div>
 
 
 

Будова LHC

Автор: admin опубліковано: 23 травня 2009, переглядів: 3503

0
Прискорювач - це установка для розгону пучків елементарних частинок; коллайдер - це такий тип прискорювача, в якому розганяються два пучка частинок в протилежних напрямках і стикаються один з одним. У термінології коллайдер називають також прискорювачем на зустрічних пучках.

З точки зору наукового завдання сам прискорювач виконує тільки півсправи - він лише зіштовхує частинки. Вивченням результатів зіткнення займаються детектори елементарних частинок - спеціальні багатошарові установки, зібрані навколо точок зіткнення. Іноді прискорювачем називають тандем «прискорювач + детектори»; в цьому випадку, треба підкреслити, мова йде саме про прискорювачі, а не про детектори, часто говорять «прискорювальне кільце». На цій сторінці розповідається саме про пристрої прискорювального кільця LHC.

Загальний вигляд


LHC - циклічний (тобто кільцевий) коллайдер; пучки протонов або ядер свинцю циркулюють в ньому безперервно, здійснюючи понад 10 тисяч обертів на секунду і стикаючись на кожному колі із зустрічним пучком. На малюнку показана схема розташування основних елементів ускорітельного кільця LHC.

Будова LHC


Все кільце LHC поділено на вісім секторів, межі яких відзначені точками від 1 до 8. На кожній дільниці (1-2, 2-3 і т. д.) стоять в ряд магніти, управляющие протонної пучком. Завдяки магнітному полю поворотних магнітів згустки протонов НЕ відлітають геть по дотичній, а постійно повертаються, залишаючись усередині ускорітельного кільця. Ці магніти формують орбіту, уздовж якої рухаються Протон. Крім того, спеціальні фокусуються магніти стримують поперечні коливання протонов щодо «ідеальної» орбіти, не даючи їм зачіпати стінки досить вузької (діаметром кілька сантиметрів) вакуумної труби.

Усередині прискорювача йдуть поруч одна з одною дві вакуумні труби, по яких циркулюють два зустрічних протонних пучка, кожен у своєму напрямку. Ці дві труби об'єднуються в одну тільки в спеціально виділених місцях - у пунктах 1, 2, 5, 8. У цих точках відбуваються зіткнення зустрічних протонних пучків, і саме навколо них побудовані чотири основних детектора: два великих - ATLAS і CMS, і два середніх - ALICE і LHCb. Поблизу двох великих експериментів встановлені також два спеціалізованих дрібних детектора - TOTEM і LHCf.

У точці 4 розташована прискорювальна секція. Саме тут протонні пучки при розгоні отримують з кожним обертом додаткову енергію. У точці 6 знаходиться система скидання пучка. Тут встановлені швидкі магніти, які у разі необхідності ведуть пучки по спеціальному каналу геть від прискорювача. В точках 3 і 7 встановлені системи чистки пучка; крім того, ці місця зарезервовані для можливих майбутніх експериментів.

Протонної пучки потрапляють в LHC з попереднього прискорювача SPS. Лінії передачі пучка (Tl2 і Tl8), що з'єднують дві цих кільцевих прискорювача разом зі спеціальними магнітами на кожному з них, складають разом інжекційні комплекс коллайдера LHC (від слова «інжекції» - уприскування пучка). Оскільки на SPS пучок крутится тільки в одну сторону, інжекційні комплекс складається з двох ліній і має несиметричний вигляд. У ускорітельное кільце SPS протонов потрапляють з джерела через ланцюжок ще менших прискорювачів.

Магнітна система LHC


Як і будь-яке тіло, згусток елементарних частинок, наданий сам собі, буде рухатися прямолінійно і рівномірно. Для того, щоб утримувати його на круговій траєкторії усередині прискорювача (а також підтримувати від падіння вниз під дією сили тяжіння), потрібно постійно впливати на пучок магнітним полем.

На LHC для керування пучками використовується кілька тисяч магнітів різного призначення. Саме вони є найважливішою (і найдорожчою) частиною прискорювача. Траєкторія пучків керують поворотні магніти, які злегка розвертають пролетающем крізь них пучок і утримують його всередині кільцевої вакуумної труби. Є також фокусуються магніти, не дають пучка расплиться, і різноманітні корректирующие магніти. В точках інжекції і скидання пучка встановлені спеціальні швидкі магніти.

