Успешно прошли криогенные испытания первого сверхпроводящего магнита для российского коллайдера

Проект NICA – проект создания суперпроводящего коллайдера на базе нуклотрона Лаборатории физики высоких энергий Объединенного института ядерных исследований.

С 16 по 20 мая в Лаборатории физики высоких энергий проводились криогенные испытания первого сверхпроводящего магнита для бустера Нуклотрона, будущего промежуточного кольца ускорителя. Как известно, проект NICA включает в себя несколько колец — кольцо бустера, в котором проходит промежуточное ускорение, затем пучок инжектируется в Нуклотрон-М, а дальше направляется в коллайдер, состоящий из двух встречных колец. Мы попросили Гамлета Георгиевича ХОДЖИБАГИЯНА, главного инженера установки, лауреата премии Правительства РФ в области науки и техники за 2010 год, рассказать об испытаниях первого дипольного магнита для бустера Нуклотрона и истории создания уникальных дубненских сверхпроводящих магнитов.

Гамлет Георгиевич, расскажите, что сейчас происходит здесь, в корпусе 203-А, на стенде для криогенных испытаний сверхпроводящих магнитов?

Здесь проходят испытания полномасштабного прототипа дипольного магнита для бустера Нуклотрона. После того как мы проведем цикл испытаний и выясним, какие характеристики нас устраивают в этом магните, а какие необходимо привести в соответствие с заданными требованиями, будут внесены необходимые изменения в конструкцию и запущено серийное производство магнитов. Всего планируется создать 40 дипольных магнитов длиной 2,2 метра, с апертурой шириной 130 мм и высотой 68 мм для расположения пучковой камеры. С целью уменьшения габаритов магнита и тепловыделения при его работе в импульсном режиме обмотка магнита выполнена однослойной и изогнутой по радиусу ускорителя 14,1 м. Вес этого магнита около 850 кг.

А.Р.Галимов, Г.Г.Ходжибагиян и В.Н.Карпинский — обсуждение очередного этапа испытаний.

Где он был изготовлен?

Сначала он был разработан в нашей лаборатории, затем детали ярма были изготовлены в НПО «Атом», а сборка и финишная обработка произведены в наших лабораторных мастерских. Сверхпроводящий кабель и обмотку магнита изготовили в ЛФВЭ на специальном оборудовании.

Но так будет не всегда. После ряда испытаний и доработки конструкции магнит будет запущен в серийное производство. Ярмо магнита будет полностью изготавливаться в промышленности — ООО «НПО „Атом“, ЗАО „ВНИТЭП“, ОАО „СМЗ“ или на другом заводе, а обмотка — в ЛФВЭ. Кроме дипольных магнитов для бустера Нуклотрона планируется разработать и изготовить также 48 квадрупольных магнитов. В настоящее время ярмо квадрупольного магнита уже собрано и производится его финишная обработка на фрезерном станке.

Какая разница между этими видами магнитов?

Дипольный магнит создает магнитное поле, направленное вертикально. Заряженная частица, проходя в таком поле, отклоняется в горизонтальной плоскости и удерживается пондеромоторными (электромагнитными) силами на кольцевой орбите. А квадрупольный магнит предназначен для фокусировки пучка заряженных частиц.

Гамлет Георгиевич, пока вы ждете очередной поставки жидкого гелия, расскажите, что это за магниты типа Нуклотрон, чем они отличаются от других?

Проект Нуклотрон стартовал в ЛВЭ в начале 70-х, и поначалу планировалось строить его на так называемых магнитах типа Cos. До настоящего времени магнитные системы всех сверхпроводящих циклических ускорителей, кроме Нуклотрона, сделаны на такого типа магнитах — Tevatron (первый в мире сверхпроводящий ускоритель) в США, HERA в Германии, RHIC в США, LHC в ЦЕРН… Были еще неосуществленные проекты — УНК в России и проект SSC в США, но они тоже все базировались на магнитах типа Cos, первый из которых был сделан в лаборатории имени Ферми, США. В отличие от магнитов указанного типа, у нас в Дубне был предложен, доведен до рабочего состояния и использования принципиально другой тип магнита — его на Западе называют „суперферрик“, или магнит типа Нуклотрон. До последнего времени для сверхпроводящих синхротронов нигде кроме как в Дубне их больше не использовали. Только сейчас в Германии, в Дармштадте, новый проект FAIR предполагает создание в GSI сверхпроводящего синхротрона SIS100 из магнитов типа Нуклотрон.

Чем же они отличаются от, скажем так, традиционных?

Если под традиционными понимать обычные „теплые“ магниты, работающие при температуре окружающей среды, то тем, что вместо меди в обмотке магнита используется сверхпроводник. Эту идею в 1973 году принес в ЛВЭ Игорь Александрович Шелаев. Ярмо магнита изготавливается из железа и имеет форму оконной рамы. Обмотка изготавливается из кабеля прямоугольного сечения, скрученного из сверхпроводящих проводов и обернутого электроизоляционным материалом. Такой сверхпроводник получил название кабель Резерфордовского типа. В 1974 году в нашей лаборатории был сделан и на этом же криогенном стенде испытан первый модельный магнит типа оконная рама со сверхпроводящей обмоткой и погружной системой охлаждения, то есть магнит погружался в ванну с кипящим гелием. Из таких магнитов в ЛВЭ был сделан модельный синхротрон СПИН, послуживший школой создания Нуклотрона. Относительно простой в изготовлении и недорогой магнит для ускорителя СПИН размещался в сложном и ненадежном криостате с большим объемом жидкого гелия внутри разборного гелиевого сосуда. С целью упрощения системы охлаждения магнита в 1978 году Анатолий Алексеевич Смирнов предложил использовать для магнитов типа оконная рама трубчатый сверхпроводящий кабель. При изготовлении кабеля Резерфордовского типа сверхпроводящие провода скручивают по спирали вокруг детали цилиндрической формы (отрезка трубки), а затем пучок скрученных проводов прокатывают в вальцах, придавая сечению кабеля прямоугольную форму. А.А.Смирнов предложил после намотки проводов на трубку припаять их к ней и пропускать охлаждающий гелий по каналу трубки. Такое предложение было принято, и мы начали моделировать магниты. В результате исследований и оптимизации конструкции был разработан магнит типа Нуклотрон, имеющий ярмо при 4,5 К в форме оконной рамы из листовой трансформаторной стали и обмотку из трубчатого сверхпроводника, охлаждаемую потоком двухфазного гелия. Для уменьшения динамических тепловыделений трубка кабеля изготавливается из мельхиора, а тепловой контакт трубки с проводами вместо припайки обеспечивается с помощью бандажной проволоки.

Магниты типа Нуклотрон имеют одно существенное ограничение — магнитное поле в апертуре не должно превышать величину 2 Тл из-за эффекта насыщения железного сердечника, формирующего поле в зазоре. Традиционные для сверхпроводящих синхротронов магниты типа Cos, поле в апертуре которых формируется обмоткой, позволяют иметь большее значение поля. Так, в магнитах Tevatron, HERA и RHIC величина магнитного поля в апертуре около 4-5 Тл, а LHC и того выше — 8 Тл. Ограничение максимальной величины поля можно рассматривать как недостаток наших магнитов. А дальше идут только одни преимущества. И главным преимуществом магнита типа Нуклотрон являются хорошие условия охлаждения его сверхпроводника, позволяющие работать магнитам с рекордной скоростью изменения поля до 8 Тл/c и выше с минимальной (около 8 процентов) деградацией критического тока. Магнит сравнительно легко изготовить (мы магнитную систему Нуклотрона делали практически только с помощью Опытного производства ОИЯИ и лабораторных мастерских). Достаточно просто получить хорошее качество поля в апертуре, поскольку оно формируется железным ярмом, а не прецизионной обмоткой, как в магнитах типа Cos, и много других преимуществ.

Если не возражаете, давайте поясним, для чего нужен жидкий гелий и почему используется именно он?

Потому что сверхпроводимость существует при определенных условиях. В первую очередь, это низкая температура. Совсем недавно мы отмечали столетие с момента открытия сверхпроводимости. Была открыта она при температуре жидкого гелия и до середины 80-х годов вновь открываемые сверхпроводники имели рабочую температуру, близкую к температуре жидкого гелия при атмосферном давлении — 4,2 К. Сплавы, из которых стали делать сверхпроводящие магниты, были открыты в 60-х годах. Это в первую очередь NbTi, из которого сделан сверхпроводящий кабель ускорителя Нуклотрон и всех других сверхпроводящих синхротронов на настоящий момент, затем Nb3Sn. В 1986 году была открыта так называемая высокотемпературная сверхпроводимость, существующая при температуре, близкой к температуре кипения азота при атмосферном давлении (около 80 К). За нею будущее, конечно. В перспективе такие сверхпроводники заменят низкотемпературные, но пока они очень дороги и имеют некоторые физические и технологические характеристики, сдерживающие их широкое применение. Хотя высокотемпературная сверхпроводимость развивается очень бурно, но применительно к магнитам ускорителей мы пока по-прежнему ориентируемся на низкотемпературную сверхпроводимость. Как Нуклотрон, так бустер и коллайдер NICA будут созданы с применением сверхпроводников из сплава ниобия с титаном.

Криогенные испытания полномасштабного прототипа сверхпроводящего дипольного магнита для бустера NICA.

И какие преимущества дала технология, когда гелий подается в трубку обмотки?

То, что у нас жидкий гелий только в трубочке вместо криостата, сильно упростило конструкцию. Не нужно изготавливать гелиевый сосуд, у криостата остается только вакуумный кожух и тепловой экран. При этом гораздо легче обеспечивается криогенная безопасность в случае возникновения аварийной ситуации. Видели, наверное, репортаж по ТВ об аварийной ситуации на LHC. Тогда в результате перехода магнитов из сверхпроводящего состояния в нормальное и из-за сбоя в системе эвакуации энергии произошли резкое повышение давления гелия, разгерметизация гелиевого сосуда криостата, и много гелия „выплеснулось“ наружу. Можно сказать, это был взрыв, из-за резкого изменения плотности гелия (гелий в жидком виде занимает объем в 700 раз меньший, чем при комнатной температуре). Для магнитов типа Нуклотрон такие последствия при аварийной ситуации исключены — небольшое количество гелия находится внутри канала трубки, допускающей давление более 100 атм.

Как дальше развивалась технология?

В начале 1979 года был испытан первый трубчатый магнит. Поначалу сверхпроводник в кабеле был припаян мягким припоем к трубочке. Потом, чтобы уменьшить потери энергии и увеличить экономичность, мы отказались от пайки, решили закреплять проводник на трубочке с помощью бандажа из мельхиоровой проволоки и совершенствовали дальше конструкцию магнита. Первые же эксперименты показали очень хорошие условия охлаждения проводника.

Это дало такие преимущества, которых нет сегодня у других сверхпроводящих магнитов для синхротронов. Государственная премия была присуждена, в том числе, за это преимущество магнитов типа Нуклотрон — возможность работать с большой частотой повторения циклов, или с большой скоростью изменения поля, которая во много раз больше, чем у магнитов типа Cos.

В нашем случае сверхпроводник прижимается к трубке с гелием, то есть охлаждающий канал отделяет от сверхпроводника металлическая мельхиоровая стенка. Поэтому тепло, которое возникает в сверхпроводнике при импульсном изменении поля, «стекает» к жидкости через металлическую стенку. А в кабеле Резерфордовского типа проводник сверху покрыт изоляцией, которая имеет теплопроводность во много раз меньше, чем металл. Через металлическую стенку, в нашем случае, охлаждение проходит во много раз лучше. Экспериментально мы определили, что можем работать на больших (8 Тл/c) скоростях изменения поля и критический ток кабеля снижается всего на несколько процентов. В магнитах типа Cos, если задать такую скорость изменения поля, кабель сильно нагреется и критический ток в магните уменьшится в несколько раз.

Вы упомянули о сотрудничестве с немецкими коллегами...

В 1999 году к нам обратились специалисты из GSI (Дармштадт), которые заинтересовались сверхпроводящими магнитами, способными работать с большой скоростью изменения поля. Началось моделирование и экспериментальное исследование магнитов для сверхпроводящего синхротрона SIS100. Совместно с немецкими коллегами нам удалось улучшить характеристики магнита типа Нуклотрон, повысить качество магнитного поля в апертуре и существенно уменьшить тепловыделение в магните при больших скоростях изменения поля. Тепловыделение в магните — это то, что определяет эксплуатационные расходы на магнитную систему. Чтобы снять 1 Вт тепла на гелиевом уровне, надо затратить около 300 Вт на валу компрессора. В результате исследований, проведенных в последние 10 лет, была в два раза увеличена конструктивная плотность тока трубчатого кабеля, разработан прототип магнита SIS100 с однослойной изогнутой обмоткой, что привело к дальнейшей миниатюризации магнита. В настоящее время магнит SIS100 находится в стадии подготовки к серийному производству.

Магниты для комплекса NICA, видимо, тоже усовершенствованы?

Ярмо магнита коллайдера NICA.
Конечно. Тепловыделения уменьшены, изменилась конфигурация обмотки (у Нуклотрона была двухслойная, сейчас будет однослойная и для NICA и для SIS100). Магниты для бустера NICA изогнутые, с достаточно маленьким радиусом кривизны — 14 метров, у дипольного магнита для SIS100 радиус кривизны 52 метра. Изогнутые магниты сложнее изготавливать и испытывать, но они имеют меньшие размеры — если бы делали магнит с двухслойной прямой обмоткой, как раньше, то по сечению магниты получились бы заметно больше, чем сейчас. То есть, как я говорил, продолжаем минимизировать габариты магнита, а, следовательно, и тепловыделения в них.

Гамлет Георгиевич, ни разу о себе не упомянули… Когда вы подключились к этой работе?

Я окончил МВТУ имени Баумана в 1973 году, как раз в это время началась разработка магнитов для Нуклотрона. Под эту программу меня и пригласили работать, поскольку я заканчивал криогенную кафедру. Попал я в очень хорошие руки — в отдел Александра Григорьевича Зельдовича, криогенная школа Зельдовича хорошо известна в мире, в сектор Евгения Ивановича Дьячкова, тогда молодого доктора наук (он в 39 лет докторскую диссертацию защитил), очень талантливого криогенщика. Потом, конечно, пришлось работать и с коллегами из других отделов. Я тогда был молодой человек, но меня постепенно стали приглашать на обсуждения важных вопросов. Помню, например, как принималось решение, из каких магнитов строить СПИН, модельный сверхпроводящий ускоритель. В настоящий момент эту установку разбирают — как модель она отработала, а как действующий ускоритель так и не была запущена, в том числе и из-за очень сложной криогенной системы.

Заканчивается ваш производственный перерыв, предстоит очередной этап испытаний. В заключение хочу спросить о ваших молодых коллегах. Хорошо вам с ними работается?

Молодежи у нас немного, но приятно, что она есть. Совсем недавно было время, когда молодых лиц в лаборатории практически не было. Появилось новое дело — интересное, живое — проект NICA, и стали приходить молодые специалисты. Не все здесь задерживаются, но кто остается — им интересно!

P.S. Пока интервью готовилось к печати, появились результаты испытаний: "С 16 по 20 мая завершен важный этап работ на пути создания комплекса NICA — проведены успешные криогенные испытания полномасштабного прототипа сверхпроводящего дипольного магнита для бустера NICA. После непродолжительной тренировки получен номинальный ток 9690 А, сняты теплофизические и гидравлические характеристики магнита при его работе в циклах с различными амплитудами и скоростями изменения поля в рабочей апертуре". Мы поздравляем коллектив и благодарим Гамлета Георгиевича за подробное объяснение, что же стоит за этими сухими информационными формулировками.

Беседу вела Галина МЯЛКОВСКАЯ

Кстати, а вы знали, что на «Сделано у нас» статьи публикуют посетители, такие же как и вы? И никакой премодерации, согласований и разрешений! Любой может добавить новость. А лучшие попадут в телеграмм @sdelanounas_ru. Подробнее о том как работает наш сайт здесь👈