Срыв сверхпроводимости
В экспериментах на адронных коллайдерах физики стремятся достичь как можно большей энергии протонов. Чем больше энергия, тем более тяжелые частицы можно открыть, тем более тонкие эффекты Новой физики станут доступны для наблюдения и тем более вероятными становятся редкие процессы. Для ускорительной техники разогнать частицы до сверхбольших энергий — не проблема. Главная трудность — удержать такие частицы на орбите внутри ускорительного кольца. Отвечают за это дипольные магниты (рис. 1), которые с помощью сильного магнитного поля отклоняют пролетающий сгусток частиц на небольшой угол. Много таких магнитов, выставленных вдоль траектории, и удерживают частицы на орбите.
Рис. 1. Дипольные магниты — критически важные компоненты Большого адронного коллайдера и вместе с тем одни из самых сложных в изготовлении и обслуживании. Для поднятия энергии протонов почти до проектного значения потребовалась длительная кампания по тренировке магнитов. Изображение с сайта web.cern.ch
В Большом адронном коллайдере вдоль всего 27-километрового ускорительного кольца стоят 1232 дипольных магнита. Они были изготовлены с таким расчетом, чтобы при охлаждении до температуры 1,9 K держать ток 12 килоампер, создавая тем самым магнитное поле индукции 8,3 тесла, что отвечает протонам с энергией 7 ТэВ. Магниты эти — сверхпроводящие, поэтому ток в обмотках циркулирует не затухая, и никаких потерь энергии при этом не происходит. Однако 12 кА — это лишь расчетное значение тока. Когда магниты прибывают на место и включаются в работу, то выясняется, что они столь сильный ток держать не могут — в них происходит срыв сверхпроводимости (в английской терминологии — quench). В каком-то месте обмотки металл переходит из сверхпроводящего в нормальное состояние с ненулевым сопротивлением и под действием сильного тока резко нагревается. Вся запасенная в магните энергия — а это 7 МДж — готова тут же, за долю секунды, выделиться в виде тепла. Если бы не специальная предохраняющая система, которая в экстренной ситуации принимает на себя весь «энергетический удар», электромагнит попросту разрушился бы.
Благодаря защитной системе срыв сверхпроводимости не является критическим событием, но, тем не менее, он неприятен по двум причинам. Во-первых, он не позволяет техникам поднять до расчетного значения силу тока, а значит, и энергию протонов. Именно поэтому во время первого трехлетнего сеанса работы LHC энергия протонов составляла лишь половину проектной — 4 ТэВ против расчетных 7 ТэВ. Оказалось, что некоторые магниты просто не были готовы к тому, чтобы держать в себе 12 кА.
Возможно, энергию протонов можно было бы поднять еще чуть-чуть, но тут возникает вторая проблема. Магнит слишком долго «приходит в себя» после каждого события срыва сверхпроводимости. На рис. 2 наглядно показано, как восстанавливается цепочка магнитов после срыва. Во время тестов в секторе 67 при токе почти 11 кА произошел срыв сразу в нескольких магнитах. Полное энерговыделение в этом событии составило 23,5 МДж (достаточно, чтобы моментально испарить несколько килограммов меди). Благодаря защитной системе температура в магнитах подскочила только на пару десятков градусов, механические напряжения — до десятков атмосфер. Магниты затем вновь были охлаждены и наполнены сверхтекучим гелием, но занял этот процесс 10 часов!
Рис. 2. Типичный цикл восстановления магнита после потери сверхпроводимости. Вверху: красным выделены магниты, в которых произошел срыв; указан также их ток и полное энерговыделение. Внизу: графики температуры магнитов (в кельвинах) и механического давления (в атмосферах) в зависимости от времени. Изображение с сайта indico.cern.ch
Становится понятно, что даже если срывы сверхпроводимости не являются фатальными, очень желательно минимизировать их количество. Ведь каждый срыв во время работы коллайдера приводит к экстренному сбросу пучка, охлаждению магнитов, за которым последует новый цикл подготовки и ускорения пучка, и только потом возобновятся столкновения. В результате будут потеряны примерно сутки рабочего времени. Так что, если срывы начнут случаться раз в неделю или чаще, это существенно сократит рабочее время ускорителя. Значит, для эффективной работы требуется, чтобы магниты работали не на пределе, а могли держать чуть больший ток, чем требуется для работы, и тогда в нормальной ситуации они вообще не должны срываться.
Тренировка магнитов
Тот факт, что сверхпроводящий магнит, изготовленный с расчетом на определенный ток, в реальности его не держит, — это нормальная ситуация. Зато после изготовления эти магниты можно натренировать так, чтобы они держали ток вплоть до расчетного.
Дело в том, что при изготовлении магнитов всегда возникают микроскопические неоднородности материала или чуть-чуть смещаются провода при намотке. Эти отклонения от идеала приводят к тому, что магнитное поле внутри не однородно, а где-то чуть больше, где-то чуть меньше. К тому же при повышении тока в магните возникают сильные механические напряжения, которые слегка деформируют материал, и эта энергия деформации может локально выбрасываться в форме небольшого тепловыделения. В результате в отдельных местах магнитное поле может превысить критическое даже тогда, когда ток в магните еще далек от расчетного. В этот момент и наступает срыв сверхпроводимости.
Тренировка магнита — это аккуратное прохождение нескольких циклов повышения тока вплоть до срыва сверхпроводимости. Опыт показывает, что после каждого срыва магнит слегка «исправляется» и на следующем цикле он может держать чуть больший ток, чем до этого. Микроскопический механизм этого процесса исследован не до конца, но, в общих словах, во время каждого цикла материал внутри магнита чуть смещается, зоны напряжения рассасываются, что и оптимизирует магнитное поле. Типичный пример эволюции магнитов показан на рис. 3 на примере сектора 6–7. За 20 циклов нагрузки и срыва максимальный ток поднялся примерно на 10% и достиг цели 11 кА, отвечающей пучкам 6,5 ТэВ.
Рис. 3. Тренировка магнитов в секторе 6 7 Большого адронного коллайдера (показаны красными кружками). После 20 циклов нагрузки и срыва сверхпроводимости магниты стали держать 11 кА, и весь сектор теперь сертифицирован для работы с 6,5-тэвными пучками. Изображение с сайта twitter.com/cern
Дополнительные ссылки:
- A. V. Tollestrup. Care and training of superconducting magnets // FERMILAB-UPC-139 (1980).
- L. Rossi, L. Bottura. Superconducting magnets for particle accelerators // Rev. Accel. Sci. Technol. 05 (2012) 30003.
