Thе review contains a brief description of the constructions SC dipoles of hadron accelerator/colliders and large SC solenoids for particle detectors.
Введение После открытия в 1961 году сверхпроводящих (СП) материалов с высоким значением критических параметров, стало очевидно, что появился серьезный конкурент у традиционных электромагнитов. После решения ряда сложных физико-технических проблем и разработки технологии изготовления СП материалов настала очередь широкомасштабного использования СП устройств в большинстве ускорительных центров.
Последние тридцать лет специалисты физики высоких энергий инициировали разработку сверхпроводящих магнитов с целью увеличить энергию пучка и уменьшить размеры оборудования и затраты на сооружение и эксплуатацию новых установок. В настоящее время использование СП магнитов дипольного типа в магнитной структуре протонных синхротронов на большие энергии стало общепринятым.
В 1997г. испытан прототип дипольного магнита длиной 1 м на основе интерметаллического соединения Nb3Sn в Lawrence Berkeley Natinal Laboratory (LBNL). После "тренировки" магнита, которая составляла 40 переходов СП обмотки в нормальное состояние, в апертуре диаметром 50 мм было достигнуто магнитное поле 13,5 Тл при температуре 1,8 К.
Как отмечено в [1], это достижение перекрывает рекорд в 11,03 Тл, установленный в 1995г. на метровой модели СП диполя с апертурой 50 мм, изготовленной Twente University (Netherlands) и испытанной в CERN. В ближайшее время планируется провести испытания дипольного магнита с обмотками из Nb3Sn, рассчитанного на создание поперечного магнитного поля 16 Тл [2].
Можно отметить, что в СП соленоиде уровень магнитного поля 10 Т был достигнут уже в 1963 г. на основе обмотки из Nb3Sn-ленты, а рубеж 20 Тл пройден в 1987 г. при помощи комбинации из четырех секций.
Первый ускоритель на основе СП магнитов.
Основная задача, решаемая при использовании СП диполей в магнитной структуре ускорителей тяжелых частиц на высокие энергии, состоит в повышении индукции отклоняющего магнитного поля, что ведет к увеличению уровня достижимой энергии. Дополнительным преимуществом является снижение затрат энергии на электропитание магнитов, что компенсирует возрастание расходов на охлаждение магнитов.
В 70-х годах с целью удвоения энергии протонного синхротрона FNAL был принят проект Doubler/Saver в рамках которого обычные магниты были заменены на сверхпроводящие. В соответствии с названием проекта переход на СП магниты позволил увеличить энергию пучка за счет удвоения отклоняющего магнитного поля и сократить потребление электроэнергии. Реализация этого проекта во FNAL позволила в 1983~г получить в существующем туннеле с периметром 6,28 км энергию 800 ГэВ.
Дипольные магниты занимают основную часть кольца ускорителя, и поэтому определяют, как правило, стиль выполнения всех остальных элементов магнитной структуры. Величина и качество магнитного поля в СП магнитах определяется конфигурацией СП обмоток, а ярмо обратного магнитного потока выполняет вспомогательную функцию по экранированию рассеянных полей.
После запуска антипротонного источника в 1987 г. и начала работы "магнитной дорожки" в режиме встречных пучков в одном кольце на энергию 1.8 ТэВ в системе центра масс пучков установка получила наименование Tevatron. Рекордная энергия протонного пучка, полученного на первом в мире СП ускорителе, остается непревзойденной до сих пор.
Tevatron стал первой ускорительно-накопительной установкой, использующей для "магнитной дорожки" сверхпроводящие магниты как средство продвижения в область высоких энергий. Сверхпроводящие дипольные магниты и квадрупольные линзы имеют обмотки из сплава NbTi и удовлетворяют жестким требованиям к качеству магнитного поля. Оптимизация конструкции СП магнитов и отработка технологии промышленного производства потребовали значительных усилий разработчиков.
Требования к СП магнитам для ускорителей.
Рабочий режим синхротронов включает фазу ускорения заряженных частиц, в ходе которой магнитное поле меняется от небольшой величины ~0,5 Тл (поля инжекции) до высоких значений ~5 Тл (при выводе частиц на неподвижную мишень или накоплении частиц на магнитной дорожке для взаимодействия во встречном режиме). При изменении магнитного поля индуцируются вихревые токи в различных компонентах конструкции магнита, что приводит в результате к тепловыделениям в магните и повышает нагрузку на криогенную систему охлаждения. Динамические потери, возникающие в импульсном режиме работы, могут повысить температуру магнита выше критического значения и привести к переходу СП обмотки в нормальное состояние.
