О сверхпроводящих магнитах Большого Адронного Коллайдера.
.
1 Школа № 1 г. Фрязино Московской области, ул. Школьная, 10;
titenskiy-a@yandex.ru
О коллайдере сегодня знают все, преимущественно в виде страшилок.
Нам повезло побывать там. Называлось это мероприятие «Научная школа для учителей физики из России».Такие школы ЦЕРН проводит для многих стран. Для России она проводилась во второй раз. Конечно, мы знали немножко об ускорителях. О том, что если частицу разогнать до громадных скоростей и после этого столкнуть с частицей мишени, то мы можем наблюдать некоторые процессы, происходившие при зарождении Вселенной и которые могут дать разгадку многих физических законов, подтвердить или опровергнуть многие теоретические модели. Я с детства помню название частицы — анти-сигма-минус-гиперон, она была открыта в Дубне на легендарном синхрофазотроне - гордости нашей страны .Синхрофазотрон долгие годы был самым мощным ускорителем в мире, на нем было сделано множество открытий. Без него не было бы и более совершенных ускорителей — вклад российских ученых в разработку, сооружение, отладку и эксперименты на Большом Адронном Коллайдере все время подчеркивались организаторами школы.
Уже сделал несколько сообщений о посещении коллайдера на различных семинарах. Каждый раз звучит вопрос – спускались ли в тоннель? До поездки я тоже ожидал, что одним из самых ярких впечатлений будет спуск в тоннель коллайдера. Потом удивлялся, как же упустил из виду радиацию. Еще два года назад это можно было сделать, коллайдер только выходил на режим (он и сейчас еще далеко не в режиме, это процесс очень длительный ) , а сейчас во время эксперимента уже нельзя. Громадные центростремительные ускорения, определенные потери пучка на стенки дают большой фон излучения. В свое время в Дубне на синхрофазотроне эту проблему решали возведением бетонной стены, а уже при проектировании коллайдера в Протвино было решено упрятать коллайдер под землю, это оказалось дешевле, чем делать бетонную защиту. Это кроме проблемы стоимости земли. Коллайдер ЦЕРНа расположен в Швейцарии и Франции, земля очень дорогая, но владельцам земли принадлежит только поверхность, а недра принадлежат государству. На мой вопрос, на сколько метров вглубь распространяются права собственника, ответа я не получил .
Итак, мы в ЦЕРНе — пучок адронов нужно создать, ускорить, сфокусировать, столкнуть со встречным пучком и зафиксировать результаты столкновений.
На фото 1 показан источник будущих протонов. Когда Микк Сторр спросил, что это такое, кто-то опрометчиво крикнул – это огнетушитель. Хорош был бы огнетушитель из водорода.
На фото 2 показан линейный ускоритель, в котором происходит предварительное ускорение протонов.
Ускорение на коллайдере происходит в четырех двухметровых ускорителях, по два на каждый встречный пучок. Специалисты Истока узнали бы в этих двухметровых медных цилиндрах родственников своих СВЧ приборов. Многие из ускоряющих секций, отслужившие свой срок, выставлены в музее на территории корпуса тестирования сверхпроводящих магнитов. Имя академика Векслера, открывшего принцип автофазировки, очень почитаемо в ЦЕРНе, его имя носит одна из улиц этого научного центра.
Ускоренные частицы должны удерживаться магнитным полем на окружности коллайдера, причем с нарастанием скорости магнитное поле, а оно должно быть громадным, тоже должно нарастать. На синхрофазотроне в Дубне магнит был самым громадным в мире, он даже вошел в книгу Гиннеса – его масса 36 000 тонн. Известно, что когда синхрофазотрон был построен, академик Векслер поднялся на него и произнес ставшую крылатой фразу: «Когда мало мыслей, то много железа.» ".Но в те послевоенные годы другие решения невозможно было реализовать. В конце же шестидесятых в Протвино начинал строиться наш отечественный коллайдер, и в нем уже должны были использоваться сверхпроводящие магниты. Все это было реализовано при строительстве БАКа ( Большого Адронного Коллайдера ) в ЦЕРНе. То, что мы увидели в Женеве, было таким, что дух захватывало от красоты технических решений конструкции коллайдера и детекторов, а то, для чего все это сделано, звучит как волшебная сказка. Во всем этом значительно участие наших ученых.
Итак, водород ионизован, протоны ускорены на линейном ускорителе и поступили на целый каскад кольцевых ускорителей, система которых показана на фото 3.
.
