Цивилизация
Large Magnet Facility – огромный ангар на территории CERN (общий вид его представлен на фотографии выше), больше напоминающий заводской цех. Занимаются здесь действительно не наукой, а технической поддержкой коллайдера. Главным образом здесь работают над созданием и обеспечением бесперебойной работы «вен и мышц» коллайдера – сверхпроводящих магнитов.
«85% Большого адронного коллайдера – это магниты, и они же составляют 2/3 стоимости ускорителя. Это огромное помещение теперь целиком отдано группе, работающей с магнитами. Здесь мы построили рабочую модель тоннеля БАК. На ней мы детально отрабатываем методики, которые будут использоваться в реальном тоннеле при ремонте коллайдера во время его длительной остановки в 2013 году», — объяснил Лучио Росси, заместитель главы технологического департамента CERN, отвечающий за весь процесс апгрейда БАК.
Жизнь в этом здании кипела на стадии строительства коллайдера, а во время самих сеансов работы прибора – по сути, с апреля 2010 по декабрь 2012 года – она замерла, однако сейчас вновь пришел период активности: коллайдер нужно подготовить к запуску на проектной энергии столкновений протонов – гигантских 14 ТэВ. На это отводится около двух лет.
«Во время этой длительной остановки мы заменим все соединения между магнитами, одно из которых спровоцировало аварию в 2008 году. Мы улучшим их качество»,
— объясняет Росси.
«Конечно, еще тогда мы починили загоревшееся соединение и другие проблемные участки, всего 60–70 штук. Как вы знаете, коллайдер работает уже больше года, с ним все в порядке. Однако мы осознали, что наша система соединений между магнитами имела не только точечный дефект, но и (это мое частное мнение, не все люди в CERN принимают его, но, так как я отвечаю за магниты, я могу его выразить) некую общую слабость изначального дизайна, конструкции. И из-за этого полтора года мы работали не на полной мощности, а лишь на 60% проектной энергии. Мы не хотели подвергать риску этот нестабильный элемент. Теперь во время длительной остановки мы вскроем все, абсолютно все соединения. Во-первых, мы починим всё имеющее даже незначительный дефект (который мог бы никогда и не сказаться на работе). Во-вторых,
на все-все соединения, даже «здоровые», мы наденем так называемый ремень безопасности — дублирующую проводящую систему.
Так мы будем уверены в своей системе и пойдем с чистой совестью на максимальную энергию», — рассказал Росси.
Фредерик Савари, руководящий работами в зале магнитов, показал, как будет работать «ремень безопасности», который наденут на соединения.
«Чтобы добиться сверхпроводимости, мы работаем при сверхнизкой температуре в 1,8 Кельвина. Для этого и магниты, и соединения погружены в жидкий гелий. Каждый магнит длиной 15 м охлаждается около 250 л гелия.
Соединения между сверхпроводящими магнитами представляют собой перекрывающийся сверхпроводящий же кабель, состоящий из сплава титана, ниобия и меди, который заключен в медные желоба – сверху и снизу.
Кабель состоит из проводков, каждый около миллиметра в диаметре, и в каждом проводке по шесть тысяч волокон.
Так обеспечивается непрерывный электрический контур по всем 27 километрам кольца БАК», — поясняет Савари.
Стоит отметить, что ниобий – очень редкий элемент. В западные страны его поставляет только Бразилия, кроме того, он есть в России и в Китае.
«Теперь мы проверяем качество соединения медной оплетки, полностью заменяем те контакты, где будут найдены щели, и ставим «ремень безопасности» на все (хотя они и так уже «здоровы») соединения. Таким образом, мы дублируем каждое из соединений медных деталей, накладывая дублирующий «ремень безопасности» — еще одну медную «заплатку», которая может служить резервным каналом для тока, с полной надежностью обеспечивая непрерывность и медного контура», — рассказал Савари.
В 2008 году загорелось именно одно из таких соединений. Оказалось, что участки желобов в некоторых местах прилегали друг к другу неплотно, спай был недостаточно качественным. Сверхпроводящий кабель не всегда справляется с напряжением, и тогда ток должен пойти по медной оплетке. Ее непрерывность в одном месте оказалась нарушена – и произошла авария. После ремонта щелей между желобами не останется, а на участки спая будут закреплены медные пластины, так что если щели появятся в процессе работы в результате, например, температурных изменений, все равно они не повлияют на работу магнитов.
