CC BY
13
Инновационное сотрудничество Беларуси и России
в проекте международного линейного коллайдера
Десять лет назад более 2700 ученых из многих стран мира подписали меморандум под названием «Понимание материи, энергии, пространства и времени: путь линейного коллайдера».
В нем ясно выражена идея о том, что следующей после Большого адронного коллайдера машиной для исследования природы микромира будет линейный коллайдер с энергией столкновения частиц порядка 1 ТэВ. Тогда же Исполнительным комитетом по будущим ускорителям (ИКБУ) Группе анализа мировых технологий (ГАМТ) было поручено выбрать из 10 конкурирующих методик одну-единственную для организации целенаправленной эффективной международной кооперации по проекту создания Международного линейного коллайдера (МЛК). В качестве единой была выбрана радиочастотная 1,3 ГГц технология с использованием эффекта сверхпроводимости для снижения потерь передачи энергии радиочастотного поля ускоряемым частицам. Такой путь был предложен научной коллаборацией имени выдающегося радиофизика Н. Теслы, именем которого сегодня принято называть и тип резонатора,
лежащего в основе ускорительной системы МЛК. В качестве базового данный метод в 2004 г. и был рекомендован ИКБУ и ГАМТ для создания международной кооперации по практической реализации проекта МЛК.
Разрабатываемый в широкой международной кооперации МЛК - сложная, длиною в несколько десятков километров машина-ускоритель, способная высокочастотным электромагнитным полем разгонять заряженные элементарные частицы до субсветовых скоростей. Сооружение МЛК предполагается в Японии, оценочная стоимость проекта -6-8 млрд долл. Установка будет представлять собой электрон-по-зитронный коллайдер с энергией 500 ГэВ, состоящий из 2 линейных ускорителей, в которых пучки заряженных частиц движутся навстречу друг другу. Общая длина установки - около 31 км. Впоследствии МЛК предполагается дополнить новыми секциями разгонных резонаторных блоков (по 9 резонаторов-ячеек в каждом).
ш
Михаил Батурицкий,
заместитель директора по научной работе Национального центра физики частиц и высоких энергий БГУ, кандидат технических наук, доцент
Виктор Карпович,
завлабораторией радиофизических исследований Научно-исследовательского института ядерных проблем БГУ, кандидат физико-математических наук
При этом длина МЛК возрастет до 50 км, а энергия — до 1 ТэВ. На рис. 1 представлена схема МЛК (первая фаза, длина 31 км).
Одной из важных научных задач, стоящих перед физиками, которые будут экспериментировать на МЛК, сталкивая друг с другом легкие заряженные частицы - электроны и позитроны, является обнаружение так называемых суперсимметричных частиц, которые, как полагают, помогут понять природу темной материи и темной энергии. Количество 9-ячеечных разгонных резонаторных блоков в МЛК будет исчисляться сотнями. Над проектом МЛК работают крупные научные организации в США (РЕИМИЛБ), Германии (БЕ8У), Японии (КЕК), России (ОИЯИ), Франции, Индии, Китае. К решению сложных научно-технических задач по проекту привлекаются ученые-физики и инженеры из многих стран.
Государства с мощным экономическим потенциалом, такие как США, Германия, Россия, Китай, Индия, также намерены развивать ЛК-проекты национального уровня, поскольку эксперименты такого рода способствуют технологическому развитию многих других направлений и отраслей.
Международная организация Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна,
Инновации и инвестиции
Рис. 1. Схема
Международного линейного коллайдера (первая фаза: L = 31 км, E = 500 ГэВ)
Рис. 2.
Измерение
радиочастотных
характеристик
эталонного
ниобиевого
1,3 ГГц резонатора
типа Тесла
при комнатной
температуре
в лаборатории
радиофизических
исследований
в НИИ ЯП
Московская обл., Россия) присоединилась к работе над МЛК в 2007 г., и тогда же по инициативе ОИЯИ к сотрудничеству были привлечены Национальный центр физики частиц и высоких энергий БГУ (НЦ ФЧВЭ БГУ), Физико-технический институт НАН Беларуси, НПЦ НАН Беларуси по материаловедению, Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, Институт ядерных проблем БГУ (НИИ ЯП). В 2010 г. создается техническое задание на разработку и изготовление 3 опытных образцов сверхпроводящих ниобиевых резонаторов - ключевых узлов МЛК, в которых происходит передача энергии электромагнитного поля ускоряемым заряженным частицам. ОИЯИ организовал получение действующего образца резонатора из РБИМИЛБ, необходимого для наладки измерительного оборудования и для использования его в качестве эталона. В 2011 г. БГУИР выполнил расчет одноячеечного резонатора, а НПЦ
о
X X
5
X
по материаловедению поставил гелиевый криомодуль для испытаний резонаторов. Работы белорусской стороны ведутся в соответствии с темой «Исследования в области е+е--линейных ускорителей и коллайдеров нового поколения для фундаментальных и прикладных целей» (руководитель - главный инженер ОИЯИ член-корреспондент РАН Г.Д. Ширков).