Фото 3
Скорость протонов уже громадна и вот они поступают на большое кольцо коллайдера. Для поворота частиц в кольце коллайдера необходимо большое, нарастающее во времени магнитное поле.
Обычные магниты позволяют достичь индукцию не более 2 Тл из-за насыщения сердечников. Магниты коллайдера сверхпроводящие, индукция магнитного поля в них достигает 8,3 Тл, можно бы и больше, но при большей индукции разрушается сверхпроводящее состояние. Удивительно, но, сила тока в обмотках достигает1200А! И это в волоске из титано-ниобиевого сплава диаметром в десять раз тоньше человеческого волоса. Такие катушки очень трудоемки в изготовлении. Музеи там очень наглядные – я сфотографировал кусочек матрицы со сверхпроводящими волосками рядом со связкой толстенных медных кабелей, пропускающей эквивалентную силу тока – ясно, что никакие магниты из них не получились бы ( На Фото 4 эти волоски в медной матрице показаны наверху в синем держателе.) .
Фото 4
Сплав переходит в сверхпроводящее состояние примерно при 9К, однако для охлаждения применяют жидкий гелий при 1,9К в сверхтекучем состоянии(сверхтекучесть гелия наступает при 2.172К).Лишенный вязкости гелий легко проникает во все закоулки и обеспечивает эффективное охлаждение.( Про сверхпроводимость я знал, но то, что для охлаждения используется сверхтекучий гелий, произвело на меня очень сильное впечатление.) Доктор Тадеуш Куртыка говорил, что при некоторых утечках гелия не могли обнаружить, через какие дырочки он просочился.(Проблема поиска дыр в вакуумных системах во Фрязино многим знакома.) При таких магнитных полях очень велико силовое действие между витками магнитов, поэтому они закреплены в «воротничках» из ненамагничивающейся стали – силовая нагрузка достигает 400 тонн на метр (единицы измерения привожу такие, какие нам говорили). В ЦЕРНе в музеях довольно много разрезанных для наглядности по разным плоскостям магнитов.
Сверхпроводящие магниты были заказаны итальянской фирме и у них возникли такие же проблемы, как у нас с «Булавой» . ЦЕРНу пришлось строить отдельный корпус для тестирования магнитов и проводить стопроцентный входной контроль. Каждый магнит представляет собой трубу длиной 15 м примерно метрового диаметра, массой 35 тонн. ( Стоимость около 1 млн долл). На Фото 5 показано опускание такого пятнадцатиметрового магнита в шахту
. Таких магнитов в кольце стоит 1232 . Если бы были вмонтированы в систему бракованные магниты, то были бы громадные трудности по их замене, тоннель коллайдера довольно узкий ( мы были внутри макета тоннеля.).Эти трудности и возникли, когда произошла авария ,задержавшая работы на год.
Фото 5.
На Фото 6 изображен разрез трубы магнита
Фото 6
В центре трубы корпуса магнита в горизонтальной плоскости рядом друг с другом идут две вакуумные трубы с пучком, каждая диаметром примерно по 5 см (, в них в глубочайшем вакууме циркулируют во встречных направлениях по пучку разгоняемых частиц. От доктора Куртыки прозвучала цифра о вакууме – десять в минус четырнадцатой степени. Я решил, что ослышался, и переспросил на лекции у доктора Кима о степени, он пожал плечами и сказал, что не представляет, как такой вакуум можно было бы измерить, но десять в минус тринадцатой подтвердил. Магнитное поле единое для обоих каналов пучков. Сверхпроводящий магнит представляет из себя вовсе не катушку, а ленту, только так создается поперечное магнитное поле.
Особо нужно сказать о фокусирующих магнитах. Они показаны на Фото 6 красным цветом. Фокусирующие магниты стоят в упомянутых пятнадцатиметровых трубах, так как по всей траектории необходима высокая управляемость пучком, но особенно важна фокусировка в местах столкновений пучков ,ведь так много давший науке дубненский синхрофазотрон – это протонный ускоритель со слабой фокусировкой. Почему так важна фокусировка? Когда два пучка сталкиваются, вероятность взаимодействия адронов очень мала, пучки пролетают друг сквозь друга почти не взаимодействуя. Уменьшение диаметра пучков при столкновении значительно повышает вероятность «события». Из миллиарда протонов сталкиваются только пять пар. В коллайдере встречные пучки сталкиваются в четырех местах, там где они окружены детекторами. В этих местах конструкция ускорительных каналов такова, что пучки пересекают друг друга, поэтому столкновения происходят не лоб в лоб, а под небольшим углом, как показано на Фото7.
