Машини-монстри: Чотирьохполюсних магніт, який збільшить потужність Великого Адронного Колайдера в десять разів
Те, що дослідники CERN в минулому році виявили бозон Хіггса, ще не означає, що прийшла пора закривати найпотужніший та найбільший у світі створений людьми дослідницький інструмент. Замість цього наукове співтовариство планує модернізувати Великий Адронний Коллайдер (БАК), встановивши на нього більш досконалі і більш потужні системи, які зроблять колайдер інструментом, який прослужить людям принаймні ще одне десятиліття. Одними з вузлів коллайдера, які будуть піддані модернізації, є чотириполюсні магніти області взаємодії (interaction region quadrupole magnets, IRQM), які виготовляються зараз в рамках американської програми LHC Accelerator Program (LARP). Використання нових більш потужних магнітів IRQM дозволить не тільки легко виявляти екзотичні частинки типу бозона Хіггса, але і вивчати їх характеристики, відкриваючи пов'язані з ними таємниці.
Зіткнення частинок в БАК виробляються в одній з чотирьох областей взаємодії (Interaction Regions, IR). Кількість зіткнень, що відбуваються в зоні взаємодії за одиницю часу, називається інтегральною яскравістю коллайдера. В результаті модернізації керівництво CERN планує збільшити інтегральну яскравість БАК мінімум у десять разів. Більша частина обладнання БАК має необхідну для поточних експериментів потужність, але цієї потужності не буде вистачати для проведення експериментів на більш високому рівні енергій в майбутньому. І одним з таких вузьких місць є магніти IRQM.
Магніти IRQM, що стоять безпосередньо в області взаємодії коллайдера, дозволяють фокусувати пучки частинок за рахунок продукування ними сильного магнітного поля. Існуючі магніти IRQM виготовлені на базі ніобіту титану, сверхпроводимого матеріалу, досить широко використовується в різних областях науки і техніки. Основна проблема полягає в тому, що ниобат титану недостатньо міцний для того, щоб витримати вплив високих температур і жорсткого випромінювання, джерелами яких є зіткнення високоенергетичних частинок. Будь-який, навіть самий крихітний, дефект структури магніту призведе до порушення надпровідного стану магніту, до спотворення форми магнітного поля і до расфокусировке променя протонів.
Але нові магніти IRQM, изготавливаемы в рамках програми LARP, сильно відрізняються від магнітів, встановлених зараз на колайдері. Ці магніти, що мають назву HQ02a, яке досить складно розшифровується, виготовлені з ніобату олова. Цей сверхпроводимый матеріал нового покоління, розроблений спеціально для використання в охолоджуються рідким гелієм магнітах БАК. Використання нового матеріалу дозволяє отримати більш сильне магнітне поле в більш великій апертурі, 120 мм проти 70 мм, матеріал має більш широкий діапазон робочих температур і може витримувати вплив жорсткої радіації. В цілому, надпровідні обмотки магніту HQ02a можуть забезпечити магнітне поле в 12 Тесла, що є 50-відсотковим збільшенням порівняно з магнітами попереднього покоління.
Єдина проблема з ниобатом олова полягає в тому, що цей матеріал при температурах, близьких до абсолютного нуля, є надзвичайно крихкою. Під впливом виробляється їм самим магнітного поля цей матеріал може просто зруйнуватися. Для вирішення зазначеної проблеми інженери програми LARP розробили складну алюмінієву структуру, яка, як мушля равлика, тримає в цілості й схоронності обмотки магніту HQ02a під час роботи під повним навантаженням.
"Це є головним кроком на шляху досягнення кінцевої мети нашої програми", - розповідає Брюс Штраус (Bruce Strauss), один із керівників програми LARP, - "Але це не повинно розглядатися як одиничне досягнення. Реалізації багатьох нових технологій, методів та інженерних рішень при розробці конструкції, створення і тестування магнітів на основі Nb3Sn можуть використовуватися у багатьох інших галузях промисловості, науки і техніки, там, де застосовуються потужні надпровідні магніти".
Машини-монстри - все про виняткових машинах, механізмах і пристроях в світі, від величезних засобів знищення собі подібних до крихітних точних пристроїв, механізмів і всього того, що знаходиться в проміжку між ними.