LHC LHC устройство на "Elements"
Ускорителят е съоръжение за ускоряване на снопове от елементарни частици; Колайдерът е вид ускорител, при който два снопа частици се ускоряват в противоположни посоки и се сблъскват един с друг. В българската терминология колайдерът се нарича още ускорител на сблъсъчен лъч.
От гледна точка на научна задача, самият ускорител върши само половината работа - той само избутва частици. Резултатите от сблъсъка се изследват от детектори на елементарни частици - специални многослойни инсталации, монтирани около точките на сблъсък. Понякога ускорителят се нарича тандем "ускорител + детектори"; в този случай, ако трябва да подчертаем, че говорим за ускорителя, а не за детекторите, често казваме "ускорителен пръстен". Тази страница разказва за структурата на ускоряващия пръстен на LHC.
LHC - цикличен (т.е. пръстен) колайдер; в него непрекъснато циркулират снопове от протони или оловни ядра, като правят над 10 хиляди оборота в секунда и се сблъскват с идващ лъч на всеки кръг. На фиг. 1 показва разположението на основните елементи на ускорителния пръстен на LHC.
Целият пръстен на LHC е разделен на осем сектора, чиито граници са маркирани с точки от 1 до 8. На всяка секция (1–2, 2–3 и т.н.) има подредени магнити, които управляват протонния лъч. Благодарение на магнитното поле на огъващите магнити, групите протони не излитат тангенциално, а постоянно се въртят, оставайки вътре в ускоряващия пръстен. Тези магнити образуват орбита, по която се движат протоните. В допълнение, специални фокусиращи магнити ограничават напречните вибрации на протоните спрямо "идеалната" орбита, като им пречат да докосват стените на доста тясна (няколко сантиметра в диаметър) вакуумна тръба.
Вътре в ускорителядве вакуумни тръби вървят една до друга, през които циркулират два противоположни протонни лъча, всеки в своята посока. Тези две тръби се обединяват в една само на специално определени места - в точки 1, 2, 5, 8. В тези точки се случват сблъсъци на сблъскващи се протонни снопове и около тях са изграденичетирите основни детектора: два големи - ATLAS и CMS и два средни - ALICE и LHCb. В близост до двата големи експеримента бяха инсталирани и два специализирани малки детектора TOTEM и LHCf.
В точка 4 имасекция за ускорение. Именно тук протонните лъчи по време на ускорението получават допълнителна енергия при всяко завъртане. В точка 6 има системаизхвърляне на лъч. Тук са инсталирани бързи магнити, които при необходимост отвеждат лъчите от ускорителя през специален канал. В точки 3 и 7 са монтирани системи за почистване на греди; освен това тези места са запазени за евентуални бъдещи експерименти.
Протонните лъчи влизат в LHC от SPS предускорителя. Линиите за предаване на лъч (Tl2 и Tl8), свързващи тези два пръстеновидни ускорителя, заедно със специални магнити на всеки от тях, заедно съставляваткомплекса за инжектиранена колайдера LHC (от думата "injection" - инжектиране на лъч). Тъй като лъчът се върти само в една посока на SPS, инжекционният комплекс се състои от две линии и има асиметрична форма. Протоните влизат в ускоряващия пръстен на SPS от източника през верига от още по-малки ускорители.
Магнитна система LHC
Като всяко тяло, куп елементарни частици, оставени на себе си, ще се движат праволинейно и равномерно. За да се задържи на кръгова траектория вътре в ускорителя (а също и да не падне под въздействието на гравитацията), е необходимопостоянно прилагайте магнитно поле към лъча.
В LHC няколко хиляди магнита за различни цели се използват за управление на лъчите. Те са най-важната (и най-скъпата) част от ускорителя. Траекторията на лъчите се управлява от огъващи магнити, които леко завъртат преминаващия през тях лъч и го задържат вътре в пръстеновидната вакуумна тръба. Има и фокусиращи магнити, които предпазват лъча от размазване, както и различни коригиращи магнити. В местата за инжектиране и изхвърляне на лъча са монтирани специални бързи магнити.
