Читать интересную книгу Компьютерра PDA 17.07.2010-23.07.2010 - Компьютерра

- Во-первых, большинство западных институтов ничего не производят, они имеют штат либо физиков, либо эксплуатационщиков, но у них нет штата разработчиков и производственных мощностей. А ИЯФ в свое время, обзаведясь экспериментальным производством, заводом, где станочников в лучшие времена было порядка тысячи человек, производил для себя все сам. На заре физики высоких энергий, являясь одним из пионеров в этой науке, именно ИЯФ предложил сталкивать между собой пучки в циклических машинах. Это была идея Г.И. Будкера, и впервые её реализовали в 1963 году. Через несколько месяцев подобная маленькая машина, периметр которой составлял несколько метров, независимо была создана в Стэнфорде, в Штатах. Все основные принципы были заложены Г. И. Будкером, А. Н. Скринским, В. В. Пархомчуком, нашими физиками. Сейчас ими пользуется весь мир, в том числе и системами фокусировки и охлаждения протонных и ионных пучков. На сегодняшний день к институту прислушиваются в ускорительном сообществе. Он поставляет свои разработки во многие научные центры. К примеру, для LHC Россия поставила в CERN оборудования примерно на 150 миллионов швейцарских франков, из них на 130 миллионов поставил ИЯФ, то есть примерно 80% от всего российского вклада в LHC. А что касается детекторов, здесь уже поставлял оборудование и ИЯФ, и Дубна, и Курчатовский институт (у них нет своих детекторов, но они туда отправляли физиков), и Протвино, и Гатчина. Сюда же и Белоруссия что-то вложила, и Украина понемножку. Нельзя сказать о большем вкладе ИЯФ в части детекторов, но с точки зрения вклада в LHC - почти 5% его построено Россией, из которых бóльшая часть - ИЯФ'ом. Это довольно заметный вклад.

- До какой энергии сейчас разгоняют пучки? Собираются ли её повышать?

- Проектная энергия LHC 7 ТэВ - это энергия, до которой возможно разогнать частицы в коллайдере, но на неё в ближайшее время выходить не будут. Сейчас работают на 3,5 ТэВ на пучок. В будущем, примерно к 2015 году, будет 7 ТэВ на пучок, и, соответственно, 14 ТэВ в месте встречи.

Я сразу поясню, почему остановились на вдвое меньшей энергии. Два года назад была авария. Что произошло? Все кольцо поделено на восемь секторов; один сектор это 154 дипольных магнита, соединенных последовательно между собой и работающих на токе в 12000 А. Это колоссальный ток, при этом энергия, которая запасается в магнитном поле, - 1,33 ГДж, что эквивалентно 200 кг тротила. Между всеми магнитами есть соединения сверхпроводящего кабеля – это расположенные внахлест сверхпроводящие шины, спаянные олово-серебряным припоем, которые находятся там же, в криостате при 2 К.

Причиной аварии стал человеческий фактор: одно из соединений оказалось плохо пропаяно. Чтобы никто не обижался, не буду говорить, из какой страны была бригада монтажников (это были не российские монтажники), но они пропаяли в некоторых местах очень плохо. И на момент до запуска LHC считалось, что пайка – это очень простая вещь по сравнению с самими магнитами, к тому же, это та область, в которой хорошо отработаны технологии.

Место аварии: видно, как расплавились и испарились токоведущие шины (сверхпроводящие в медной рубашке)

Место аварии: видно, как расплавились и испарились вакуумные камеры, по которым проводятся пучки

- Как же допустили такую оплошность?

- Это оплошность только с точки зрения человеческого фактора. Проблема-то в чем? Это то, с чем мы сейчас и в России сталкиваемся. Любая организация, чтобы провести дорогостоящие работы (услуги) или купить дорогое оборудование, устраивает конкурс либо на работы, либо на оборудование. По этим же законам живут бюджетные организации за рубежом. Наш ИЯФ, кстати, тоже предлагал свое участие в этих работах. ИЯФ доверяли очень сложные вещи, но соединения между магнитами - это настолько большой объём ручного труда, что эту работу решили отдать в страну, которая является членом CERN (Россия такой не является). Как только прокручивались разово большие деньги, извиняюсь за жаргон, за "тупую" работу, такие деньги предпочитали оставлять в Европе, это с одной стороны. С другой стороны, конкурс всегда выигрывает компания, попросившая меньше денег за выполнение. После этого зачастую компания-победитель начинает на всем экономить: нанимают совершенно неквалифицированный персонал, который плохо выполняет свою работу.

- Казалось бы, CERN всё-таки...

