Книга: Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

ДИПОЛЬНЫЕ КРИОГЕННЫЕ МАГНИТЫ

ДИПОЛЬНЫЕ КРИОГЕННЫЕ МАГНИТЫ

Разгон протонов до столь высоких энергий — безусловно, серьезное достижение. Но самой сложной в техническом отношении задачей при строительстве коллайдера стала разработка и изготовление мощных магнитов, которые должны удерживать протоны на правильной кольцевой траектории. Без магнитов протоны летели бы по прямой, а для удержания высокоэнергетических протонов в кольце магнитное поле должно быть чрезвычайно мощным.

Тоннель БАКа очень велик, поэтому главной инженерно–технической задачей оказалось изготовление мощнейших магнитов в промышленных масштабах, то есть практически серийно. Сильное поле требуется для удержания высокоэнергетических протонов в тоннеле. Чем выше энергия протонов, тем более мощные магниты нужны для удержания их в тоннеле — и тем больше должен быть диаметр ускорительного кольца, чтобы протоны могли поворачивать по нему плавно. Размер кольца был известен заранее, так что целевая энергия протонов в нем определяется максимальной мощностью магнитного поля, которой удастся достигнуть.

Американский сверхпроводящий суперколлайдер SSC, если бы он был достроен, располагался бы в гораздо большем по протяженности тоннеле длиной 87 км (его даже успели частично проложить) и по проекту должен был разгонять протоны до энергии 40 ТэВ, что почти втрое превышает целевую энергию проекта БАКа. Такая значительная разница объясняется тем, что эта установка разрабатывалась заново, практически с нуля и проектировщиков не ограничивали размеры уже существующего тоннеля и, соответственно, не слишком реалистичные требования по поддержанию мощнейшего магнитного поля. Однако предложенный европейцами план имел немало практических преимуществ, начиная от существующего тоннеля и заканчивая развитой научной, инженерной и транспортной инфраструктурой Европейского центра ядерных исследований.

Едва ли не самое сильное впечатление во время визита в Центр на меня произвел прототип гигантского цилиндрического магнита для БАКа (на рис. 26 он изображен в сечении). Таких магнитов вокруг разгонного кольца БАКа установлено немало —1232 штуки, но и каждый из них в отдельности — это нечто грандиозное. Это махина весом 30 т и длиной 15 м. Надо заметить, что длина магнита определена относительно небольшой шириной тоннеля — и, конечно, необходимостью перевозить готовые магниты по европейским дорогам. Каждый из магнитов обошелся в 700 000 евро; соответственно, общая стоимость одних только магнитов в БАКе превысила миллиард долларов.

Тонкие трубки, по которым разгоняются протонные пучки, проложены внутри дипольных магнитов, которые установлены вплотную один за другим и тянутся, таким образом, внутри тоннеля по всей его длине. Они генерируют магнитное поле напряженностью до 8,3 Тл — это примерно в тысячу раз выше, чем напряженность поля, создаваемого магнитиком на холодильнике. По мере того как энергия протонов в пучке увеличивается с 450 до 7 Тэв, напряженность магнитного поля, которое должно удерживать все более энергичные протоны на их кольцевом маршруте, возрастает с 0,54 до 8,3 Тл.

Магнитное поле, которое генерируют эти магниты, настолько мощно, что сами магниты не удержались бы на месте, если бы не специальные крепления. Отчасти сила, действующая на магнит, компенсируется за счет геометрии витков, но в конечном итоге магниты удерживают на месте специально спроектированные стальные «воротники», или хомуты, толщиной 4 см.

Мощные магниты БАКа были бы невозможны без сверхпроводящих технологий. Инженеры БАКа пользовались при проектировании технологиями, разработанными для американского проекта SSC, для тэватрона Лаборатории имени Ферми, расположенной в штате Иллинойс, а также для немецкого электронно–позитронного коллайдера в гамбургском ускорительном центре DESY.

