Čo drží urýchľovač LHC pri zemi?

Autor: Eduard Kladiva | 2.2.2010 o 12:30 | Karma článku: 14.83 | Prečítané  6952-krát

Najväčší urýchľovač častíc na svete LHC postavený v Európskom laboratóriu časticovej fyziky pri Ženeve sa stále nevie rozbehnúť na projektovanú energiu a podávať fyzikmi túžobne očakávaný výkon. Pôvodné veľkorysé, a povedzme úprimne, emotívno-budovateľské plány, bolo potrebné zredukovať. Nadšenie z dostavby urýchľovača sa zmenilo na trpezlivé vyhľadávanie a odstraňovanie chýb v konštrukcii urýchľovača. Aj keď milióny súčiastok urýchľovača sú vyrobené a zmontované s vysokou kvalitou, postačí jedno slabé miesto a najzložitejší stroj na zemeguli má problémy. Najvážnejší problém sa plne prejavil pri havárii v septembri 2008, ale aj po čiastočnej rekonštrukcii urýchľovača dáva o sebe vedieť.

Chamonix 2010

Úspešný štart urýchľovača LHC po ročnej odstávke koncom minulého roka vlial nové nádeje do sŕdc fyzikov, ale nie všetky technické problémy sa podarilo vyriešiť do konca. Pracovná porada fyzikov a technikov, ktorá sa konala v dňoch 25.-29.1.2010 v Chamonix, mala nájsť bezpečné hranice prevádzky urýchľovača a definovať možnosti práce na urýchľovači pri jeho aktuálnom technickom stave. Na porade boli prezentované predovšetkým skúsenosti z prevádzky jednotlivých uzlov urýchľovača. Podstatná časť porady bola venovaná otázkam bezpečnosti prevádzky zariadení aj bezpečnosti personálu. Referáty z opráv a zmapovania súčasného technického stavu urýchľovača odzneli už na predchádzajúcom stretnutí v Eviane. Pre fyzikov boli dôležité úvahy o scenároch práce urýchľovača v najbližších dvoch rokoch aj výhľadovo do vzdialenejšej budúcnosti. Pracovná porada ukázala možnosti a hranice práce urýchľovača v najbližších rokoch a obmedzenia vyplývajúce z technického stavu magnetov a ďalších zariadení.

Projektovaná energia urýchľovania častíc v LHC je 7 TeV. Ale kedy bude dosiahnutá a či vôbec bude dosiahnutá (áno, potichu sa začína rozprávať aj o tejto možnosti), je určované technickým stavom urýchľovača, hlavne najslabších častí tohto zložitého stroja. Urýchľovač totiž bol projektovaný na hraniciach ľudského poznania a technických možností a dosiahnuť tieto hranice na papieri (presnejšie v počítači) a v reálnej prevádzke sú dve rozdielne veci.

Rozsiahla havária v tuneli urýchľovača 19. septembra 2008 vznikla nadmerným prúdovým zaťažením nekvalitného spojenia dvoch supravodivých káblov medzi susednými magnetmi. Vtedy sa vlastne ani nepredpokladalo, že by niektoré spoje mohli byť až tak nekvalitné. Počas ročnej odstávky urýchľovača boli nájdené ďalšie nekvalitné spojenia supravodivých káblov a boli opravené. Súčasne bol odhalený ďalší problém, ktorý by mohol viesť k poškodeniu zariadení alebo k havárii. Ide o medené šíny, ktoré mechanicky držia spoj supravodivých káblov a súčasne slúžia ako záložný vodič v prípade vypadnutia supravodivých káblov z režimu supravodivosti. Také vypadnutie, odborne nazývané „quench“, môže nastať pri lokálnom zvýšení teploty, napríklad keď sa nepodarí udržať zväzok častíc na ideálnej dráhe v strede trubice a častice preletia cez supravodivé káble (čo sa stáva relatívne často). Príčin vypadnutia z režimu supravodivosti je viac. Pokiaľ dôjde ku „quenchu“, supravodivý kábel prestane viesť prúd s nulovým odporom, medená šína prevezme od supravodivého kábla prúd niekoľko tisíc ampérov a odvádza teplo, ktoré vzniká v spoji, do tej doby, kým nedôjde k automatickému vypnutiu prúdu.

