Магнитная система LHC

Как и любое тело, сгусток элементарных частиц, предоставленный сам себе, будет двигаться прямолинейно и равномерно. Поэтому для того, чтобы удерживать его внутри ускорительного кольца, требуется постоянно воздействовать на пучок.

Удобнее всего это делать с помощью магнитного поля. Электрически заряженные частицы, пролетая сквозь область магнитного поля, поворачиваются в плоскости, перпендикулярной полю. Угол поворота зависит от силы поля и от импульса частиц. Благодаря этому можно конструировать магниты, которые будут выполнять самые разные задачи по управлению пучком: поворачивать, фокусировать или корректировать его орбиту (см. полный список магнитов для LHC).

Поворотные магниты

Поворотные магниты — это мощные электромагниты, стоящие вдоль всего ускорительного кольца и направляющие протонные пучки по узкой вакуумной трубе. Внутри трубы они создают магнитное поле перпендикулярно плоскости ускорительного кольца и с его помощью поворачивают пролетающие мимо протоны на небольшой угол.

Рис. 1. 15-метровый поворотный магнит спускают в шахту для установки на LHC. Фото с сайта press.web.cern.ch

Поворотные магниты создавались для LHC по уникальной технологии. Во-первых, из-за того, что надо поворачивать два встречных пучка протонов, пришлось делать не один, а два магнита с противоположными полярностями под единой оболочкой. Во-вторых, для того, чтобы минимизировать соединения между магнитами, их сделали очень длинными — длиной почти 15 метров. Подчеркнем, что провода наматывались вовсе не вокруг вакуумной трубы, а вдоль нее — именно так можно создать магнитное поле, перпендикулярное плоскости кольца.

Рис. 2. Поперечное сечение поворотного магнита. Рисунок из статьи Oliver Brüning, Paul Collier «Building a behemoth» // Nature 448, 285–289 (19 July 2007)

Всего на LHC установлено 1232 таких магнитов. Это сверхпроводящие магниты, сделанные из низкотемпературного сверхпроводника ниобий–титан и рассчитанные на работу при температуре 1,9 К. Каждый из них может держать до 11 килоампер тока и создавать магнитное поле с индукцией 8,3 тесла — в сотню тысяч раз больше, чем магнитное поле Земли. Полная энергия, запасенная в одном магните, составляет примерно 10 МДж. Ниобий-титановые кабели состоят из множества тончайших волокон, в 10 раз тоньше человеческого волоса; полная длина всех волокон, созданных для LHC, превышает расстояние от Земли до Солнца. В течение нескольких лет на создание волокон для LHC уходило свыше четверти всего производимого в мире ниобий-титанового сплава.

Рис. 3. Длинные обмотки сверхпроводящего электромагнита в стальных воротниках. Фото с сайта lhc-machine-outreach.web.cern.ch

К поворотным магнитам предъявляются очень строгие требования.

• Они должны создавать очень сильное магнитное поле: чем сильнее магнитное поле, чем более высокоэнергетические протоны можно удержать внутри кольца заданного радиуса. Сверхпроводящие дипольные магниты, использующиеся на LHC, создают магнитное поле вплоть до 8,2 тесла. Именно это число и определяет максимальную энергию протонов на LHC — 7 ТэВ.
• Магнитное поле должно быть очень однородным по всему сечению вакуумной трубы, иначе чуть отклонившиеся протоны уже начнут заворачиваться по слегка иному радиусу и «не впишутся» в вакуумную трубу (радиус вакуумной трубы составляет всего 5 см, а радиус кольца — 4 км!).
• Как и во всяком синхротроне, сила магнитного поля должна плавно подстраиваться под энергию протонов. Поэтому она должна быть легко управляема.
• Из-за того что используются сверхпроводящие электромагниты, необходимо принять меры безопасности, связанные с переходом из сверхпроводящего состояния в нормальное. В сверхпроводящем состоянии сильный ток циркулирует в обмотках электромагнита без затухания и не нагревает его. Однако если какой-то участок обмотки слегка нагрелся, например из-за попадания пучка протонов, то он перейдет в нормальное состояние, обретет ненулевое сопротивление, и на нём начнет выделяться тепло, которое быстро разрушит магнит.
  Чтобы этого избежать, дипольные магниты спроектированы таким образом, что, как только начинается локальное выделение тепла, сразу по всему магниту включаются «нагреватели», которые быстро переводят весь магнит целиком в нормальное состояние. В этом случае вся запасенная в магните энергия (7 мегаджоулей) выделяется не локально в магните, а сбрасывается на специальном демпфирующем резисторе и не приводит к каким-либо разрушениям. Этот процесс называется «гашением тока» (по-английски — «quench»); все магниты, установленные в LHC, проверялись на безопасное гашения тока. Авария, случившаяся на LHC 19 сентября 2008 года, при которой около 100 магнитов безопасно перешли в нормальное состояния с гашением тока, невольно послужила хорошей проверкой этой системы.