Инжекционен комплекс
Протоните влизат в LHC от предускорителя SPS (Proton Super Synchrotron). Има две линии за предаване на лъчи, които се отклоняват от SPS на две места и се приближават до ускорителния пръстен на LHC близо до точки 2 и 8 (тези линии се наричат Tl2 и Tl8). Инжекционният комплекс е сложна инженерна структура, чиято работа зависи не само от правилната настройка на магнитната система, но и от точната синхронизация на ритъма на SPS и LHC.
Инжектирането (т.е. „впръскването“) на протони в LHC не става непрекъснато, а на импулси. По време на работа на LHC предавателните линии са празни и следващата порция протони се натрупва в предварителния ускорител SPS. В края на всеки цикъл на работа на LHC, високоенергийният лъч се изпуска и колайдерът е подготвен да приеме нова порция протони. В рамките на няколко минути следва серия от импулсно включване и изключване на бързи магнити в краищата на линията за предаване на протони, по време на които протонните снопове се прехвърлят от SPS към LHC и един по един се подреждат на своите „позиции“ в лъча, без да се намесват във вече циркулиращите снопове.
Преди да достигнат SPS, протоните преминават през няколко по-малки ускорителя. Пълен бустерУскорителният комплекс на CERN е описан на страницата на ускорителния комплекс на CERN (вижте също кратка диаграма на фиг. 2). Първо протоните се извличат от водороден газ чрез йонизация, след това се ускоряват до енергия от 50 MeV в линеен ускорител и се инжектират в PSB бустера. Там протоните се ускоряват до енергия от 1,4 GeV, прехвърлят се в протонния синхротрон PS, ускоряват се до 25 GeV и едва след това влизат в SPS. В него те се ускоряват до 450 GeV и се инжектират в LHC. Оловните ядра преминават през подобна последователност от ускорители, въпреки че в техния случай има специфика, свързана с нагряване и атомизация на оловната проба и йонизация на атоми.
ускоряващ участък
Протоните се инжектират в LHC при енергия от 0,45 TeV и се ускоряват до 7 TeV вече вътре в главния ускоряващ пръстен. Това ускорение възниква по време на полета на протони през няколко резонатора, инсталирани в точка 4.
Резонаторът е куха метална камера със сложна форма (виж фиг. 3), вътре в която се възбужда стояща електромагнитна вълна с честота на трептене приблизително 400 MHz. Ефективното и равномерно ускоряване на целия лъч от променливо поле е възможно поради факта, че целият лъч е разделен на отделни снопове, следващи един след друг на строго определено разстояние. Когато група протони лети през резонатора, електромагнитното трептене е точно в такава фаза, че електрическото поле по оста на лъча избутва протоните напред.
Фазата на трептенията на полето в резонатора е настроена така, че в момента на преминаване на частиците електрическото поле да не е максимално, ада нараства. Това се прави с цел автоматично изравняване на енергията на ускорените частици. Ако някой протон случайно се окаже по-енергичен от своите съседи, той тегли напред и на следващия кръг стига доускорителна камера с лека преднина. Поради това той получава малко по-малко допълнителна енергия от останалите протони. Обратно, ако протонът случайно загуби малко енергия и се озове в опашката на своя куп, тогава при следващия полет през ускоряващия участък той получава повече енергия. Това свойство на група частици се нарича автофазиране.
Ускоряването на протоните от енергия на инжектиране от 0,45 TeV до 7 TeV става доста бавно, за около 20 минути. Скоростта на този процес не се ограничава от мощността на ускоряващата секция, а от скоростта на усилване на магнитното поле в огъващите магнити - в края на краищата, то трябва да расте синхронно с енергията на частиците, за да ги задържи във вакуумна тръба с постоянен радиус.
Флуктуациите на електромагнитното поле в резонатора генерират силни токове, протичащи по повърхността на камерата. За да се избегнат загуби на топлинна енергия, резонаторите в LHC също работят в свръхпроводящо състояние при температура от 4,5 К (–268,7°C). Вътрешната повърхност на резонатора обаче не е идеална и неизбежно съдържа малки дефекти, върху които се отделя топлина. Но тъй като резонаторите са направени от мед, тази топлина бързо се разсейва.