Aby v spojoch medených šín nedochádzalo k nadmernému nahromadeniu tepla, musia mať spoje veľmi malý odpor. V podmienkach kvapalného hélia je odpor kvalitného spoja okolo 300 pikoohmov, v tzv. teplom stave, pri izbovej teplote, má byť odpor takého ideálne prevedeného spoja okolo 10 mikroohmov. Lenže spoje nie sú rovnako kvalitne prevedené. Silové obvody magnetov LHC obsahujú skoro 24 tisíc spojov, presnejšie 10170 sú spojenia medzi magnetmi a 13796 tvoria spojenia vnútri magnetov.

Schema spojenia LHC

Ako taký spoj vyzerá, vidno na schematickom obrázku. Dva supravodivé káble (vyznačené čiernou farbou) sú spolu zvarené. Uložené sú v medenom profile tvaru „U“ uzavretom medeným klinom (naznačené červenou farbou). Priestor medzi supravodivými káblami a medenými šínami je vyplnený spájkou zo zliatiny SnAg (vyznačená modrou farbou). Spájka zabezpečuje kvalitný elektrický aj tepelný kontakt. Pokiaľ spájka chýba (napríklad spoj nebol v procese spájkovania dostatočne zohriaty, aby spájka vyplnila všetky miesta), kontakt nie je dostatočný a odpor spoja vzrastie.

Vyšší odpor spoja znamená nižší bezpečný prúd v magnetoch. Dovolený bezpečný prúd v supravodivých cievkach určuje veľkosť magnetického poľa a magnetické pole určuje maximálnu energiu častíc, ktoré vieme udržať na kruhovej dráhe. Špecialistami boli vyrátané bezpečné hodnoty odporu pre požadované energie častíc. Pre plánovanú energiu 7 TeV to je 10-15 mikroohmov pre rôzne typy spojov. Okolo 40 mikroohmov by mal mať odpor spoja, aby sme vedeli dosiahnuť energiu častíc 5 TeV a 80 mikroohmov postačuje pre energiu 3.5 TeV (merané v teplom stave).

Počas havarijnej prestávky v minulom roku boli premerané všetky spoje v piatich sektoroch a tie, ktoré vysoko prekračovali bezpečný odpor, boli opravené. V súčasnosti je je veľkosť odporu rôznych spojov medzi 20 a 53 mikroohmov s presnosťou 15 mikroohmov. Merania boli overené novou metódou aj pri nízkych teplotách. V troch sektoroch zatiaľ spoje pri nízkej teplote neboli novou metódou kontrolované, ale štatisticky bol ocenený stav týchto sektorov.

X tomografia spoja

Snímky získané pomocou gamma tomografie ukazujú rozloženie pájky vnútri kontaktu. Tmavé miesta vnútri bielych odpovedajú prázdnemu priestoru medzi spojmi, ktorý nie je vyplnený pájkou. Hodnota vpravo ukazuje odpor takého spoja (snímky A. Verweij, J.-M. Dalin).

Súčasná kvalita spojov medzi magnetmi dovoľuje teda bezpečnú prevádzku urýchľovača pri energii 3.5 TeV, ale predstavuje vysoké riziko poškodenia urýchľovača pri zvyšovaní energie na 5 TeV. Pre dosiahnutie energie častíc 5 TeV by bolo potrebné nájsť a opraviť stovky menej kvalitných spojov, čo by si vyžiadalo odstaviť urýchľovač na niekoľko mesiacov. Na porade v Chamonix boli navrhnuté aj dve nové metódy testovania spojov, ktoré by si vyžiadali len niekoľkodňovú alebo niekoľkotýždňovú prestávku v činnosti urýchľovača a umožnili by opatrné pokusy s energiou urýchľovača až do 4 TeV bez potreby rozsiahlych opráv.

