Стойкий оловянный магнит

На прошлой неделе начались работы по самому крупномасштабному обновлению Большого адронного коллайдера за все время работы машины. Уже в 2026 году должны начаться эксперименты на обновленной версии ускорителя — High-Luminosity LHC, или Большом адронном коллайдере высокой светимости. Главная цель почти 10-летнего цикла работ — повысить в десять раз скорость набора экспериментальных данных. Апгрейд затронет почти полтора километра из 27-километрового кольца ускорителя, инженерам и физикам предстоит установить больше ста новых сверхпроводящих магнитов, заменить километры инженерных коммуникаций, десятки единиц криогенного оборудования. Но самую важную роль в работе обновленного ускорителя сыграют именно магниты. А мы как раз недавно побывали в Large Magnet Facility, на главной производственной площадке БАК, где разрабатываются и тестируются сверхпроводящие магниты. Специально для читателей N + 1 мы подготовили небольшую фотогалерею и рассказ о том, почему новые магниты так важны в HL-LHC.

В действительности, основная задача апгрейда до HL-LHC — увеличить светимость коллайдера. Это специальный параметр, который показывает, как часто происходят взаимодействия между протонами из встречных пучков ускорителя. Думая о том, что в Большом адронном коллайдере физики сталкивают протоны, мы, скорее всего, представляем себе столкновение двух пушечных ядер. В действительности картина происходящего в коллайдере гораздо сложнее. Добиться столкновения двух одиночных, специально выбранных протонов при современном состоянии техники просто невозможно — их радиус не достигает одного фемтометра (в десятки тысяч раз меньше радиуса атома водорода), такая точность попросту недостижима.

Вместо ускорения одиночных протонов коллайдер разгоняет в 27-километровой вакуумной трубе облачка (сгустки), состоящие из десятков миллиардов протонов. Причем одновременно в ускорителе курсирует около двух с половиной тысяч таких сгустков, разделенных равными интервалами. Когда два таких сгустка встречаются в центре детектора одного из экспериментов, то облачка протонов проходят друг сквозь друга и вероятность столкновения частиц возрастает на много порядков. Именно последствия этих столкновений проливают свет на мир физики элементарных частиц.

Чтобы увеличить вероятность столкновения протонов, казалось бы, нужно всего лишь увеличить плотность протонных облачков. Но здесь есть свои сложности. Во-первых, эти протонные сгустки сами по себе стремятся рассеяться из-за отталкивания одинаково заряженных протонов. Во-вторых, чтобы качественно сфокусировать столь быстрые частицы, необходимы огромные магнитные поля. Только разработка магнитов для современного БАК заняла свыше десяти лет: в состав ускорителя входят свыше девяти тысяч магнитов пятидесяти различных видов. Самые известные из них — дипольные магниты — не участвуют в фокусировке пучка, а лишь удерживают протоны на круговых траекториях ускорителя. Зато более сложные (но имеющие меньшие размеры) квадрупольные, секступольные, октупольные, декапольные магниты как раз предотвращают рассеяние сгустков. Благодаря им облачка протонов сжимаются в точках столкновения пучков до диаметра порядка 16 микрон (размер облачка в нефокусирующем дипольном магните может достигать полутора миллиметров).

Сейчас максимальные поля в магнитах БАК достигают восьми тесла (в сотни тысяч раз больше индукции магнитного поля Земли). Чтобы перейти на новый уровень светимости, эту величину придется увеличить почти в полтора раза — до 11,5 тесла.

Как мы знаем из школьного курса физики, магнитное поле электромагнита зависит от нескольких параметров — силы тока, количества витков и радиуса соленоида. В уже готовом (с точки зрения геометрии магнитов) коллайдере наибольшее пространство для маневра оставляет сила тока. Но надо упомянуть, что уже сейчас в сверхпроводящих обмотках магнитов течет огромный ток в 11 тысяч ампер. Обычные медные провода не подходят для проведения таких огромных токов, особенно в сравнительно компактных магнитах БАК. Но и при использовании сверхпроводящих кабелей, обладающих нулевым электрическим сопротивлением, возникают свои сложности.

Сейчас основной материал магнитов БАК — сверхпроводящий интерметаллид ниобия и титана (Nb₃Ti), полностью теряющий свое электрическое сопротивление при гелиевых температурах. Однако помимо нулевого сопротивления у сверхпроводников есть еще одно очень важное свойство — они выталкивают из себя любое внешнее магнитное поле. Это так называемый эффект Мейсснера, и именно благодаря ему сверхпроводники способны левитировать в магнитных полях. Но способность сверхпроводников выталкивать магнитное поле не безгранична — есть некоторая критическая отметка, при превышении которой магнитное поле проникает в материал и разрушает сверхпроводимость. И это ограничивает максимальные поля в ниобий-титановых сверхпроводящих магнитах.

К счастью, критические магнитные поля у разных сверхпроводников отличаются. И чтобы увеличить индуктивность новых магнитов БАК, инженеры переходят на новый интерметаллид — ниобий-олово (Nb₃Sn) с гораздо лучшими критическими характеристиками. Но в новом сверхпроводнике возникают новые проблемы.