Конструкция СП кабеля обмоток дипольных магнитов определяется условиями работы магнитов: в режиме ускорения заряженных частиц магнитное поле синхронно растет с увеличением энергии. Проекты ранних ускорителей были рассчитаны на машины с фиксированной мишенью, в которых количество взаимодействий непосредственно определяется числом ускорительных циклов. Из-за высоких скоростей изменения магнитного поля основной проблемой в разработке СП магнитов были динамические потери на вихревые токи.
В дальнейшем перешли к установкам на встречных пучках, где были низкие скорости изменения магнитного поля, но необходимо было накапливать значительно большие токи пучка в процессе инжекции, что требовало малой намагниченности СП обмотки, особенно при инжекции заряженных частиц, которая осуществляется при малых магнитных полях. Для уменьшения гистерезисных потерь и намагниченности обмоток магнитов в токонесущем элементе используется большое количество (свыше тысячи) достаточно тонких (диаметром ~5 мкм) СП нитей.
Имеется ряд принципиальных особенностей в требованиях к конструкции СП магнитов для ускорителей в отличие от других традиционных областей использования СП магнитов, например, больших СП соленоидов для детекторов заряженных частиц. Эти отличия привели к тому, что конструирование таких магнитов стало особой областью техники и технологии. При создании СП магнитов для ускорителй было необходимо решить ряд специфических задач, чтобы удовлетворить следующим требованиям:
Данные требования приводят к тому, что разработка конструкции магнита является сложной и комплексной задачей. В частности, стремление повысить плотность тока в обмотке приводит к частичной стабилизации СП материала и, как следствие, к необходимости решать проблему защиты СП обмотки от разрушения при переходе в нормальное состояние.
Требования к качеству магнитного поля определяют высокую точность изготовления деталей конструкции и сложную технологию сборки магнита. Большие пондемоторные силы, действующие на сверхпроводник, требуют тщательно разработанной методики фиксирования СП обмотки с помощью бандажа сложной конструкции, который накладывается и закрепляется с определенной нагрузкой под прессом.
В обмотках магнитов необходимо предусмотреть защиту СП обмотки от перехода в нормальное состояние и стабильность СП материала к скачкам магнитного потока, поэтому СП нити помещают в матрицу из меди, а для минимизации вихревых токов при изменении магнитного поля композитные проволоки твистируются (скручиваются). Для продолжительной работы СП магнита в условиях повышенной радиации и сверхнизких температур в конструкции необходимо использовать радиационно стойкие материалы. Требования к идентичности магнитов обязывает разработать технологию изготовления магнита, пригодную для использования в заводских условиях промышленного производства.
Дипольные магниты FNAL, содержащие два слоя СП оболочки, соответствуют конфигурации обмоток типа "пересекающихся эллипсов". Использование трех и большего числа слоев осложнено технологическими проблемами и поэтому в используемых конструкциях диполей, как правило, применялись двухслойные обмотки на основе NbTi, Nb3Sn материалов, или их комбинации. Например, в Беркли группа высокополевых магнитов разрабатывает комбинированный дипольный магнит из двух слоев. Внутренний обмоточный блок изготавливается на основе Nb3Sn, а внешняя обмотка на основе NbTi [3]. Дипольные магниты BNL (Brookhaven Natinal Laboratory, USA), которые разрабатывались в рамках проекта ISABELLE можно отнести к типу cos(TETA). Однослойная обмотка содержала шесть токовых СП блоков в каждой из двух половин. Число витков в блоках и их геометрия подобраны таким образом, что обеспечивается косинусоидальное распределение тока в обмотке. Впоследствии подобная конфигурация магнита была реализована в рамках проекта RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider).
В данный момент вопрос выбора конструкции СП магнитов [4]. Этот проект, принятый руководством CERN в 1994 г., представляет ускорительно-накопительный комплекс на энергию встречных адронных пучков 7+7 ТэВ. Основу идеи, заложенной при проектировании в [4], составляет предложение "два в одном", которое заключается в использовании общего криостата, единого "холодного железа" и бандажа для двух СП магнитов, размещенных вблизи. Данное предложение вызвано необходимостью сократить затраты на создание двух СП дорожек и вписаться в габариты существующего туннеля LEP, с периметром около 27 км.
