Магнитные системы Большого Адронного Коллайдера.
статья по физике (11 класс) по теме

                 О сверхпроводящих магнитах Большого Адронного Коллайдера.                                                                                                                                                        

А.И.Титенский.

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.