Система за падане на лъча
Протонен лъч с пълна енергия и интензитет има голяма разрушителна сила (представете си енергията на летящ реактивен самолет, фокусиран в диаметър по-малък от милиметър). Обикновено лъчът циркулира във вакуумната камера и не докосва оборудването. Ако обаче управляващата магнитна система откаже или траекторията на лъча се отклони твърде много от изчислената, лъчът става опасен и трябва бързо да бъде изпуснат. В допълнение, атенюираният лъч трябва да се изхвърля на всеки няколко десетки часа дори при нормална работа на ускорителя.
Прави всичко товаспециална система за изхвърляне на лъча, инсталирана в точка 6. В него са поставени специални бързи магнити, които при необходимост се включват за микросекунди и леко отклоняват лъча. В резултат на това протоните напускат кръговата орбита, след което лъчът се разфокусира, излиза от ускорителя през специален канал и безопасно се абсорбира от масивни въглеродно-композитни блокове в отделна стая (блоковете се нагряват много от това, но не се топят).
Вакуумна и криогенна техника, система за контрол и безопасност
За да могат протонните лъчи да циркулират свободно в LHC, вътре в ускорителната тръба се създава свръхдълбок вакуум. Налягането на остатъчния газ е около 10–13 atm. Въпреки това, дори при такова ниско налягане, от време на време протоните се сблъскват с молекули на остатъчния газ, което намалява „живота на лъча“ до няколко дни.
Въпреки че вакуумната тръба е малка, с радиус от приблизително 5 см, тя е много дълга, така че общият обем, който трябва да се евакуира, е сравним с този на голяма сграда. В допълнение, поради многобройните контакти и връзки, както и поради голямата площ на вътрешната повърхност на вакуумната камера, задачата за поддържане на желания вакуум е много трудна.
Друга важна част от инфраструктурата на ускорителя е криогенната система, която охлажда ускорителния пръстен. Той поддържа температура от 1,9 K (т.е. -271,25 ° C) в огъващи магнити (както и в някои други елементи), при които свръхпроводникът безопасно поддържа необходимия ток и създава необходимото магнитно поле. Уникално високата топлопроводимост на свръхтечния хелий се използва за поддържане на работната температура на ускорителя. Киловатите топлинен поток могат да се предават през хелиев канал към LHC с температурна разлика само0,1 K на разстояние от километър!
Криогенната система в LHC е многостепенна. За охлаждане се използват 12 милиона литра течен азот и почти милион литра течен хелий. LHC ще консумира 2-3 камиона с течен азот и около 500 литра течен хелий на ден по време на работа.
На точки 3 и 7 има устройства за "почистване" на гредата. Когато протонен лъч се движи във вакуумна тръба, протоните осцилират в напречната равнина и някои от тях могат да се отклонят доста далеч от идеалната траектория. Такива "блуждаещи" протони (на езика на физиците - "лъчев ореол") могат да се удрят в стените на вакуумна тръба или оборудване. Дори ако това е малка част от целия протонен лъч, те могат локално да се нагреят или дори да повредят оборудването. Например, локално освобождаване на енергия от само няколко стотни от джаула на кубичен сантиметър може да накара огъващ се магнит да премине от свръхпроводящо състояние в нормално състояние, което ще доведе до спешно излъчване на лъч.
Системата за почистване на лъча механично отрязва ореола на лъча. За да направите това, в непосредствена близост до лъча (на разстояние само няколко милиметра!) Преместват се масивни блокове - „челюстите“ на колиматора. Те поглъщат "блуждаещите" протони, но не пречат на основната част на лъча. Въпреки това, "отсечените" протони също са опасни - те силно нагряват материала на колиматора и генерират върху него поток от частици с по-ниска енергия ("вторичен ореол"), който също трябва да бъде отрязан от вторични колиматори.