Понятно стремление разработчиков СП магнитов достичь максимальных значений магнитного поля, существует много расчетов высокополевых магнитов, например, в работе [5] рассматриваются варианты создания СП диполей для ускорителей в интервале 15-20 Т. Достигнуть рекордное значение магнитного поля в отдельных магнитах достаточно сложная задача. Но не менее трудная задача состоит при создании большого числа идентичных магнитов, параметры которых удовлетворяют требования, предъявляемые к магнитам ускорителей.
Возможности создания СП магнитов на высокие значения магнитного поля во многом определяются состоянием технологии и техническим воплощением расчетов, выполненных на бумаге. В следующем разделе более подробно рассмотрим воплощение идей в конструкции реальных магнитов для ускорительных комплексов.
Особенности конструкций СП магнитов различных ускорителей.
В табл.1 приведены основные параметры СП магнитов дипольного типа крупных ускорительно-накопительных установок.
| № | Ускоритель | Макс. Поле [Т] | Поле инжекц. [Т] | Ток обм. [кА] | Темп. [К] | Число диполей | Длина[м] | Аперт. [мм] | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Tevatron (USA) | 4,4 | 0,66 | 4,4 | 4,6 | 774 | 6,1 | 76 | |
| 2 | HERA (FRG) | 4,68 | 0,23 | 5,03 | 4,5 | 422 | 8,8 | 75 | |
| 3 | RHIC (USA) | 3,46 | 0,4 | 5,09 | 4,6 | 396 | 9,4 | 80 | |
| 4 | ISABELLE (USA) | 5,0 | 0,4 | 4,25 | 4,6 | 744 | 4,75 | 80 | |
| 5 | УНК-II (Россия) | 5,0 | 0,67 | 5.25 | 4,6 | 2176 | 5,77 | 80 | |
| 6 | SSC (USA) | 6,79 | 0,68 | 6,5 | 4,35 | 3972 | 15,2 | 50 | |
| 7 | LHC (CERN) | 8,36 | 0,58 | 11,5 | 1,9 | 1232 | 14,2 | 56 |
Кратко рассмотрим особенности конструкций СП магнитов больших ускорительно-накопительных комплексов. Впервые отклоняющие СП магниты для ускорителя были применены во FNAL (США), и созданная конструкция во многом определила последующие разработки. К основным достижениям конструкторов можно отнести плоский транспонированный СП кабель, известный как резерфордовский тип токонесущего элемента. Удачная конструкция бандажа позволяет жестко фиксировать двухслойную обмотку, намотанную плоским кабелем.
Многие предложения, реализованные в СП магнитах FNAL, привели к стилю, основная особенность которого в точной фиксации обмоток с помощью листов сборного бандажа. Обжатие под прессом используется не только для сборки ламинированного теплого ярма, но также для сборки листов бандажа: половинки бандажа из листовой нержавеющей стали толщиной 1,5 мм фиксируют наружную поверхность катушек. Бандаж под гидравлическим прессом сжимается до начальных размеров и затем эти половинки скрепляются с помощью особых замков или сваркой. Такая процедура обеспечивает предварительную нагрузку на обмоточный блок, которая при охлаждении до гелиевых температур снижается за счет разных коэффициентов термоусадки обмоток и бандажа, но позволяет сохранить фиксацию обмоток.
FNAL разработал конструкцию СП магнита, позволившую организовать массовое производство магнитов в заводских условиях, но в то же время с сохранением точностей изготовления магнитов.
Размещение железного магнитопровода обратного потока вне криостата привело к уменьшению материала в области криогенных температур. Конструкция криостата компактна по сравнению с другими разработками, но величина магнитного поля в апертуре зависит от расположения холодных СП катушек относительно теплого ярма. Недостатком этой разработки стала сложная конструкция криостата и необходимость юстировки СП обмотки относительно ярма, что усложняет эксплуатацию оборудования.