Одно из главных затруднений состоит в том, что ниобий-олово — очень хрупкий материал. Для изготовления магнита необходимо сделать обмотку из ниобий-оловянного провода, что почти наверняка приведет к его повреждению. А любой разрыв или трещина может привести в конечном итоге к аварии, подобной произошедшей в 2008 году и остановившей работу БАК на год. Поэтому инженерам приходится сначала делать обмотку из несверхпроводящего сплава ниобия и олова, и лишь потом преобразовывать его в интерметаллид-сверхпроводник с помощью отжига. 

Отсюда возникает вторая проблема — более сложный технологический процесс изготовления сверхпроводника. Ниобий-оловянный сплав требует отжига при 650 градусах Цельсия в течение нескольких дней, чтобы в нем произошел соответствующий фазовый переход. Рабочая температура магнитов — около двух кельвинов. Такой разброс температур, через который приходится пройти магниту при изготовлении и использовании, сильно увеличивает риск возникновения трещин в материалах из-за температурного сжатия и расширения. Из-за таких сложностей при отжиге был разрушен кабель в одном из дорогостоящих прототипов новых магнитов.

Тестирование всех этапов сборки новых магнитов проходит в цехах Large Magnet Facility. Вкратце каждый магнит проходит через десяток производственных стадий.

Первая стадия — это собственно намотка частей диполя или мультиполя. Диполь состоит из двух очень вытянутых катушек, расположенных одна над другой. Витки в них представляют эллипсы с длинной осью в 15 метров, а короткой — не больше 20-30 сантиметров.

Вторая стадия — отжиг и изоляция витков. Интересно, что для покрытия сверхпроводящего кабеля непроводящей смолой используется специальная раскачивающаяся печь — она позволяет равномерно распределить смолу по обмотке магнита.

Третья стадия — сборка самого магнита в специальном корпусе. Между катушками дипольного магнита помещают будущую вакуумную трубу для протонов, а затем всю конструкцию (вместе с трубами для проводов) погружают в металлический корпус, собранный из стальных пластин.

Четвертая стадия — изгиб магнита в специальном прессе. Так как БАК — кольцевой, а не линейный ускоритель, 15-метровые дипольные магниты приходится слегка сгибать. Радиус кривизны при этом составляет несколько километров, но при сборке этот изгиб оказывается существенным.

Еще несколько стадий соответствуют тестированию электрических свойств магнита — поиск дефектов обмотки, контактов с основной токонесущей шиной, исследование магнитных полей и так далее. Для этого каждый отдельный магнит приходится охлаждать до рабочих температур.

Следующий этап — сборка ячеек из нескольких магнитов. Каждая ячейка состоит из четырех основных магнитов: трех изгибающих диполей и одного фокусирующего квадруполя, между которых располагаются дополнительные корректирующие магниты.

Разработка новых ниобий-оловянных магнитов идет уже несколько лет — ею совместно занимаются CERN и несколько американских лабораторий. Сначала исследователи разрабатывали дизайн устройств с учетом механических свойств материалов. К примеру, для создания современных диполей было проанализировано свыше трех тысяч геометрий-кандидатов. Учитывать приходится и температурные сжатия/растяжения, и нагрузки, связанные с магнитными полями (между половинками диполей развиваются огромные давления). Затем инженеры собирают короткие и полноразмерные прототипы. Лишь потом, когда будет разработан воспроизводимый технический процесс, начнется серийное производство магнитов.

На сегодняшний день прошли успешное тестирование дипольные магниты (2015 год). В 2016 году были протестированы 1,5-метровые прототипы ниобий-оловянных квадруполей, достигнувшие индукции в 12,2–13 тесла. В январе 2017 года Брукхейвенская лаборатория завершила тестирование 4,5-метрового квадруполя (с пиковым значением индукции поля в 13,4 тесла). Еще более длинный 7-метровый модуль тестируется на базе CERN — согласно планам, первый прототип должен был быть готов в первом квартале 2018 года.

Хотя именно магниты обеспечат улучшение светимости коллайдера, не менее важна модернизация и других частей БАК. Усовершенствование электропитания и криогенных установок поможет дольше поддерживать ускоритель в рабочем режиме, сэкономив время на остановки из-за технических неполадок. Кроме того надо помнить, что вся электроника коллайдера непрерывно подвергается действию ионизирующего излучения и регулярно нуждается в ремонте, замене и обновлении. 

Со стороны может показаться, что модернизация ускорителя преждевременна — коллайдер по-прежнему остается самым крупным и продуктивным экспериментом в физике элементарных частиц, к тому же работающим при рекордных энергиях. Но в действительности БАК, как и любому эксперименту, основанному на непрерывном наборе статистики, приходится постоянно соревноваться с самим собой. По оценкам физиков, к 2020 году эксперименты на ускорителе подойдут к тому пределу, когда уменьшение статистических ошибок в всего лишь в два раза будет требовать десяти лет работы, а это сильно затормозит исследования. Поэтому без скачка светимости, запланированного для HL-LHC, попросту не обойтись.

Владимир Королёв