Ответ на пост «Большой Адронный Коллайдер»
баянчик, но как хорош.
баянчик, но как хорош.
Надо бы написать понятный длиннопост с картинками про устройство детекторов на Большом Адронном Коллайдере. Но что-то страшно за такую задачу браться. Поэтому вот вам пока для затравки вчерашняя фотка из Компактного Мюонного Соленоида (CMS).
В жизни учёных периодически случаются конференции и всякие массовые мероприятия. Вот и я всю прошлую и следующую неделю учу других учёных со всей планеты тонкостям СВЧ измерений резонаторов и прочих запчастей для ускорителей частиц.
Мероприятие называется CERN Accelerator School: RF for Accelerators.
Нагрузки серьезные - с 8:30 до 18:00 сплошные лекции и лабораторные. Но работать приятно - почти все ученики имеют кандидатскую степень.
Опять же - на основную работу не нужно ходить.
Вот так синхротрон выглядит внутри тоннеля. Длина кольца 240 метров. Энергия электронов 1,7 ГэВ. Ток 300 мА.
Обычно на работе некогда записывать видео. Сегодня во время плановых работ решил все-таки уделить этому пару минут. Полный оборот не прошел - небольшая секция инжекции (где в главное кольцо приходит пучок из бустерного кольца) закрыта, так как бустер не отключали и в этой части тоннеля можно нахвататься радиации.
Это пост для фотоконкурса, поэтому без подробного рассказа. Если понравится - напишу подробный пост.
Итак, строили мы несколько лет назад Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах E-XFEL. Это серьезное сооружение - 3,5 км длиной. Почти вся его длина - это ускоритель электронов вместе с ондуляторами. Спрятано это все под землю, на поверхности расположены только несколько зданий в самом начале и в самом конце.
Вот E-XFEL наложен на гуглоснимок:
Оранжевым цветом выделены здания на поверхности. Начало (инжектор) справа, оттуда тянется одиночный тоннель с линейным ускорителем, который потом разветвляется на несколько линий. Вот моя фотография в тоннеле недалеко от инжектора на глубине 30м:
Сам ускоритель собран из вот этих свисающих с потолка желтых модулей. Длина каждого - 12 метров. Всего на первом этапе в ускоритель установлен 101 модуль.
На фото ниже Лёха показывает на макете модуля, куда подается ВЧ мощность.
Тут хорошо видны внутренности модуля, и про них мы поговорим в другом посте. А сейчас обратите внимание на самую нижнюю "трубу" в этом модуле (которая с фланцем и медным напылением внутри сильфона) - это сверхпроводящий резонатор типа TESLA. Собственно, именно он и занимается ускорением электронов. В каждом модуле их 12 штук, а сколько всего - посчитайте сами.
Резонатор сделан из сверхчистого ниобия. На фото ниже я демонстрирую одну вырезанную ячейку для видеоролика, а целый резонатор без внешнего титанового кожуха лежит передо мной.
Резонатор внутри полый - толщина стенки у него 2,5 мм. Он весь сделан из ниобия, а фланцы - из сплава ниобия и титана. Из одного куска такую гармошку не сделать (хотя есть варианты), поэтому он сваривается электронно-лучевой сваркой из штампованных "тарелок" и труб. После сварки внутренняя поверхность химически травится для удаления поврежденного слоя.
И вот мы приближаемся к сути поста.
Если перед сваркой на поверхности детали окажется небольшое загрязнение, даже пылинка, то она растворится в расплавленном металле (а ниобий плавится при 2500 С), и в этом месте шва будет уже не чистый ниобий, а содержаший посторонние примеси. Чаще всего это углерод из "пылинок", но иногда может попасть металлическая частица. Это уже само по себе может привести к нарушениям работы резонатора, но всё ещё хуже. При химическом травлении в смеси плавиковой и азотной кислот этот модифицированный ниобий травится намного быстрее, и на его месте образуются каверны, которые могут пройти даже насквозь. Вот это уже совсем плохо, и чаще всего резонатор надо выкидывать. А стоит он около 100 тыс. евро, но проблема даже не в деньгах, а в сроках изготовления.
