Разрабатывается новая система слежения за неустойчивостями пучков на LHC

Безопасная работа на LHC обеспечивается десятками отдельных систем контроля, которые следят как за состоянием самой аппаратуры, так и за поведением протонных пучков, которые циркулируют в коллайдере. Одна из них — это система BPM-датчиков (beam position monitor), которые в реальном времени отслеживают положение пучка вдоль всего ускорительного кольца. Те датчики, которые используются сейчас, представляют из себя полоски-электроды, нанесенные на внутреннюю стенку вакуумной трубы и измеряющие заряд, который пролетающий протонный сгусток наводит на нём своим электрическим полем. Эти датчики, конечно, могут измерить положение протонного сгустка в поперечном сечении вакуумной трубы, но из-за медлительной реакции они не могут показать, что происходит в самом сгустке. А там могут возникать и развиваться разнообразные неустойчивости, которые несут потенциальную опасность и которые тоже хотелось бы отслеживать.

Сейчас в ЦЕРНе разрабатывается новый тип BPM-датчиков, которые смогут справиться с этой задачей. Один из непосредственных участников этой разработки рассказал о ней простыми словами в коллективном блоге Quantum Diaries.

Работают эти датчики совсем на ином принципе, который опирается на электрооптический эффект, то есть на изменение оптических свойств кристалла при приложении к нему электрического поля. Принцип работы, вкратце, следующий. В вакуумной трубе рядом с траекторией пучка расположен кристалл, обладающий двойным лучепреломлением. Через кристалл пропускается лазерный луч и регистрируется фотоприемником. Система поляризаторов на входе и выходе из кристалла настроена так, что в «нормальном» состоянии света на выходе нет, он отсекается поляризаторами. Однако пролетающий мимо протонный сгусток в течение короткого времени воздействует на этот кристалл своим электрическим полем и меняет его оптические характеристики. Как следствие, это влияет на поляризацию лазерного луча на выходе из кристалла, и поляризатор начинает свет частично пропускать. Свет детектируется датчиком, и по этому сигналу определяется положение пролетевшего протонного сгустка.

Самое важное, что все эти эффекты — изменение свойств кристалла, прохождение и регистрация лазерного света — происходят очень быстро, намного быстрее, чем в обычных BPM-датчиках. Поэтому удается не только измерить положение короткого сгустка целиком, но и выяснить его форму — летел ли он прямой «иголочкой» или же изогнутой «змейкой». А значит, можно напрямую видеть те искажения и неустойчивости, которые возникают в сгустке.

Сейчас эта новая система пока доводится до ума. Ожидается, что в 2014 году, перед новым запуском коллайдера, она в тестовом режиме будет установлена если не в самом LHC, то хотя бы в одном из предварительных ускорителей.

В целом же, это небольшой, но симпатичный пример того, как конкретные научные задачи вынуждают специалистов искать новые технические решения и разрабатывать технологии, которые в будущем будут применяться везде, где требуется следить за пучками заряженных частиц. Не исключено, что через десяток лет эти новые датчики станут частью какой-нибудь новой наукоемкой прикладной разработки.