Модернизация вершинного детектора в LHCb потребует новой технологии охлаждения

Большой адронный коллайдер с полным правом может считаться самым сложным научным прибором, когда-либо созданным человеком. Он состоит из сотен отдельных взаимодействующих установок, элементов ускорителя, детекторных компонентов, обслуживающих систем — и над созданием каждого такого блока годами работали специалисты. Сейчас коллайдер успешно функционирует, однако в ближайшее десятилетие ему предстоят два сеанса существенной модернизации, которая позволит ему справляться со всё возрастающими нагрузками. Физики и техники уже давно работают над новыми технологиями, которые придут на смену нынешним буквально во всех узлах коллайдера и детекторов.

В архиве е-принтов на днях появилась статья, описывающая новую технологию охлаждения вершинного трекера VELO в детекторе LHCb, которая будет внедрена в 2018 году. Это лишь один маленький кирпичик всей программы модернизации, но он очень наглядно иллюстрирует уровень технологической сложности.

Немножко конкретики. VELO — это первый, самый близкий к пучку слой детектора LHCb. В рабочем состоянии он придвинут к пучку на расстояние 7 миллиметров (а весь пучок, напомним, обладает кинетической энергией реактивного самолета). Этот слой детектора получает огромные дозы радиации, но его чувствительные элементы и расположенная на нём электроника должны безукоризненно функционировать в таких жестких условиях месяцами без остановки.

С учетом повышения светимости, которое запланировано на будущее, требования к радиационной стойкости VELO только растут. В частности, возникает вопрос о более эффективном способе охлаждения детектора. Электроника VELO рассеивает в пространство примерно киловатт тепла, но несмотря на это поддерживать ее надо при температуре –20 градусов по Цельсию! Вышедшая на днях статья как раз описывает высокоэффективную и при этом исключительно миниатюрную реализацию охлаждения, разрабатываемую сейчас специально созданной группой.

Предполагается, что в модернизированном VELO прямо в кремниевых пластинах субмиллиметровой толщины, на которых монтируются детектирующие элементы, будут вытравлены микроканалы. По этим каналам будет подаваться сжиженный углекислый газ, который будет протекать прямо внутри платы и при испарении охлаждать ее. Давление внутри каналов при этом будет доходить до 65 атмосфер (высокое давление неизбежно возникает там, где требуется проталкивать жидкость по длинным и узким каналам). Первый прототип, реализующий эту технологию, уже был создан и успешно протестирован. Дополнительные технические подробности, а также планы на будущее см. в статье.