Фото 7 Столкновение пучков.
Перед столкновением пучки фокусируются до диаметра 15 – 20 микрон , от этого зависит такой параметр ускорителя, как «светимость». , т. е. количество событий. Понятно, что чем меньше диаметр пучка, тем больше светимость. Но какое искусство сталкивать пучки такого диаметра! У нас на «Платане» такие диаметры электронных пучков были в видиконах, а здесь - адроны, да еще с такой плотностью. И какое искусство – создать такие сверхпроводящие квадрупольные магниты.
Протонный пучок в ускорителе вовсе не выглядит как однородный непрерывный «протонный луч». Он разбит на отдельные сгустки протонов, которые летят друг за другом на строго определенном расстоянии. Каждый сгусток — это тончайшая «протонная иголка» длиной несколько десятков сантиметров и толщиной в доли миллиметра. В местах столкновений, как уже говорилось, фокусирующими магнитами пучок сжимается до диаметра примерно 15мкм, что значительно увеличивает вероятность событий. Такой сгусток даже наши специалисты там называют «банч».В максимуме производительности каждый из двух встречных пучков на LHC будет состоять из 2808 сгустков, идущих друг за другом на расстоянии в несколько метров, а в каждом сгустке будет примерно по 100 миллиардов протонов.
Кроме того, есть магниты специального назначения Главная особенность этих магнитов в том, что они включаются очень быстро, примерно за 3 микросекунды — это намного меньше, чем время полного оборота пучка по LHC. Если, скажем, система слежения за пучком обнаружила, что он вышел из-под контроля и начинает задевать аппаратуру, то эти магниты включаются и быстро выводят пучок из ускорителя в специальный объем. Важное значение имеет система гашения тока, которая предотвращает взрыв. Если какой-то участок обмотки слегка нагрелся, например из-за попадания пучка протонов, то он перейдет в нормальное состояние, обретет ненулевое сопротивление, и на нём начнет выделяться тепло, которое быстро разрушит магнит. Такие случаи были из-за брака в местах сварки проводов. Энергия пучков громадна, ее сравнивают с энергией реактивного самолета, или с энергией поезда из восьми вагонов, несущегося со скоростью 160 км/ч. Что будет, если такой пучок врежется в стенку канала? Как только начинается локальное выделение тепла, сразу по всему магниту включаются «нагреватели», которые быстро переводят весь магнит целиком в нормальное состояние. В этом случае вся запасенная в магните энергия (7 мегаджоулей) выделяется не локально в магните, а сбрасывается на специальном демпфирующем резисторе ( на Фото 6 – это труба теплоотвода) и не приводит к каким-либо разрушениям. Все знают, что несколько лет назад был взрыв, который разворотил магнит. Сейчас такие ситуации исключены.
Кроме всех типов магнитов внутри еще множество различных датчиков и электронных систем управления, магниты корректирующей орбиту систему, систем обратной связи , соединительных проводов, ступенчатая система охлаждения ( с жидким азотом и жидким гелием ) и несколько термоизолирующих оболочек.
Стабильная работа БАКа возможна лишь при наличии значительного количества жидкого гелия. Без него нельзя добиться эффекта сверхпроводимости в коллайдере и охладить до температуры всего на 2 градуса выше абсолютного нуля 4000 тонн металла. Сейчас ЦЕРН почти на 50% работает на гелии из России, который производится на предприятии «КРИОР» в Оренбурге на оборудовании компании «Гелиймаш».
Криогенная система на LHC многоступенчатая. Для охлаждения используется 12 миллионов литров жидкого азота и почти миллион литров жидкого гелия. LHC в ходе работы будет потреблять 2-3 грузовика жидкого азота и порядка 500 литров жидкого гелия в день. (При плотности жидкого гелия при этих температурах 130 кг/м3 загрузка коллайдера составляет 130 тонн гелия.)
Фото 8 . Знак гелиевой опасности.
Очень большое значение придается гелиевой безопасности –Когда мы в касках спускались на отметку 75м, я обратил внимание, что во многих местах висит знак гелиевой опасности ( фото 8 ) и наглядная инструкция, как вести себя в случае утечки гелия. Нужно быстро достать из специальных гнезд кислородные маски, надеть их и либо лечь лицом на пол, либо сесть и наклонить лицо поближе к полу. Кислорода хватает на 15 минут , за это время гелий успевает подняться вверх и улетучиться через шахту..
В ЦЕРНе коллайдер называют машиной - самой совершенной в мире машиной на сегодняшний день.
