粒子加速器建设与苏联核计划
作者： 张广翔 高腾摘 要： 粒子加速器是用人工方法提供各种高能粒子束或辐射线的现代化装备。粒子加速器是核物理研究的实验基础，而核物理则是核计划开展的科学理论基础。因此，粒子加速器建设对苏联核计划具有重要意义。1932—1957年，苏联在粒子加速器建设领域开展了大量工作。在镭研究所、列宁格勒技术物理研究所、2号实验室、水利工程实验室、物理研究所、电物理实验室等机构的领导下，建设工作大致经历了开端、恢复、强化、“超越”四个阶段。苏联建造了若干粒子加速器，构建了核物理研究的实验基础，促进了核物理研究的发展，保障了核计划的顺利开展，研制并改进了核武器、热核武器，从而增强了苏联的国防实力。
关键词： 粒子加速器;核物理研究;苏联;核计划
1945年7月16日，美国试爆了世界上首枚原子弹。为打破美国的核垄断，1945年8月20日，苏联国防委员会发布9887сс/оп号决议，①启动了以研制核武器为目标的核计划。1949年8月29日，苏联首枚原子弹试爆成功。1953年8月12日，苏联又先于美国试爆了世界上首枚氢弹。苏联在核武器、热核武器的研制上取得如此成就，归功于其核计划的成功实施。苏联的核计划是一项大型的、综合的国家项目，其成功是由诸多因素决定的。其中，核物理是核计划开展的科学理论基础，是核技术、核工业、核武器研制等其他各环节工作的理论根基，而粒子加速器②
（下文简称加速器）则是核物理研究的实验基础，其重要性不言而喻。
长期以来，苏联的加速器建设问题并未得到学术界应有的重视。目前为止，关于该问题的研究大致可分为三类：绝大部分相关成果只是将加速器建设作为核计划的背景，零散地提及该问题，称不上严格意义上的研究;③
另一类研究详细介绍了某个研究所建设的加速器或某座加速器，通常运用大量档案文件、回忆录等一手史料，具有重要的史料价值，但或者缺乏与核计划联系的分析，或者只从物理学角度思考问题;
Оглоблин А.А.Циклотроны в атомных проектах.Кармадонова Г.Я.（Ред.）Курчатовский институт.История атомного проекта.Вып.12.М.：Рос.науч.центр瘙爯Курчатовский институт瘙爲，1997; Алхазов Д.Г.，Шилов В.П.，Эйсмонт В.П.Первый в Европе：История создания и довоенных лет циклотрона Радиевого института.Л.：Радиевый ин-т им.В.Г.Хлопина，1982; Гринберг А.П.，Френкель В.Я.Игорь Васильевич Курчатов в Физико-техническом институте（1925—1943 гг.）.Л.：Наука，1984; Русакович Н.А.（общ.ред.） История создания синхроциклотрона ОИЯИ （в документах и воспоминаниях）.Дубна.：ОИЯИ，2014; Kiselev G.V.，Rusakovich N.A.，“Brief Overview of the Creation of the Synchrocyclotron at the Hydrotechnical Laboratory of the USSR Academy of Sciences and first Results of Physical Studies：Review of Archival Documents，” Physics of Particles and Nuclei，Vol.43，No.4 （2012），pp.419-451.还有极少数研究梳理了1932—1957年苏联加速器建设的成就，但比较简略。
Петросьянц А.М.，Джелепов В.П.Успехи техники ускорителей элементарных частиц в Советском союзе.100 лет со дня рождения Марии Кюри.М.：Знание，1968; Лариса Л.З.Пирамида ядерного века.История создания синхрофазотрона.Наука и жизнь，2007，№4.С.66-74.鉴于加速器建设在苏联核物理发展、核计划中的重要性，本文尝试较为系统、全面地梳理与分析这个问题，以期厘清1932—1957年苏联加速器建设的发展脉络，进而加深对苏联核计划的认识。
一、建设工作的开端
1919年，英国物理学家卢瑟福（E.Rutherford）用镭放射出的阿尔法粒子轰击氮核，首次实现了“核嬗变”（трансмутация ядер）。自此之后，拥有更高束流能量、流强和粒子质量的加速器就成为核物理学家不懈追求的目标。
核物理研究需要高能粒子束，这类粒子束可通过宇宙射线、天然放射性元素（例如镭）、高压设备、加速器等方式获取。其中，在人工获取高能粒子束的设备中，最有效的就是加速器。参见Рябев Л.Д.（общ.ред.） Атомный проект СССР：Документы и материалы，Т.Ⅰ，Ч.1.М.：Наука·Физматлит，1998.С.6; 桂伟燮编：《荷电粒子加速器原理》，第4-7页。在苏联，人工加速带电粒子领域的先驱是Л.В.梅索夫斯基（Л.В.Мысовский）。1922年，梅索夫斯基在《俄国科学院报告》上发表了《高频交流电对正负离子的加速作用》一文，提出了研发获取“人造阿尔法粒子”设备的课题。
