül 15 MeV az az energiahatár, ameddig nincs szükség frekvenciamodulációra [6].

Egy alkalommal Szilárd egy kiváló biológussal beszélgetett, aki legújabb kutatási eredményeit ismertette. A biológus megkérdezte, hogy Leó milyen ismereteket tart fontosnak. “Végtelenül nagy intelligencia, semmi előzetes ismeret" - válaszolta Szilárd. (Nyomtatásban, amikor nem halljuk jellegzetes magyaros akcentusát, ez önhittnek tűnik.) Szilárd ebben a szellemben fogott neki az általa feltalált új gyorsítók megtervezéséhez.

Irodalom

1. W. LANOUETTE: Szilárd Leó: zseni árnyékban - Magyar Világ Kiadó, Budapest, 1997.
2. M.S. LIVINGSTONE, J.P. BLEWETT: Particle Accelerators - McGraw-Hill, New York, 1962.
3. R. WIDERÖE:- Arch. Elektrotech. 21 (1928) 387
4. G. ISING - Arkiv Math. Astron. Phys. 18 (1925) 45
5. E.O. LAWRENCE, N.E. EDLEFSEN - Science 72 (1930) 376
6. H.A. BETHE, M.E. ROSE - Phys. Rev. 52 (1937) 1254; M.E. Rose - Phys. Rev. 53 (1935) 392

_______________________

Telegdi Bálint, Wolf-díjas ezt az előadását az Amerikai Fizikai Társaság Szilárd Leó Centenáriumi Ülésén tartotta (1998., Columbus, Ohio), annak szövegét a Physics Today-nek és a Fizikai Szemlének elküldte. A Fizikai Szemlében való közléshez az előadást szintén közlő Physics Today hozzájárult.