Vedenie CERN-u teraz rokuje s jednotlivými experimentmi, aký scenár zvoliť. Pôvodný plán predpokladal prevádzkovať urýchľovač do konca roku 2010, potom urobiť technickú prestávku na 1 rok, počas ktorej mali technici doplniť do spojov premostenia. Tie by umožnili dvihnúť energiu častíc na projektovaných 7 TeV. Minulý týždeň boli v Chamonix po analýze technického stavu urýchľovača navrhnuté dva iné scenáre.

Prvý scenár navrhuje pokračovať v činnosti urýchľovača ako doteraz len pri energii 3.5 TeV a predĺžiť súčasnú prevádzku urýchľovača LHC až do roku 2011, presnejšie dovtedy, kým experimenty nezískajú dostatočné množstvo fyzikálnych dát. Potom by nasledovala dlhá technická prestávka minimálne na jeden rok, počas ktorej by boli nielen precízne opravené spoje medzi magnetmi, ale súčasne by boli doplnené o premostenia. Niekedy v roku 2013 by urýchľovač mohol začať v skúšobnej prevádzke testovať maximálnu energiu 7 TeV.

Druhý scenár predpokladá obmedziť prevádzku urýchľovača pri energii 3.5 TeV len do druhej polovice roku 2010, potom spraviť krátku, zhruba polročnú prestávku, počas ktorej by technici opravili najmenej kvalitné spoje a ešte v roku 2011 pokračovať vo fyzikálnom výskume pri energii 5 TeV. Po ďalšom roku činnosti urýchľovača by nasledovala jednoročná prestávka na prípravu urýchľovača na energie 7 TeV. Zrážok častíc pri energii 7+7 TeV by sme dočkali nie skôr, ako v roku 2014.

V prvom scenári nemožno očakávať v najbližších 3 rokoch prevratné fyzikálne objavy, experimenty budú viac menej potvrdzovať alebo vylepšovať poznatky získané na americkom urýchľovači Tevatron. Pochopiteľne bude možné bádať v menej atraktívnych, ale stále dostatočne zaujímavých smeroch, ktoré fyzici na Tevatrone preskúmali nedostatočne alebo vôbec. Slávny Higgsov bozón ale asi tak skoro neuvidíme.

V druhom scenári by sa nové a nepoznané fyzikálne javy mohli objaviť už pri energii 5 TeV, teda o niekoľko rokov skôr, ale technické rizika havárií sú vyššie, ako v prvom scenári. V druhom scenári sa odsunie prevádzka pri energii 7 TeV a pokiaľ nenájdeme nové efekty už pri 5 TeV, budeme na ne musieť čakať ešte dlhšie, ako v prípade prvého scenára.

Welding

Neľahké rozhodovanie.

Podľa záverečného vystúpenia na porade v Chamonix špecialisti zatiaľ preferujú prvý scenár. Do hry vstúpia aj otázky financovania opráv a vylepšení, fyzikálne záujmy a technické možnosti jednotlivých experimentov. Viac svetla do rozhodovania zrejme vnesie zhrnutie výsledkov z Chamonix, ktoré je naplánované na 5. februára 2010 v CERN-e. Medzitým sa urýchľovač pripravuje k spusteniu a postupnému prechodu na energiu zväzkov 3.5 TeV. Skúsenosti z práce pri tejto energii tiež zavážia pri rozhodovaní o ďalšej činnosti urýchľovača. Vedenie CERN-u má v podstate čas rozhodnúť sa pre niektorý scenár do júna 2010.

Páčil sa Vám tento článok? Pridajte si blogera medzi obľúbených a my Vám pošleme email keď napíše ďalší článok
Pridaj k obľúbeným

Hlavné správy

TECH

Maďarskí vedci možno objavili záhadnú piatu silu v prírode

Anomália v dátach naznačuje neznámu časticu. Mohla by to byť stopa novej fyziky.

TV

Brnenský biskup meditoval na púšti, domov našiel u Husitov

Juraj Jordán Dovala je vynikajúci kazateľ, spisovateľ a muzikant.


Už ste čítali?