Мысовский Л.В.，Рукавишников В.Н.Ускорение положительных и отрицательных ионов полем переменного тока высокой частоты.Доклады Российской академии наук，сер.А，1922.C.53.转引自Алхазов Д.Г.，Шилов В.П.，Эйсмонт В.П.Первый в Европе：История создания и довоенных лет циклотрона Радиевого института.Ч.1.C.5.后来，В.Н.鲁卡维什尼科夫（В.Н.Рукавишников）按照特斯拉变压器原理组装了一个装置。在梅索夫斯基的领导下，鲁卡维什尼科夫和Д.Г.阿尔哈佐夫（Д.Г.Алхазов）对该装置进行了改进。1928—1929年，Г.А.伽莫夫（Г.А.Гамов）将波动力学原理（принцип волновой механики）应用于阿尔法衰变（альфа-распад），并运用势垒贯穿效应（эффект проницаемости потенциального барьера ядра）的影响对此进行了解释。他不仅对阿尔法衰变给出了一般性解释，而且证实了原子核寿命与阿尔法粒子能量之间的定量关系。此外，他还思考了由于反隧道效应（обратный туннельный эффект）而使带电粒子进入原子核中的概率问题，
参见Петржак К.А.，Римский-Корсаков А.А.，Эйсмонт В.П.Ядерная физика в радиевом институте：от радиактивности к началам физики деления и первым испытаниям ядерного оружия.Наука и общество：история советского атомного проекта （40-е—50-е годы）.Т.2.М.：ИздАТ，1999.С.45; Алхазов Д.Г.，Шилов В.П.，Эйсмонт В.П.Первый в Европе：История создания и довоенных лет циклотрона Радиевого института.Ч.1.С.6.这些理论使得苏联在此领域取得了实质性的研究进展。1930年，梅索夫斯基在《物理学成就》杂志上发表了《获得高电势的实验方法》一文。1932年，他又在该杂志上发表一篇评论——《获得快电子和质子的实验方法》，
Мысовский Л.В.Лабораторные методы получения быстрых электронов и протонов.-УФН，1932，Т.12.C.560-610.转引自Алхазов Д.Г.，Шилов В.П.，Эйсмонт В.П.Первый в Европе：История создания и довоенных лет циклотрона Радиевого института.Ч.1.С.13.进一步丰富了加速器技术的理论内容。由此可见，在加速器建设工作开展之前，苏联在该领域已经具备了一定的理论基础。
1932年，美国物理学家劳伦斯（E.O.Lawrence）建成了回旋加速器（циклотрон）。
桂伟燮编：《荷电粒子加速器原理》，第1-2页。为了促进核物理研究的发展，苏联的镭研究所
镭研究所成立于1922年，全称为国家镭研究所;自1938年2月起，镭研究所转入苏联科学院，称为科学院镭研究所。参见Гринберг А.П.，Френкель В.Я.Игорь Васильевич Курчатов в Физико-техническом институте （1925—1943 гг.）.С.86.和列宁格勒技术物理研究所
列宁格勒技术物理研究所成立于1923年，1939年6月从机械制造人民委员部转入苏联科学院，称为“科学院技术物理研究所”。参见Рябев Л.Д.（общ.ред.） Атомный проект СССР：Документы и материалы，Т.Ⅰ，Ч.1.С.105.本文统一采用“列宁格勒技术物理研究所”的名称。率先在苏联开始了回旋加速器的建设工作。
（一）镭研究所的回旋加速器
1932年，镭研究所的梅索夫斯基建议建设回旋加速器，并得到研究所相关负责人В.И.韦尔纳茨基（В.И.Вернадский）、В.Г.赫洛平（В.Г.Хлопин）等人的大力支持。
刘玉宝：《早期苏联核计划研究》，第17页。镭研究所学术委员会接受了这项建议，人民委员会也为此拨出20万卢布。
Петржак К.А.，Римский-Корсаков А.А.，Эйсмонт В.П.Ядерная физика в радиевом институте：от радиактивности к началам физики деления и первым испытаниям ядерного оружия.Наука и общество：история советского атомного проекта （40-е—50-е годы）.Т.2.С.46.自此，苏联首座回旋加速器的建设工作正式展开。
由于镭研究所回旋加速器（以下简称镭研究所加速器）的建设是一项十分复杂的工作，我们只对关键部件——电磁体（электромагнит）的建造工作进行介绍。镭研究所考虑到磁场的均匀性以及生产条件的限制，与列宁格勒的“布尔什维克”工厂和“电力”工厂进行磋商，最终决定制造磁极直径（диаметр полюсов）为100厘米的电磁体。