Согласно расчетам, для строительства МЛК с энергией 1 ТэВ потребуется несколько десятков тысяч резонаторов типа Тесла. К такой серии предъявляются исключительно высокие требования по идентичности электромагнитных характеристик и параметров отдельных устройств. Сегодня технологией относительно массового мелкосерийного производства таких «идентичных» приборов располагают только США (FERMILAB), Германия (DESY) и Япония (KEK). Наряду с этим Международным консорциумом по проекту МЛК изучаются технологические возможности и ряда других государств и, в частности, Беларуси. Участие нашей страны в этой работе приветствуется научным сообществом крупнейших научных центров, занимающихся подготовкой МЛК, вследствие высокого авторитета, завоеванного вкладом белорусских ученых, научных организаций и промышленных предприятий республики в крупнейшие международные проекты - D0 (FERMILAB), ATLAS и CMS на Большом адронном кол-лайдере (г. Женева, Швейцария -Франция).
В качестве материала для производства резонаторов типа Тесла для МЛК используется ниобий - металл серебристого цвета, внешне напоминающий платину. Сегодня он активно применяется как один из сверхпроводников (температура сверхпроводящего перехода - 9,25 К). По совокупности своих характеристик и параметров этот химический элемент - уникальный, практически единственный на Земле конструкционный материал, пригодный для строительства ускорительной системы ЛК. Ниобий хорошо обрабатывается давлением на холоде и сваривается, тугоплавок, является превосходной легирующей добавкой для упрочнения сталей и сплавов, и поэтому, несмотря на то что № - редкоземельный элемент (31-е место по содержанию в земной коре), его применение и производство в мире быстро возрастают. Основными потребителями ценного металла являются ракетостроение, авиационная и космическая техника, радиотехника, электроника, химическое аппаратостроение, атомная энергетика.
В Беларуси отработка технологий и методик измерений 1,3 ГГц сверхпроводящих ниоб-иевых резонаторов проводится с использованием резонатора типа Тесла, полученного из РБИМИЛБ (Батавия, США). Сложность задачи аттестации этого резонатора, а именно измерений его центральной частоты и добротности, состоит в том, что такой резонатор, имеющий при комнатной температуре нагруженную добротность примерно 30 тыс., при температуре жидкого гелия имеет расчетную нагруженную добротность порядка 1010. Кроме того, этот прибор - устройство проходного типа, поскольку предназначен для ускорения пролетающих через него заряженных частиц. Его термостатирова-ние при температурах жидкого гелия - весьма нетривиальная инженерно-техническая задача.
Согласованное решение, достигнутое в результате всесто-
роннего анализа проблемы всеми участниками белорусско-российского проекта, было найдено в предложенной в лаборатории радиофизических исследований НИИ ЯП методике измерений параметров резонатора на отражение. Для превращения из проходного в прибор отражательного типа были разработаны и установлены на нем две торцевые крышки, в одной из которых размещен СВЧ-узел в виде регулируемой петли связи для возбуждения резонатора. В качестве материала крышек использовался титан, который относительно дешев, а по своим физико-механическим характеристикам весьма близок к ниобию (кстати, ЖП - наиболее часто используемый сверхпроводящий сплав металлов). Что касается СВЧ-узла для возбуждения резонатора, то именно он, несмотря на кажущуюся простоту конструкции, в существенной степени обеспечил высокое качество измерений. Точный расчет размера устройства, его местоположения на крышке, возможность механической подстройки величины связи обеспечили результирующий (с резонатором) КСВ на уровне 1,01-1,07, вплоть до 100 мВт мощности входного СВЧ-сигнала.
Электродинамические характеристики эталонного ниобиевого 1,3 ГГц резонатора были измерены на стенде, созданном в лаборатории радиофизических исследований НИИ ЯП (рис. 2). В разработке предложен и реализован ряд оригинальных инженерно-технических решений, связанных со способом и техникой обеспечения оптимального возбуждения прибора при измерениях с использованием маломощных генераторов СВЧ-сигнала. На разработанное устройство связи подана патентная заявка.
