Высокотемпературное ускорение
Гамлет Ходжибагиян — о сверхпроводящих магнитах на коллайдере в Дубне
В 2024 году в Дубне закончат строительство коллайдера NICA. Это циклический ускоритель для столкновения протонов и тяжелых ионов. Один из главных элементов коллайдера — сверхпроводящие магниты для удержания и фокусировки частиц. Для создания этих магнитов на российском ускорителе будут использованы высокотемпературные купратные сверхпроводники. Заместитель директора по научной работе Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ, лауреат премии «ВЫЗОВ» 2023 года Гамлет Ходжибагиян объяснил N + 1, почему выбрали именно такие материалы и в чем основные сложности работы с ними.
Этот материал появился на N + 1 в рамках спецпроекта «Это на будущее», который реализуется при поддержке Национальной премии в области будущих технологий «ВЫЗОВ». В 2023 году премию «ВЫЗОВ» присудили в четырех номинациях: «Перспектива» — за создание ионного квантового процессора, «Инженерное решение» — за технологию создания магнитов из высокотемпературного сверхпроводника, «Прорыв» — за исследования в области создания вычислительных устройств на основе поляритонов и разработку оптического транзистора и «Ученый года» — за открытия, позволившие создать новые подходы для лечения заболеваний мозга. В этом году у премии появилась международная номинация Discovery («Открытие»), которая будет присуждена за важное открытие, повлиявшее на развитие в области науки и технологий. Подача заявок на соискание премии «ВЫЗОВ» 2024 года открыта до 20 мая.
N + 1: На какой стадии сейчас находится проект NICA?
Гамлет Ходжибагиян: Проект на завершающей стадии. Уже закончено изготовление инжекционного комплекса, включая бустерный сверхпроводящий ускоритель. Все магниты коллайдера прошли криогенные испытания, сейчас идет их монтаж в туннеле. В конце 2024 года планируется технологический пуск магнито-криостатной системы коллайдера, а в 2025-м должны уже начать работать на встречных пучках тяжелых ионов.
Зачем на ускорителях магниты
Современные циклические ускорители, такие как Большой адронный коллайдер и NICA, состоят в основном из небольшого количества ускоряющих секций и большого количества магнитов. Например, на БАК суммарная длина ускорительных секций — около 70 метров, а дипольных магнитов — более 18 километров.
Магниты устанавливаются двух типов: дипольные — для удержания частиц на кольцевой орбите, квадрупольные и мультипольные — для фокусировки и корректировки потока частиц. Для создания нужных полей по ним пускаются токи порядка 10 000 ампер (для сравнения: 12-ваттная лампочка работает при силе тока 0,054 ампера). В обычном магните такие токи приводили бы к огромному тепловыделению и плавлению проводника. А так как у сверхпроводящего магнита сопротивление нулевое, то и выделения тепла не происходит.
На коллайдере вы используете сверхпроводящие магниты. Какие преимущества они дают по сравнению с обычными?
Основное преимущество — в уменьшении эксплуатационных затрат на электроэнергию. В зависимости от конкретной конструкции, условий и температуры работы магнита эта разница в 2–5 раз для низкотемпературных сверхпроводящих магнитов и больше чем в 10 раз — для высокотемпературных.
А о каких температурах речь? ЦЕРН для охлаждения коллайдера использует сверхтекучий гелий при температуре 1,9 кельвина, а ваши магниты, насколько я понимаю, работают при более высоких температурах?
Да, магниты коллайдера NICA охлаждаются потоком кипящего гелия при температуре 4,6 кельвина. Рабочая температура накопителя NICA из высокотемпературного сверхпроводящего материала — около 30 кельвин (это температура кипения неона), а температура магнитов Новый Нуклотрон — апгрейд уже существующего ускорителя Нуклотрон, запущенного в ОИЯИ в 1993 году. В коллайдере NICA он служит предускорительным кольцом.
Индуктивные накопители энергии
Еще один важный магнитный компонент ускорителя — индуктивные накопители энергии. Это устройства, которые за счет индуктивности запасают в магнитном поле энергию.
При работе накопителя сначала электрический ток создает в катушке индуктивности магнитное поле. А затем, когда ток уменьшается, энергия, запасенная в поле, высвобождается обратно в цепь в форме электрического тока.
Благодаря управлению процессами заряда и разряда накопители способны обеспечивать мощные кратковременные импульсы тока, требуемые, например, для управления пучками частиц в ускорителе.
Обмотка магнита накопителей энергии NICA тоже из высокотемпературного сверхпроводника и работает при 30 кельвинах, температуре кипения неона.
Процесс создания сверхпроводящего магнита — комплексная задача, требующая участия как криогенных, так и электротехнических инженеров. Как устроен процесс создания дизайна сверхпроводящего магнита от идеи до работающего прототипа?
Вы правы, в процессе создания магнитов участвуют специалисты многих направлений. Постановка задачи обычно исходит от физика — заказчика, формулирующего техническое задание на магнит или систему магнитов. Затем руководитель проекта — другой физик или инженер высокой квалификации — обдумывает и предлагает возможные схемы и варианты решения задачи. На этом этапе физики и инженеры проводят магнитные, прочностные, теплофизические и гидравлические расчеты вариантов конструкции, выбирается вариант для изготовления модельного магнита.
