зрив надпровідності
В експериментах на адронних коллайдерах фізики прагнуть досягти якомога більшої енергії протонів. Чим більше енергія, тим важчі частинки можна відкрити, тим тонші ефекти Нової фізики стануть доступні для спостереження і тим більш імовірними стають рідкісні процеси. Для прискорювальної техніки розігнати частинки до надвеликих енергій - не проблема. Головні труднощі - утримати такі частинки на орбіті всередині прискорювального кільця. Відповідають за це дипольні магніти (рис. 1), які за допомогою сильного магнітного поля відхиляють пролітає потік частинок на невеликий кут. Багато таких магнітів, виставлених вздовж траєкторії, і утримують частинки на орбіті.
Мал. 1. Дипольні магніти - критично важливі компоненти Великого адронного коллайдера і разом з тим одні з найскладніших у виготовленні і обслуговуванні. Для підняття енергії протонів майже до проектного значення знадобилася тривала кампанія по тренуванню магнітів. Зображення з сайту web.cern.ch
У Великому адронному колайдері уздовж всього 27-кілометрового прискорювального кільця стоять одна тисяча двісті тридцять два дипольних магніту. Вони були виготовлені з таким розрахунком, щоб при охолодженні до температури 1,9 K тримати струм 12 кілоампер, створюючи тим самим магнітне поле індукції 8,3 тесла, що відповідає протонам з енергією 7 ТеВ. Магніти ці - надпровідні, тому струм в обмотках циркулює НЕ затухаючи, і ніяких втрат енергії при цьому не відбувається. Однак 12 кА - це лише розрахункове значення струму. Коли магніти прибувають на місце і включаються в роботу, то з'ясовується, що вони настільки сильний струм тримати не можуть - в них відбувається зрив надпровідності (в англійській термінології - quench). В якомусь місці обмотки метал переходить з надпровідного в нормальний стан з ненульовим опором і під дією сильного струму різко нагрівається. Вся збережена в магніті енергія - а це 7 МДж - готова тут же, за частку секунди, виділитися у вигляді тепла. Якби не спеціальна оберігає система, яка в екстреній ситуації приймає на себе весь «енергетичний удар», електромагніт просто зруйнувався б.
Завдяки захисній системі зрив надпровідності не є критичним подією, але, тим не менш, він неприємний з двох причин. По-перше, він не дозволяє технікам підняти до розрахункового значення силу струму, а значить, і енергію протонів. Саме тому під час першого трирічного сеансу роботи LHC енергія протонів становила лише половину проектної - 4 ТеВ проти розрахункових 7 ТеВ. Виявилося, що деякі магніти просто не були готові до того, щоб тримати в собі 12 кА.
Можливо, енергію протонів можна було б підняти ще чуть-чуть, але тут виникає друга проблема. Магніт занадто довго «приходить до тями» після кожної події зриву надпровідності. На рис. 2 наочно показано, як відновлюється ланцюжок магнітів після зриву. Під час тестів в секторі 67 при струмі майже 11 кА стався зрив відразу в декількох магнітах. Повний енерговиділення в цій події склало 23,5 МДж (досить, щоб моментально випарувати кілька кілограмів міді). Завдяки захисній системі температура в магнітах підскочила тільки на пару десятків градусів, механічні напруги - до десятків атмосфер. Магніти потім знову були охолоджені і наповнені надтекучим гелієм, але зайняв цей процес 10 годин!
Мал. 2. Типовий цикл відновлення магніту після втрати надпровідності. Вгорі. червоним виділені магніти, в яких стався зрив; вказано також їх ток і повне енерговиділення. Внизу. графіки температури магнітів (в кельвінах) і механічного тиску (в атмосферах) в залежності від часу. Зображення з сайту indico.cern.ch
Стає зрозуміло, що навіть якщо зриви надпровідності не є фатальними, дуже бажано мінімізувати їх кількість. Адже кожен зрив під час роботи коллайдера призводить до екстреного скидання пучка, охолодженню магнітів, за яким послідує новий цикл підготовки і прискорення пучка, і тільки потім відновляться зіткнення. В результаті будуть втрачені приблизно добу робочого часу. Так що, якщо зриви почнуть траплятися раз на тиждень або частіше, це суттєво скоротить робочий час прискорювача. Значить, для ефективної роботи потрібно, щоб магніти працювали не на межі, а могли тримати трохи більший струм. ніж потрібно для роботи, і тоді в нормальній ситуації вони взагалі не повинні зриватися.
Тренування магнітів
Той факт, що надпровідний магніт, виготовлений з розрахунком на певний струм, в реальності його не тримає, - це нормальна ситуація. Зате після виготовлення ці магніти можна натренувати так, щоб вони тримали ток аж до розрахункового.
Справа в тому, що при виготовленні магнітів завжди виникають мікроскопічні неоднорідності матеріалу або трохи зміщуються дроти під час намотування. Ці відхилення від ідеалу призводять до того, що магнітне поле всередині не є однорідним, а десь трохи більше, десь трохи менше. До того ж при підвищенні струму в магніті виникають сильні механічні напруги, які злегка деформують матеріал, і ця енергія деформації може локально викидатися в формі невеликого тепловиділення. В результаті в окремих місцях магнітне поле може перевищити критичний навіть тоді, коли струм в магніті ще далекий від розрахункового. У цей момент і настає зрив надпровідності.
Тренування магніту - це акуратне проходження декількох циклів підвищення струму аж до зриву надпровідності. Досвід показує, що після кожного зриву магніт злегка «виправляється» і на наступному циклі він може тримати трохи більший струм, ніж до цього. Мікроскопічний механізм цього процесу досліджений не до кінця, але, в загальних словах, під час кожного циклу матеріал всередині магніту трохи зміщується, зони напруги розсмоктуються, що і оптимізує магнітне поле. Типовий приклад еволюції магнітів показаний на рис. 3 на прикладі сектора 6-7. За 20 циклів навантаження і зриву максимальний струм піднявся приблизно на 10% і досяг мети 11 кА, що відповідає пучків 6,5 тераелектронвольт.
Мал. 3. Тренування магнітів в секторі 6 7 Великого адронного коллайдера (показані червоними кружками). Після 20 циклів навантаження і зриву надпровідності магніти стали тримати 11 кА, і весь сектор тепер сертифікований для роботи з 6,5-тевнимі пучками. Зображення з сайту twitter.com/cern