РИС. 26. Схема устройства дипольного криомагнита. Протоны удерживаются на кольцевом маршруте внутри тоннеля при помощи 1232 таких сверхпроводящих магнитов

В обычных условиях провода (к примеру, медные провода, из которых сделана проводка в вашем доме) имеют сопротивление. Это означает, что при прохождении по ним электрического тока теряется энергия. А вот сверхпроводящие проводники не рассеивают энергию, и электрический ток проходит по ним без помех. Витки сверхпроводящей проволоки способны генерировать очень мощные магнитные поля; более того, такое поле, раз установившись, будет поддерживаться без дополнительного притока энергии.

Каждый диполь БАКа содержит катушку ниобиево–титанового сверхпроводящего кабеля, каждый из которых свит из тончайших проволочек толщиной всего шесть микрон — намного тоньше человеческого волоса. Всего на сооружение БАКа пошло 1200 т этой замечательной проволоки. Если размотать, ее длина сравнялась бы с длиной орбиты Марса.

В процессе работы сверхпроводящие диполи должны быть очень холодными, так как сверхпроводимость «включается» лишь при достаточно низких температурах. Вокруг сверхпроводящих кабелей поддерживается температура на 1,9 градуса выше абсолютного нуля, то есть на 271 градус ниже температуры замерзания воды. Это даже ниже температуры фонового микроволнового излучения в открытом космосе, которая составляет 2,7 К. В тоннеле БАКа находится самая холодная протяженная область во Вселенной — по крайней мере насколько нам известно. Из?за сверхнизких температур магниты БАКа называют криодиполями.

Помимо невероятных «проволочных» технологий, использованных в магнитах БАКа, нельзя не упомянуть и систему охлаждения (криогенную систему), которая сама по себе является серьезным достижением и заслуживает самых восторженных эпитетов. Естественно, это самая большая в мире система охлаждения. Сверхнизкую температуру в ней обеспечивает проточный гелий. Магниты, нуждающиеся в охлаждении, окружает специальная оболочка, в которой содержится примерно 97 т жидкого гелия. Это не обычный гелий в виде газа, а гелий, который при помощи давления поддерживают в состоянии сверхтекучести. Сверхтекучий гелий не обладает вязкостью обычных материалов и способен очень эффективно рассеивать все тепло, выделяемое в дипольной системе. Сначала охлаждают 10000 т жидкого азота, который, в свою очередь, охлаждает 130 т жидкого гелия, циркулирующего в диполях.

Не все части БАКа располагаются под землей. У коллайдера есть и наземные здания, где размещены оборудование, электроника и рефрижераторные установки. Традиционная морозильная установка охлаждает гелий до 4,5 К, а затем происходит окончательное охлаждение со снижением давления. Этот процесс (также, как и согревание) занимает около месяца. Ясно, что при любом включении или выключении коллайдера, а также при любой попытке ремонта на согревание и охлаждение уходит много дополнительного времени.

Если в системе случается какой?то сбой — к примеру, где?то выделилось небольшое количество тепла и чуть поднялась температура, — происходит так называемый квенч, или аварийное расхолаживание; это означает, что сверхпроводимость потеряна. Вообще, потеря сверхпроводимости может иметь катастрофические последствия, поскольку вся энергия магнитов высвободится разом. Поэтому в БАКе существует специальная система обнаружения квенчей и распределения высвобождающейся энергии. Эта система следит, чтобы нигде не возникало разности потенциалов: ведь при сверхпроводимости ее быть не может. Если такое случается, то меньше чем за секунду энергия высвобождается всюду и диполь выходит из сверхпроводящего состояния.

Но даже с применением сверхпроводящих технологий для генерации магнитного поля напряженностью 8,3 Тл требуются громадные токи. Ток в криодиполях доводится почти до 12 000 А, что в 40 000 раз превышает ток в горящей у вас на столе электрической лампочке.

Учитывая токи и охлаждение, неудивительно, что работающий БАК потребляет громадное количество электроэнергии — примерно столько же, сколько небольшой город, такой как близлежащая Женева. Чтобы избежать лишних расходов на электричество, на зимние месяцы коллайдер останавливают — зимы в Швейцарии холодные, и цены на электроэнергию заметно выше летних. (Исключение было сделано для пробного пуска в 2009 г.) У такой политики есть и дополнительное преимущество—ученые и инженеры получают замечательные рождественские каникулы.