Инженеры-конструкторы и технологи разрабатывают чертежи и технологию изготовления модельного магнита. Затем модельный магнит проходит комплексные криогенные, электрические и магнитные испытания на стенде, обслуживаемом инженерами и специалистами по электрической, вакуумной, криогенной технике и сверхпроводимости. Магнит, успешно прошедший испытания, запускается в серийное производство.
Меня в свое время очень удивил процесс подготовки сверхпроводящих магнитов: чтобы они не вышли из сверхпроводящего состояния, их нужно тренировать, включать поэтапно каждый раз при более высоких токах. Можете рассказать об этом чуть подробнее?
Тренировка сверхпроводящих магнитов заключается в последовательном возбуждении обмотки, при котором увеличивается ток срыва сверхпроводимости. При каждом срыве в определенном месте обмотки снимаются внутренние напряжения, и следующий срыв происходит при более высоком значении тока уже в другом месте обмотки.
Процесс тренировки — один из необходимых пунктов подготовки магнитов при криогенных испытаниях наряду с измерением неоднородности магнитного поля в апертуре, герметичности и гидравлического сопротивления гелиевых охлаждающих каналов или тепловыделений при импульсном режиме работы. После криогенных испытаний на стенде все магниты должны возбуждаться рабочим значением тока без срывов при первой же подаче тока.
Откуда берутся срывы
Ранние срывы сверхпроводимости связаны с внутренними механическими напряжениями в обмотке магнита. Из-за низкой теплоемкости обмотки при криогенных температурах даже малое тепловое возмущение может привести к потере сверхпроводящего состояния. При работе магнита возникают сильные магнитные поля и силы, которые снимают внутренние напряжения в обмотке за счет локального микросдвига в каком-то месте обмотки. С одной стороны, этот микросдвиг компенсирует возмущение, но с другой — приводит к локальному выделению тепла и потере сверхпроводимости. При следующем запуске в этом месте обмотки этого срыва уже не произойдет.
А что будет происходить с производством магнитов в Дубне после окончания строительства коллайдера NICA? Куда будут направлены мощности?
В ОИЯИ уже начаты исследования и разработки по созданию магнитов для замены действующей с 1993 года сверхпроводящей магнитной системы ускорителя Нуклотрон на новую. Это те ВТСП-магниты нового Нуклотрона, про которые я уже говорил. Они предназначены для работы в импульсном режиме. Первые модельные магниты уже успешно прошли криогенные испытания. А на 2026 год намечен запуск серийного производства.
На этих работах как-то сказалась мировая изоляция России?
На самом деле мало что поменялось. Разработка, изготовление и исследования сверхпроводящих магнитов в Дубне проходят в прежнем режиме. Конечно, мы сталкиваемся с трудностями в приобретении западного оборудования и приборов, но они не критичны и решаются заменой на оборудование из дружественных стран.
Но есть другая проблема — бойкотирование оргкомитетами международных конференций и снятие ранее принятых докладов ученых из России. Правда, я думаю, что это наносит вред в первую очередь самим конференциям.
Как вы думаете, какие основные проблемы сейчас в области создания и эксплуатации сверхпроводящих ускорительных магнитов?
Одна из актуальных проблем — создание сверхпроводящих магнитов Сила этого поля совпадает с полем в установках МРТ, а основная инженерная сложность — сделать так, чтобы поле можно было часто и быстро менять. High Intensity Heavy-ion Accelerator Facility — строящийся ускорительный комплекс по исследованию столкновений тяжелых ионов в городе Хуэйчжоу китайской провинции Гуандун.
Вы также участвовали и в разработке магнитов для будущего ускорительного комплекса FAIR в Германии, но в начале 2022 года Германия в течение пары дней разорвала сотрудничество с Россией и наших ученых фактически вышвырнули из проекта, невзирая на многолетний вклад в его развитие. Вы поддерживаете сейчас контакты с коллегами из Германии?
В марте 2022 года по инициативе немецкой стороны действительно были заморожены работы по контрактам на изготовление и криогенные испытания в ОИЯИ около 340 сверхпроводящих магнитов для ускорителя SIS100 в Дармштадте. Ускоритель SIS100 — основная машина международного проекта FAIR, он имеет первостепенное значение для проекта. Так что в конце 2023 года руководство GSI и FAIR пересмотрело свое решение о приостановке работ и обратилось к ОИЯИ с просьбой возобновить работы по контрактам на магниты. Поэтому с февраля 2024 года работы по изготовлению и испытанию магнитов для SIS100 в ОИЯИ были возобновлены. Гамлет Георгиевич отвечал на наши вопросы в начале апреля 2024 года.
Я уверен, что научные контакты между учеными сохранятся, вопреки политическим решениям. И надеюсь, что Дубна станет ниточкой связи российской физики с европейской.
Реклама: Фонд развития научно-культурных связей «Вызов», ИНН 9731116769, erid: LjN8KWCih
Это показало тщательное моделирование на суперкомпьютере
Финский астрофизик показал, что состояния жесткого и мягкого рентгеновского излучения от аккреционного диска черной дыры возникают в зависимости от скорости инжекции массы в него. Для этого он провел тщательное моделирование на суперкомпьютере, включающее все распространенные процессы квантовой электродинамики. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.