Можно отметить, что впервые "холодное железо" для ярма СП диполя было предложено в БНЛ (США) Для проекта ISABELLE была предложена конструкция в которой ярмо обратного потока размещено в криостате. Магнитопровод из низкоуглеродистой стали выполнял также роль бандажа, фиксирующего однослойную обмотку, состоящую из шести токовых блоков в каждой из двух половин. Число витков в блоках и их геометрия подобраны таким образом, что обеспечивается косинусоидальное распределение тока в обмотке. Для компенсации насыщения железа в больших магнитных полях были предусмотрены корректирующие обмотки, запитываемые от отдельного источника питания.
В первоначальном варианте конструкции СП диполя для ISABELLE технология сборки магнита была своеобразной: СП обмотка охлаждалась в жидком азоте, а стальные кольца, исполняющие также роль бандажа, нагревались в печи, и затем осуществлялась горячая "посадка". Процедура, которая выглядела достаточно эффектно, тем не мене была неэффективна и не избавляла от "тренировки" СП обмоток в процессе ввода тока. Параллельно велась разработка конструкции СП диполя в FNAL, и успешный запуск Тэватрона в первую очередь объясняется удачной конструкцией отклоняющего СП магнита.
Основные проблемы у разработчиков СП диполей ISABELLE были связаны с тем, что работа в области, близкой к насыщению стали, приводит к необходимости учета нелинейности характеристик магнитного материала. Если внутренний диаметр магнитного экрана близок к внешнему диаметру СП катушки, то часть железа насыщается и может искажать поле. Близкое размещение ярма к СП обмотке и требование к получению в апертуре магнитного поля с индукцией до 5 Т затруднили получение в диполях ISABELLE требуемого качества поля.
При испытании моделей СП диполей BNL с NbTi-обмоткой длиной 4,5 м было достигнуто поле 4,9 Т при температуре 4,6 К. В книге [6] приведены основные параметры дипольных и квадрупольных СП магнитов, а также параметры кабеля для сверхпроводящих ускорителей FNAL и ISABELLE.
Причиной закрытия проекта ускорительно-накопительного протонного комплекса ISABELLE, в Брукхэйвене, рассчитанного на получение в пересекающихся кольцах с периметром 2,64 км энергии 2x400ГэВ стала разработка проекта суперколлайдера SSC. Дополнительной причиной прекращения финансирования явилась и "задержка на старте", связанная с проблемой создания конструкции СП диполя, надежного в работе и технологичного в изготовлении.
Можно отметить, что опыт, полученный в BNL при разработке конструкции магнитов для ISABELLE, не пропал даром и пригодился впоследствии при создании СП диполей RHIC, рассчитанных на получение магнитного поля меньшей величины.
Наиболее простая и экономичная конструкция магнитов RHIC вызвана тем, что СП обмотка cos(TETA) типа имеет только один слой. Было отлажено индустриальное производство магнитов в заводских условиях с производительностью один дипольный и два квадрупольных магнита с "холодным железом" за день [7]. Железное ярмо используется для силовой поддержки бандажных обхватов. Впервые в RHIC удалось снизить затраты на испытания, отказавшись от холодных измерений. Важным фактором в принятии такого решения было поведение магнитов при переходе в нормальное состояние и хорошая корреляция между теплыми и холодными измерениями на первых 33 магнитах [8]. Запуск коллайдера RHIC, запланированный на 1999 год, позволит ускорить тяжелые ионы вплоть до 197Au при энергии, достигающей 100 ГэВ/нуклон. По проекту в существующем туннеле длиной 3,8 км размещены два рядом расположенных кольца, содержащих СП магниты и 6 мест встречи пучков. Общее число СП-элементов составит 1740 единиц, из них 396 диполей и 492 квадруполей.
Единственный рефрижиратор мощностью 24,8 кВт рассчитан на охлаждение СП-магнитов до температуры ниже 4,6 К.
Вторым примером в использовании СП магнитов для удержания протонного пучка на орбите стала ускорительно-накопительная установка HERA (Hadron-Electron Ring Accelerator facility) для встречных электрон-протонных пучков с энергиями соответственно 30 ГэВ и 820 ГэВ, которая вступила в строй действующих в 1992 году в Германии. HERA -- первый в мире коллайдер, на котором реализованы столкновения встречных пучков легких и тяжелых частиц, был построен в содружестве [9].
Для протонного кольца установки HERA были разработаны конструкции прототипа СП диполя как с "теплым" так и с "холодным" ярмом [10]. Железное ярмо, размещенное непосредственно за бандажом при низкой температуре, позволяет точно центрировать обмотки по отношению к экрану. