Perturbarea supraconductivității
În experimentele pe colizoarele hadronilor, fizicienii caută să atingă cât mai multă energie protonică. Cu cât este mai mare energia, cu atât particulele mai grele pot fi deschise, cu atât vor fi disponibile mai multe efecte subtile, noi fiziologii vor deveni disponibile pentru observare și cu atât mai probabil vor deveni procese rare. Pentru tehnologia acceleratorului pentru a accelera particulele la energii super-înalte - nu este o problemă. Principala dificultate este de a menține astfel de particule în orbită în interiorul inelului de accelerație. Responsabil pentru aceasta sunt magneții dipolici (Figura 1), care, cu ajutorul unui câmp magnetic puternic, deflectă banda de particule care trece prin unghi mic. Mulți magneți sunt expuși de-a lungul traiectoriei și țin particulele pe orbită.
Fig. 1. Magneții dipolici sunt componente critice ale Colliderului cu Large Hadron și în același timp unul dintre cele mai dificil de fabricat și menținut. Pentru a ridica energia protonilor la aproape valoarea de proiectare, a fost nevoie de o campanie lungă de pregătire a magnetului. Imagine de pe web.cern.ch
La Coordonatorul de Large Hadron Collider, de-a lungul întregului inel de accelerație de 27 de kilometri, există 1.232 de magneți dipol. Acestea au fost realizate astfel încât să mențină un curent de 12 kiloamperi la răcire la 1,9 K, creând astfel un câmp magnetic de inducție Tesla 8,3, care corespunde cu protoni cu o energie de 7 TeV. Acești magneți sunt supraconductori, astfel că curentul din bobină circulă fără să se deterioreze și în acest caz nu apare nici o pierdere de energie. Cu toate acestea, 12 kA este doar valoarea de proiectare a curentului. Când magneții ajung la locul respectiv și sunt pus în funcțiune, se pare că nu pot menține un curent atât de puternic - ei perturbe superconductivitatea (răcire în terminologia engleză). La un anumit moment în lichidare, metalul trece de la supraconductor la starea normală cu o rezistență nonzero și sub acțiunea unui curent puternic se încălzește brusc. Toată energia stocată în magnet - și acesta este de 7 MJ - este pregătită imediat, într-o secundă secundară, să iasă ca o căldură. Dacă nu era vorba de un sistem de protecție specială, care, într-o situație de urgență, preia întreaga "grevă de energie", electromagnetul se va prăbuși pur și simplu.
Datorită sistemului de protecție, defalcarea superconductivității nu este un eveniment critic, dar, totuși, este neplăcut din două motive. În primul rând, nu permite tehnicienilor să ridice curentul la valoarea calculată și, prin urmare, energia protonilor. Acesta este motivul pentru care în prima sesiune de trei ani LHC, energia protonului a fost de numai jumătate din proiect - 4 TeV comparativ cu 7 TeV calculat. Sa dovedit că unii magneți pur și simplu nu erau pregătiți să păstreze 12 kA în sine.
Poate că energia protonilor ar putea fi ridicată puțin mai mult, dar apoi apare oa doua problemă. Magnetul "a venit la el însuși" prea mult după fiecare eveniment de defectare a supraconductivității. În Fig. 2 arată clar modul în care lanțul de magneți este restabilit după o defecțiune. În timpul testelor din sectorul 67, la un curent de aproape 11 kA, a existat o defalcare a mai multor magneți. Eliberarea totală a energiei în acest caz a fost de 23,5 MJ (suficient pentru a evapora instantaneu câteva kilograme de cupru). Datorită sistemului de protecție, temperatura în magneți a crescut doar cu câteva zeci de grade, tensiuni mecanice - până la zeci de atmosfere. Magneții au fost apoi răciți din nou și umplut cu heliu superfluid, dar acest proces a durat 10 ore!
Fig. 2. Ciclul tipic de recuperare a magnetului după pierderea supraconductivității. In partea de sus. magneții roșii sunt marcați în care a existat o defalcare; eliberarea lor curentă și totală de energie sunt de asemenea indicate. Mai jos. grafice ale temperaturii magneților (în kelvine) și presiunea mecanică (în atmosferă) în funcție de timp. Imagine de la indico.cern.ch
Devine clar că, chiar dacă întreruperile supraconductivității nu sunt fatale, este foarte de dorit să minimalizăm numărul acestora. La urma urmei, fiecare defalcare în timpul funcționării acceleratorului conduce la o descărcare de urgență a fasciculului, la răcirea magneților, urmată de un nou ciclu de pregătire și accelerare a fasciculului și numai atunci coliziunile se vor relua. Ca urmare, se va pierde aproximativ o zi de lucru. Deci, dacă defecțiunile încep să se întâmple o dată pe săptămână sau mai mult, aceasta va scurta semnificativ timpul de lucru al acceleratorului. Prin urmare, pentru o funcționare eficientă este necesar ca magneții să nu funcționeze la limită, dar pot menține un curent puțin mai mare. decât este necesar pentru muncă, și apoi într-o situație normală, în general, nu ar trebui să se rupă.
Magneți de antrenament
Faptul că un magnet supraconductor făcut cu calculul pentru un anumit curent, în realitate nu are loc, este o situație normală. Dar după fabricarea acestor magneți pot fi instruiți astfel încât să păstreze curentul până la design.
Faptul este că, în fabricarea magneților, apar neomogenități de material microscopic sau firele se schimbă ușor când se înfășoară. Aceste deviații de la ideal conduc la faptul că câmpul magnetic din interior nu este omogen, dar undeva un pic mai mult, undeva puțin mai puțin. În plus, atunci când curentul din magnet crește, apar tensiuni mecanice puternice, care deformează ușor materialul, iar această energie de deformare poate fi evacuată local sub forma unei mici eliberări de căldură. Ca urmare, în unele locuri, câmpul magnetic poate depăși critic chiar și atunci când curentul din magnet este încă departe de cel calculat. În acest moment, supraconductivitatea se descompune.
Formarea unui magnet este o trecere corectă a mai multor cicluri de creștere a curentului până la o defalcare a superconductivității. Experiența arată că, după fiecare defalcare, magnetul este ușor "corectat", iar în următorul ciclu poate avea un curent ușor mai mare decât înainte. Mecanismul microscopic al acestui proces nu a fost complet investigat, dar, în general, în timpul fiecărui ciclu materialul din interiorul magnetului este ușor deplasat, zonele de stres disipate, ceea ce optimizează câmpul magnetic. Un exemplu tipic al evoluției magneților este prezentat în Fig. 3 pe exemplul sectorului 6-7. Pentru 20 cicluri de sarcină și de defectare, curentul maxim a crescut cu aproximativ 10% și a atins obiectivul de 11 kA, corespunzând grinzilor de 6,5 TeV.
Fig. 3. Formarea magnetului în sectorul 6 7 al Colliderului Large Hadron (prezentat în cercurile roșii). După 20 cicluri de încărcare și întrerupere a supraconductivității, magneții au început să dețină 11 kA, iar întregul sector este acum certificat pentru a lucra cu grinzi de 6,5 tone. Imagine de la twitter.com/cern