Про то, как найти иголку в стоге сена такой дефект в резонаторе, надо писать отдельный пост. Если внутрь поместить специальную камеру с высоким разрешением, то можно получить примерно такое изображение дефектов сварки (тут видны капли ниобия):
С каплями более-менее всё ясно: во-первых, они выглядят как капли, и даже таких нечетких изображений вполне достаточно; во-вторых, нужно немного подкрутить параметры процесса сварки - и всё будет хорошо. Такие дефекты наблюдались только на этапе прототипов и после отработки технологии сварки почти не встречались.
А вот с дефектами, описанными выше, всё сложнее: иногда по нечеткому оптическому снимку вообще сложно понять, что это такое. Можно, конечно, разрезать резонатор и посмотреть на подозрительный дефект в микроскоп (и так иногда делали), но резонатор после этого уже можно выкидывать.
Вот тут на помощь и приходит метод, широко применяемый в стоматологии (и не только в ней) - сделать слепок поверхности с помощью специального силикона и посмотреть в микроскоп уже на него. А потом решить, можно ли починить резонатор.
Ниже на левой картинке приведено оптическое изображение довольно крупного дефекта сварного шва (шов занимает почти всю ширину картинки), а на правой - фрагмент изображения слепка с этого дефекта, полученного с помощью конфокального лазерного сканирующего микроскопа (недавно про такой писала @Cherry.Juice в Как увидеть биоплёнку):
Разница очевидна. По правому изображению уже можно судить о структуре дефекта и его причине - инородном материале в структуре шва.
Вот мы и добрались до конкурсных снимков:
(Конкурсное фото 1) Микрофотография дефекта сварного шва сверхпроводящего резонатора для Европейского лазера на свободных электронах. Получена с помощью слепка, отсканированного на лазерном конфокальном микроскопе.
Это, кстати, небольшой фрагмент из предыдущего изображения. Разница в разрешающей способности по сравнению с фотокамерой впечатляет.
(Конкурсное фото 2) Микрофотография дефекта поверхности сверхпроводящего резонатора для Европейского лазера на свободных электронах. Получена с помощью слепка, отсканированного на лазерном конфокальном микроскопе.
Это уже не дефект сварки. В данном случае на поверхности ниобия оказался небольшой фрагмент алюминия - алюминиевым катод деформировался и касался поверхности в момент сборки перед началом химического травления. Поскольку алюминий не травится применяемой смесью, то он защитил поверхность, и в результате образовалось вот такое "плато" высотой в 70 микрометров. На картинке ниже показан профиль этого дефекта - конфокальный микроскоп даёт трехмерную модель поверхности:
В данном случае все не так страшно: катод заменили, дефект отполировали, резонатор пошел на сборку модуля.
(Конкурсное фото 3) Лёха примеряет фрагмент сверхпроводящего ускорителя для Европейского лазера на свободных электронах:
Справа лежат два полностью готовых резонатора - вместе с титановыми емкостями для жидкого гелия.
За этими снимками и отработкой технологии поиска и получения изображений дефектов на самом деле стоят несколько лет напряженной работы и пара-тройка диссертаций. Почти год ушел только на подтверждение того, что такой метод не ухудшает работу резонатора.
Все вопросы задавайте в комментариях.
С Новым годом!
Существует миф, что после глобальной ядерной войны все вымрут, но выживут лишь тараканы.
Проверим его, используя линейный ускоритель.
Дальше надо смотреть.
Этот текст - небольшое введение к серии статей об ускорителях частиц. Тут я кратко опишу все "зачем, для чего и почему". Постараюсь вообще без формул.
На фото - рентгеновский лазер на свободных электронах E-XFEL. Здесь и далее во всех статьях все фото и картинки, кроме отдельно обозначенных - мои.
Технически, к ускорителям можно отнести и электронно-лучевые трубки, и рентгеновские трубки и т.п. Но поговорим мы о полноценных ускорителях.