Фокусирующие магниты

Поскольку пучки состоят из положительно заряженных протонов, они стремятся разойтись в стороны из-за электрического отталкивания между протонами. Чтобы это предотвратить, пучки требуется фокусировать. Отчасти эту задачу выполняют поворотные магниты: в них поле устроено так, чтобы частицы, отклонившиеся от оптимальной траектории, возвращались к ней.

Рис. 4. Торец квадрупольных магнитов LHC. Четыре обмотки с чередующейся полярностью на каждой вакуумной трубе оказывают на пучок фокусирующее или дефокусирующее воздействие. Фото с сайта irfu.cea.fr

Однако перед точками столкновений очень важно сфокусировать пучки как можно лучше. Чем меньше поперечный «размер фокуса», тем больше вероятность столкновений протонов друг с другом, а значит, тем выше светимость ускорителя. Уменьшение поперечного размера пятна в 2 раза приводит к увеличению светимости в 16 раз (то есть один и тот же эксперимент можно вместо одного года провести за пару недель).

Рис. 5. Специальные магниты, использующиеся в системе сброса пучка. Протонный пучок на своем пути проходит через специальный магнит — септум (1). В нём близко друг к другу расположены два канала: один с сильным магнитным полем, второй — без поля. В норме пучок идет по каналу без поля. Однако в случае необходимости кикер (2) резко включается и смещает пучок в канал с магнитным полем. В этом случае протонный пучок на выходе идет уже по другому пути. Он проходит через расфокусирующий магнит (3) и затем направляется в специальный зал, где он поглощается массивными блоками (4). Рис. с сайта www.symmetrymagazine.org

Эта фокусировка пучков перед точками столкновений осуществляется «магнитными линзами» — фокусирующими квадрупольными магнитами. Эти магниты длиной свыше трех метров создают внутри вакуумной трубы перепад магнитного поля 223 тесла/метр. У квадрупольного магнита есть важное отличие от обычной оптической линзы — он может фокусировать пучок в вертикальной плоскости, дефокусируя его в горизонтальной, или наоборот. Поэтому для того, чтобы сфокусировать пучок в обоих направлениях, требуется использовать комбинацию из нескольких квадрупольных магнитов разного действия.

Магниты специального назначения

В месте инжекции протонов в кольцо LHC, а также в точке сброса пучка стоят специальные магниты — кикеры (англ. «kickers») и септумы (англ. «septa», мн. ч. от «septum»). В ходе нормальной работы LHC эти магниты выключены, а включаются они только в тот момент, когда очередной сгусток протонов «впрыскивается» в LHC из предварительного ускорителя или когда пучок выводится из ускорителя.

Главная особенность этих магнитов в том, что они включаются очень быстро, примерно за 3 микросекунды — это намного меньше, чем время полного оборота пучка по LHC. Если, скажем, система слежения за пучком обнаружила, что он вышел из-под контроля и начинает задевать аппаратуру, то эти магниты включаются в точке 6 и быстро выводят пучок из ускорителя.

Дополнительная литература:

• Lyndon Evans, Philip Bryant. LHC Machine // Journal of Instrumentation, 3, S08001.