Інжекційні комплекс


Протон надходять в LHC з попереднього прискорювача SPS ( «Протон суперсінхротрона»). Є дві лінії передачі пучка, які відходять від SPS в двох місцях і підходять до ускорітельному кільцю LHC поблизу точок 2 і 8 (ці лінії називаються Tl2 і Tl8). Інжекційні комплекс - це складна інженерна споруда, працездатність якого залежить не тільки від правильного налаштування магнітної системи, але й від точної синхронізації ритму роботи SPS і LHC.

Інжекції (тобто «уприскування») протонов в LHC відбувається не безперервно, а імпульсами. Під час роботи LHC лінії передачі пустують, а в попередньому прискорювачі SPS накопичується чергова порція протонов. В кінці кожного циклу роботи LHC високоенергетичних пучок скидається, і коллайдер готується до прийому нової порції електронів. Протягом кількох хвилин слід серія імпульсних вмикання і вимикання швидких магнітів на кінцях лінії передачі протонов, в ході яких протонної згустки переводяться з SPS в LHC і один за іншим вибудовуються на свої «позиції» в пучках, не заважаючи вже циркулюють згустком.

Будова LHC


Перед тим як потрапити в SPS, протонов проходять через кілька прискорювачів меншого розміру. Повний ускорітельний комплекс ЦЕРНа описаний на сторінці CERN accelerator complex (див. також коротку схему на рис. 2). Спочатку за допомогою іонізації протонов видобуваються з газоподібного водню, потім їх розганяють до енергії 50 МеВ в лінійному прискорювачі і впорскується в бустер PSB. Там протонов розганяються до енергії 1,4 ГеВ, перераховуються в протонної сінхротрон PS, прискорюються до 25 ГеВ і тільки після цього потрапляють в SPS. У ньому вони розганяються до 450 ГеВ і інжектіруются в LHC. Схожу послідовність прискорювачів проходять і ядра свинцю, правда в їхньому випадку є специфіка, пов'язана з нагріванням і атомізаціей свинцевого зразка та іонізації атомів.

Прискорювальна секція


Протон впорскується в LHC на енергії 0,45 ТеВ і прискорюються до 7 ТеВ вже всередині основного ускорітельного кільця. Цей розгін відбувається під час прольоту протонов крізь кілька резонатором, встановлених в пункті 4.

Будова LHC


Резонатор являє собою полую металеву камеру складної форми (див. рис. 3), всередині якої порушується стоячи електромагнітна хвиля з частотою коливань приблизно 400 МГц. Ефективне і однорідне прискорення всього пучка змінним полем виявляється можливим завдяки тому, що весь пучок розбитий на окремі згустки, наступні на строго певній відстані один за одним. Коли згусток протонов пролітає крізь резонатор, електромагнітне коливання знаходиться саме в такій фазі, щоб електричне поле вздовж осі пучка підштовхувало протонов вперед.

Фаза коливання поля в резонатори налаштована так, що в момент прольоту часток електричне поле не максимально, а наростає. Так робиться для того, щоб автоматично вирівнювати енергію ускоряем частинок. Якщо якийсь Протон випадково виявився більш енергійним, ніж сусіди, він виривається вперед і на наступному колі приходить в прискорює камеру з невеликим випередженням. З-за цього він отримує трохи менше додаткової енергії, ніж інші Протон. І навпаки, якщо Протон випадково втратив трохи енергії і опинився в хвості свого згустки, то при наступному прольоті через ускорітельную секцію він отримав більше енергії. Ця властивість згустки частинок називається автофазіровкой.

Прискорення протонов з енергії інжекції 0,45 ТеВ до 7 ТеВ відбувається досить повільно, приблизно за 20 хвилин. Швидкість цього процесу обмежена зовсім не потужністю ускорітельной секції, а швидкістю посилення магнітного поля в поворотних магнітах - адже воно має рости синхронно з енергією часток для того, щоб утримувати їх у вакуумній трубі незмінного радіусу.

Коливання електромагнітного поля в резонатори породжують сильні струми, що течуть по поверхні камери. Для того, щоб уникнути теплових втрат енергії, резонатори на LHC теж працюють в надпровідних стані при температурі 4,5 К (-268,7 ° C). Втім, внутрішня поверхня резонатора не ідеальна і неминуче містить маленькі дефекти, на яких виділяється тепло. Але оскільки резонатори зроблені з міді, це тепло швидко відводиться.