Такой конструктив позволил использовать охлаждающую ванну погружного типа, разработанную специально для организации холодных, при температурах жидкого гелия (вплоть до температуры наступления эффекта сверхтекучести), изме-
рений добротности резонатора. При этом единственным тепловым контактом с внешним миром целиком погруженного в жидкий гелий устройства являлся тонкий жесткий СВЧ-кабель, выведенный через крышку ванны и соединяющий его с измерительной аппаратурой. В рамках работ по проекту в НПЦ по материаловедению НАН Беларуси была построена высокоэффективная криогенная ванна с жидким гелием в качестве хладагента (руководитель работ -С.Е. Демьянов) для измерения электродинамических характеристик и параметров установок данного типа в режиме сверхпроводимости при температурах 6-10 К. В выполнении этого сложного эксперимента, проходившего на криогенной станции НПЦ по материаловедению (рис. 3), были задействованы ученые из НИИ ЯП и НПЦ - С.Е. Демьянов, Н.В. Любецкий, С.И. Максимов, В.Н. Родионова, В.М. Терлецкий.
Российско-белорусское сотрудничество по проекту ЛК сегодня успешно развивается, и уже можно говорить об определенных достижениях. В ходе удачного выполнения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в нашей стране впервые реализован режим сверхпроводимости ниобиевого резонатора ЛК и решена сложная научно-техническая задача его аттестации - высокоточного измерения резонансной частоты и добротности (порядка 1010!) отдельного ускоряющего резонатора типа Тесла. В дальнейшем на разработанных и усовершенствованных - с высоким уровнем автоматизации обработки и хранения данных - стендах предполагается производить аттестацию серии сверхпроводящих 1,3 ГГц приборов для ЛК. Действующим проектом российско-белорусского сотрудничества предусмотрено изготовление такой серии на базе опытного производства Физико-технического института НАН Беларуси.
Подобные достижения в фундаментальных областях знаний, несомненно, укрепляют
международную репутацию нашей страны как эффективного партнера, обладающего высоким научно-техническим потенциалом для успешного участия в самых сложных и современных инновационных научно-технических проектах. ■
Summary
In the article, a brief outline of the goals and scale of the project of building International Linear Collider is given. The current state and the key outcomes of Belarus-Russia's scientific cooperation within the framework of the project are described. The article concerns mainly the problem and the technique of radio-frequency measurement, at the room and helium temperatures, of Q-factor of a series of ILC's 1.3 GHz superconducting niobium cavities of a Tesla-type that are assumed to fabricate in Belarus' enterprises in the near future.
Литература
1. "Understanding Matter, Energy, Space and Time: The Case for the Linear Collider", A summary of the scientific case for the e+e- Linear Collider, representing a broad consensus of the particle physics community, April 2003, http://physics. uoregon.edu/consensus.pdf.
2. LCC - Linear Collider Collaboration, http://www. linearcollider.org.
3. File: ILC SchemeTDR.jpg, http://commons.wikimedia.org/ wiki/File:ILC_SchemeTDR.jpg.
4. N.Azaryan, J.Boudagov, D.Demin, G.Shirkov, JINR, Dubna, Russia, M.Baturitsky, V.Karpovich, N.Liubetsky, S.Maximov, V.Rodionova, BSU, Minsk, Belarus, S.Kolosov, A.Kurayev, A.Sinitsyn, BSUIR, Minsk, Belarus, V.Petrakovsky, I.Pobol, A.Pokrovsky, S.Yurevich, A.Zhuravsky, PhTI NASB Minsk, Belarus, S.Demyanov, E.Kanyukov, SSPA SPMRC NASB, Minsk, Belarus, B.Kephart, L.Ristori, FNAL, Batavia, USA. Dubna-Minsk Activity on the Development of 1.3 GHz Super-Conducting Single-Cell RF-Cavity // 23 Российская конференция по ускорителям заряженных частиц/RuPAC'12, Санкт-Петербург, 24-28 сентября 2012 г. С. 602-604.
Рис. 3. Измерения радиочастотных характеристик эталонного ниобиевого 1,3 ГГц резонатора типа Тесла при гелиевой температуре в криогенной ванне в НПЦ по материаловедению НАН Беларуси
о
X X
5
X