- Дело в том, что речь идет о действительно огромных объёмах работ, и примитивные вещи все же происходили. Например, было странно, когда роняли наше оборудование. На такелажные работы выиграла конкурс фирма, которая вообще нанимала марокканцев, они роняли наши магниты (и мое оборудование тоже). Потом мы получали на это страховку, восстанавливали. В данном случае дело в том, что физики и научные сотрудники CERN не могут с этим что-либо сделать. Есть мощный чиновничий аппарат, который отслеживает процесс проведения конкурсов, выбирает фирму-победителя конкурса, и какое-либо вмешательство неподвластно людям, которые стоят у истоков самой машины и систем безопасности в частности.

Сама машина продумана очень хорошо, всё оборудование, которое действительно должно было быть сделано качественно, делалось в надежных институтах и компаниях. А вот сервисные работы велись сторонними организациями, не всегда достаточно квалифицированными. В итоге 19 сентября 2008 года на последнем секторе, где шли испытания, одно из бракованных соединений стало греться, и участок сверхпроводящего кабеля вышел из состояния сверхпроводимости. Но, как оказалось, помимо брака при пайке сверхпроводника на сверхпроводник, был ещё и брак при пайке сверхпроводника на шунтирующую медную шину.

Выглядит это следующим образом: сверхпроводящая шина вставлена в медную рубашку, чтобы в случае, если состояние сверхпроводимости пропадет, порядка нескольких сотен секунд ток мог бы течь по медной рубашке, которая не успевает за это время сильно нагреться. При этом срабатывает система защиты, энергия, запасенная в магнитах, выводится за эти несколько сотен секунд во внешний балластный резистор, и все спокойно работает дальше. Системы защиты это отслеживают. В тот раз она тоже сработала и начала вывод энергии в течение нескольких сотен секунд, но кроме плохого контакта сверхпроводника на сверхпроводник оказался ещё и плохой контакт на медь в месте соединения. В итоге участок стал сильно греться, часть его расплавилась, и цепь разорвалась. А индуктивные цепи рвать под током нельзя, потому что энергия, которая запасена в магнитном поле, не может просто так исчезнуть, она должна куда-то выделиться: либо наружу вывестись, либо преобразоваться в энергию электрического поля, приведя тем самым к пробою - электрической дуге. Килограммы в тротиловом эквиваленте могли вылиться в такую дугу, но к счастью сработала система защиты, и в итоге энергию можно оценить в сотню граммов в тротиловом эквиваленте, но никак не в 200 кг. Последствия же взрыва такие, что участок метровой длины токоведущей части не просто расплавился - он испарился. Испарились в месте аварии вакуумные камеры, сильфоны. Это нарушило целостность криогенной и вакуумной систем. Произошла утечка гелия, но когда она началась, сработала система защиты и по криогенике тоже. Если оценить запас энергии в 200 кг в тротиловом эквиваленте, которые могли взорваться, а взорвалось порядка ста граммов, то это очень небольшая авария, благодаря как раз системам защиты, которые сработали. Но если бы не было такой банальной ошибки из-за человеческого фактора, не было бы и такой аварии.

Это очень показательно, и наверно, в каком-то смысле эффект аварии можно назвать положительным, потому что после неё всё проанализировали заново. Теперь проверяют каждое соединение, измеряя мизерные сопротивления порядка 1 наноома. Более того, система защиты отслеживает их в реальном времени.

- Они не все были сделаны одинаково плохо?

- Они не все были сделаны одинаково плохо, но все они были сделаны одними людьми. Порядка десяти заменили в 2009 году, потому что они были совсем плохие - у них сопротивления отличались в десятки раз от нормы. Оказалось даже, что в одном месте вообще забыли спаять. Такие вещи устранили. Осталось небольшое количество участков, где сопротивление чуть выше нормы, из-за этого никто коллайдер останавливать не будет, так как не хочется останавливать, не начав работать. Поэтому выбрали 3.5 ТэВ. Если где-то есть не заведомо бракованные, а просто сомнительные контакты, то они выживут с запасом на этой энергии. Сначала хотели пониматься на 5 ТэВ, потом решили, что безопаснее на 3.5. На этой энергии проработают 1.5 года, то есть примерно до конца 2011 года.

- Потому, что нужно убедиться, что не будет поломок?

- Нужно поработать, узнать, какие ещё есть баги. Не бывает огромной машины без ошибок, в этом и заключается понятие выхода на проектные параметры. У Tevatron официальный commissioning закончился в 1983 году, а вышел на проектные параметры только в двухтысячных. В девяностые годы был бардак, пока не пришли, кстати, русские физики, которые учились в нашем ИЯФ. Владимир Шильцев, например, заканчивал Новосибирский государственный университет, работал в нашем институте, затем уехал сначала в Германию, потом в США, и в начале двухтысячных стал техническим директором Tevatron. К тому времени Department of energy поставил жесткий ультиматум: либо вы прекращаете получать финансирование, либо вы показываете проектные параметры. И за несколько лет провели очень мощную реорганизацию всего комплекса, и эту машину вывел на проектные параметры наш бывший ияфовец.