Система скидання пучка


Протонний пучок на повній енергії та інтенсивності володіє великою руйнівною силою (уявіть собі енергію летить реактивного літака, сфокусованих в поперечнику менше міліметра). В нормі пучок циркулює всередині вакуумної камери і не зачіпає апаратуру. Однак якщо в управляющей магнітної системі відбудеться збій або траєкторія пучка занадто сильно відхилився від розрахункової, пучок стане небезпечним, і його потрібно буде швидко скинути. Крім того, скидання змученому пучка треба робити кожні кілька десятків годин і при нормальній роботі прискорювача.

Будова LHC


Усім цим займається спеціальна система скидання пучка, встановлена в пункті 6. У ній розміщені спеціальні швидкі магніти, які при необхідності включаються в лічені мікросекунди і злегка відхиляють пучок. В результаті протони виходять з кругової орбіти, потім пучок дефокусуєтся, по спеціальному каналу йде геть від прискорювача і в окремому залі безпечно поглинається масивними карбон-композитними блоками (блоки від цього сильно нагріваються, але не плавляться).

Вакуумна і кріогенна техніка, система контролю та безпеки


Для того щоб протонної пучки могли вільно циркулювати в LHC, всередині прискорювальної труби створений надглибокий вакуум. Тиск залишкових газів становить близько 10-13 атм. Однак навіть при такому низькому тиску час від часу відбувається зіткнення протонів з молекулами залишкового газу, що скорочує час «життя пучка» до декількох днів.

Будова LHC


Незважаючи на те, що вакуумна труба невелика, радіусом приблизно 5 см, вона дуже довга, так що повний обсяг, що підлягає вакуумування, порівнянний з великим будинком. Крім того, з-за численних контактів і з'єднань, а також із-за великої площі внутрішньої поверхні вакуумної камери завдання з підтримання потрібного вакууму виявляється дуже непростою.

Ще однією важливою частиною інфраструктури прискорювача є кріогенна система, охолоджуюча ускорітельное кільце. Вона підтримує в поворотних магнітах (а також в деяких інших елементах) температуру 1,9 К (тобто -271,25 ° C), при якій надпровідників безпечно тримає потрібний струм і створює потрібне магнітне поле. Для підтримки робочої температури прискорювача використовується унікально висока теплопровідність сверхтекучего гелію. За гелієвих каналу на LHC можна передавати киловатты теплового потоку при перепаді температур всього 0,1 К на відстані в кілометр!

Кріогенна система на LHC багатоступінчаста. Для охолодження використовується 12 мільйонів літрів рідкого азоту і майже мільйон літрів рідкого гелію. LHC в ході роботи буде споживати 2-3 вантажівки рідкого азоту і близько 500 літрів рідкого гелію в день.

В точках 3 і 7 розташовані пристрої для «чищення» пучка. Коли протонної пучок рухається всередині вакуумної труби, то протонов коливаються в поперечної площині, і деякі з них можуть відхилитися від ідеальної траєкторії досить далеко. Такі «блудні» Протон (на мові фізиків - «гало пучка») можуть зачепити стінки вакуумної труби або апаратуру. Навіть якщо це буде мізерна частка від всього протонної пучка, вони можуть локально нагріти або навіть пошкодити апаратуру. Наприклад, локальне енерговиділення всього в декілька сотих часток Джоуль на кубічний сантиметр здатне викликати перехід поворотного магніту з надпровідних в нормальний стан, що приведе до термінового скидання пучка.


Будова LHC
Колліматор із зімкнутими «щелепами» (зазор між ними не перевищує декількох міліметрів). Вид вздовж осі пучка. Фото з сайту lhc-collimation-project.web.cern.ch


Система чистки пучка механічно відсікає гало пучка. Для цього в безпосередню близькість до пучка (на відстань усього кілька міліметрів!) підсовуються масивні блоки - «щелепи» колліматора. Вони поглинають «гуляючі» протони, але не заважають основній частині пучка. Втім, «відрубані» протони теж небезпечні - вони сильно нагрівають матеріал колліматора, а також спричиняють виникнення на ньому потоку часток більш низької енергії («вторинне гало»), що теж доводиться відсікати вторинними колліматорами.

Категорія: Матеріали для уроків » Великий адронний коллайдер

Шановний відвідувач, Ви зайшли на сайт як незареєстрований користувач.
Рекомендуємо Вам зареєструватись або увійти на сайт під своїм іменем.
Інформаційне повідомлення
Відвідувачі, які знаходяться в групі Гості, не можуть залишати коментарі в даній статті.