С помощью электромагнитного поля ускорить можно все, что имеет электрический заряд: электроны и протоны (и их античастицы - позитроны и антипротоны), их комбанацию - ионы или голые ядра, а еще мюоны и т.д., но это уже экзотика.
Базовые принципы для их ускорения совершенно одинаковые, но, при одинаковом электрическом заряде, протон в 1840 раз тяжелее электрона. Так как ускорение происходит только благодаря заряду, то электрон разгоняется намного легче. И поворачивает в магнитном поле тоже "резче". Именно из-за этого дизайн лептонных (электроны или позитроны) ускорителей значительно отличается от адронных (протононы/антипротоны/ионы/ядра).
Зачем их вообще ускорять? Ну, во-первых, их можно столкнуть друг с другом или с чем-нибудь еще и посмотреть, что получится. Такое делают в коллайдерах. Сумеречные гении исполюзуют их для подтверждения своих теорий о строении вселенной. И, хотя коллайдеры у всех на слуху, они занимают лишь малую долю среди ускорителей.
В тоннеле коллайдера HERA-B на глубине 30 метров.
Еще ускорители используют в медицине: разгоняют протоны и направляют в человека. Протоны залетают вглубь тканей и там тормозятся. Причем, тормозятся на определенной глубине (зависит от начальной энергии протонов) почти не повреждая ткани, через которые они прошли. При торможении выделяется тепло и ионизирующее излучение и убивает клетки вокруг. Таким способом можно убить опухоль в глубине тканей ничего не разрезая.
По горизонтали - глубина от поверхности кожи, по вертикали - количество поглощенной энергии. Протоны (красная линия) дают максимальную дозу в глубине тканей. Электроны (фиолетовые точки) почти не проникают в ткани. Рентген (синяя линия для энергии 4МэВ (мега-электрон-вольт) и зеленая для 20МэВ) дает большую дозу в большом объеме тканей, а не только в опухоли. Взято в Википедии
БОльшая же часть ускорителей используются в качестве источников излучения, как в науке так и в индустрии. Индустрии, как правило, интересно рентгеновское излучение для просвечивания всего на свете. Получается оно от торможения ускоренных электронов о препятствие-мишень, а затем направляется на исследуемый объект.
Для просвечивания чего-нибудь более плотного, чем человек (например, этого Porsche), рентгеновской трубки недостаточно, нужен ускоритель. Но просвечивали мы там вовсе не Porsche.
В научных исследованиях ускорители используются для получения излучения разных длин волн для огромного количества методов спектроскопии, микроскопии и структурного анализа. Ими пользуются физики, химики, биологи и еще большое число специалистов в своих исследованиях. И требования к излучению у ученых намного выше, чем в индустрии. Нужно поярче, получше сфокусировать, нужна произвольная длина волны от глубокого инфракрасного излучения до жесткого рентгена, с нужной поляризацией (или без нее). А еще лучше, если излучение будет лазерным, а не просто светом (на первой фотографии - рентгеновский лазер длиной в 3,5 км в строительсте которого я участвовал, про него я еще напишу). А еще иногда нужны сами электроны, а не излучение.
Для таких исследований во многих странах построены центры синхротронного излучения. Сердцем такого центра является синхротрон: кольцо-накопитель, в котором по кругу (на самом деле там не совсем круг) летают ускоренные до скорости света электроны. Ладно, почти до скорости света - 99% и выше. На практике их скорость принимают равной скорости света и говорят не о скорости, а о энергии. В синхротронах энергия электронов обычно от 0,5 ГэВ до десятка ГэВ (гига-электрон-вольт).
Схема здания с синхротроном BESSY II. Маленькое желтое кольцо - бустерный ускоритель, большое цветное - кольцо-накопитель. Взято в сети.
Внутри тоннеля BESSY II. Подробно будет в отдельной статье
Вокруг кольца построены измерительные станции - к ним от кольца подается луч света. А на станции сидят лохматые ученые с кучей оборудования и используют этот луч для своих измерений. На одном синхротроне может быть до нескольких десятков станций (или линий, по английски beam-line).