Однако на этом работа не закончится. Проведенная диагностика показала, что несколько магнитов работают недостаточно стабильно, поэтому полностью будут заменены 15 магнитов-диполей и 4 магнита-квадруполя.<1>
«Мы протестировали все магниты и поняли, что часть из них не совсем надежны – внутри них есть ненадежные соединения. Это гораздо менее опасно, чем вышеописанная ошибка, но, чтобы пойти на максимальную энергию, нам нужна полная надежность. И тогда мы решили эти магниты полностью заменить.
Подчеркиваю, все магниты прошли испытания до установки на полях, более мощных, чем будут в БАК, но мы не можем рисковать и допустить еще одну аварию, поэтому мы предпочитаем максимально перестраховаться»,
— пояснил Росси.
«Кроме того, мы будем продолжать работать над повышением надежности нашей электроники. На некоторых участках мы обнаружили, что наши управляющие микроэлектронные устройства подвергаются слишком сильному воздействию излучения. Это не значит, что они повреждены, но иногда протон с высокой энергией проникает через экраны и «ломает» транзистор – ноль становится единичкой, а единичка – нулем. Тогда программа выдает ошибку. Мы знаем эти слабые места, поэтому в этих случаях мы либо переместим электронику, либо обеспечим лучшую защиту. Это тоже огромная работа. Когда мы возобновим работу, мы окажемся на более высокой энергии, а также более высокой интенсивности пучка. И мы должны быть уверены, что электроника будет работать полностью стабильно», — отметил Росси.
Наконец, планируется повысить качество «глаз и ушей» технических служб коллайдера – систем диагностики.
«Что такое диагностика? Это возможность предвидеть проблемы до того, как они возникли. Ведь что произошло в 2008 году? Конечно, плохо, что проблема возникла. Но если бы у нас была надежная система диагностики, мы бы увидели проблему заранее, остановили бы работу, и сама авария уже не произошла бы. Это как в медицине: ранняя диагностика может предотвратить смерть.
В том случае мы как бы умерли. Но после этого чувствительность системы диагностики была повышена в 10 000 раз. Что это значит? Если мы сравним это со зрением, то это значит, что изначально мы были слепыми.
Или, например, это разница между светом и темнотой. Впоследствии мы поняли, что в этом была слабость проекта: не только соединения между магнитами были недостаточно надежными — мы также и недостаточно перестраховались с системой диагностики. Если быть честными, то это наша ошибка. Мы сделали многое, очень многое, хорошо, просто замечательно. Установка огромная, сложная, и она работает и получает качественные результаты: мы уже открыли Хиггс-подобную частицу — это потрясающий результат. Но у установки была слабость. Теперь мы эту ошибку исправим и выйдем на проектную мощность ускорителя, и, конечно, мы хотим пойти даже выше», — отметил ученый.
«Работу по замене соединений и части магнитов мы начнем в апреле следующего года, и она займет полтора года. Сейчас мы занимаемся подготовкой — обучаем людей в нашем тоннеле-макете. Это очень важно – заранее научиться работать в реальных условиях, знать обо всех трудностях, чтобы сам тоннель под землей не стал неожиданностью и люди четко знали, как работать, не тратили лишнего времени. На самом деле часть людей, занятых в ремонте, уже работали в реальном тоннеле при строительстве коллайдера, но есть и новые люди, которые нуждаются в детальном обучении», — сказал Савари.
«На ремонтных работах в тоннеле будут задействованы 225 человек. Работу по замене соединений будут выполнять 75 человек – между ними 27 км тоннеля будут разделены на сектора. Мы планируем заменять около 55 соединений в неделю.
Всего между магнитами 1795 соединений, в каждом из них (в среднем, зависит от типа магнита) по шесть сочленений, которые надо проверить и на которые нужно нанести по два «ремня безопасности» — сверху и снизу кабеля, то есть в общем будет поставлено более 20 тысяч «ремней», — уточнил он.
«Наша первоначальная конструкция была хорошей в том смысле, что она была и остается работающей.
Но она не была достаточно устойчивой. Это как в автомобиле: вы же не хотите, чтобы из-за микроскопического дефекта, нарушения, вы потеряли над ним контроль. Если угроза серьезная, значительная – тут ничего не поделаешь. Но к небольшим воздействиям система должна быть устойчива», — подытожил Росси.