Тот же синхротрон с отмеченными измерительными станциями, объединенными в 16 измерительных линий. Картинка из сети.
Обычно ученые с этим ускорителем никак не связаны: они приезжают из своих институтов, меряют несколько дней и уезжают. На их место приезжают другие и т.д. Время измерений на каждой линии расписано на пол-года - год вперед. Для ускорителя ученые - пользователи. А ускоритель для пользователей - просто инструмент.
Три измерительных станции на линейном рентгеновском лазере FLASH-II. Излучение приходит внутри вакуумных труб слева снизу.
Наука развивается и пользователи хотят более высокие разрешение (не только пространственное, но и временное, частотное, по энергии) и интенсивность. Иногда этого можно добиться модернизацией ускорителя, а зачастую надо проектировать и строить новый. Поскольку ускоритель круглосуточно работает на пользователей, то экспериментировать с его настройками/апгрейдами очень непросто (позже я напишу пару статей о таких экспериментах. с фотками, конечно). Для отработки некоторых решений приходится строить отдельные ускорители.
Про один из таких проектов и будут следующие статьи.
Сегодняшний наш репортаж с легендарного для советской науки места, а именно с ускорителя в ИФВЭ имени А.А. Логунова.
Институт физики высоких энергий был основан в 1963 году. Целью его создания было проведение фундаментальных исследований основополагающих сил природы и строения материи на ускорителе протонов.
Управляющей организацией является НИЦ Курчатовский институт.
В начале 1960 года в Протвино развернулось масштабное строительство самого крупного в мире в то время ускорителя. В его строительстве были применены новейшие технологии, и очень точные расчеты.
Завершилось строительство в 1967 году. В институте решаются различные задачи, разрабатываются и применяются уникальные и новые методы и технологии, которые захватывают различные области науки и техники.
Все разработки, проходят полный цикл (идея-технология-образец-производство).
Также, специалисты центра ионно-лучевой терапии ИФВЭ подготовили и провели развёрнутый цикл экспериментальных исследований по отработке воздействия ионного «ножа» - потенциального разрушителя раковых клеток.
Оказалось, что комбинированное воздействие ионно-протонного углеродного потока приводит к неожиданному результату. Действует принцип суперпозиции, когда один эффект, накладываясь на другой, выводит результирующий поток на более высокий уровень, от которого раковые клетки спастись уже не могут.
Чередуя (или сочетая? Пока это до конца не выяснено) такие импульсы, учёные центра рассчитывают успешно бороться с онкологическими вызовами.
С физической точки зрения предлагаемый комплекс включает в себя установку для андронной спектроскопии, которая использует положения квантовой термодинамики.
В частности, устанавливаются характеристики ионно-протонных пучков, которые изменяют значения электронных порогов их стабильного существования. Это и является основой для проведения эффективной ионно-лазерной терапии.
Перспективы
Следует отметить, что подобными процессами занимаются не только в Курчатовском институте, но также и в Японии, КНР, Германии, ряде других стран.
Вопрос стоит не только в том, кто быстрее достигнет результатов, но и в том, чтобы эти результаты стабильно подтверждались на других пациентах и на других формах рака.
Основные резервы данного способа учёные ИФВЭ видят в разнообразии параметров изменения энергетического состояния ионно-протонных пучков.
Так, уже доказано, что выход пучка из ускорителя должен быть медленным, а далее разгонять частицы до требуемых значений уже по пути к бомбардируемым раковым клеткам.
Положительной особенностью новой установки считается её хорошая управляемость. Благодаря регулирующим узлам уникальной конструкции происходит однозначная идентификация и собственно протонов, и продуктов их взаимодействия с заряженными частицами.
P.S. Материал получился скорее в жанре промышленного репортажа, чем научно-популярная статья. Надеюсь, хотя бы фотографии покажутся интересными.
Источник - коллективный блог проекта
Фотографии и текст: Алёна Бионышева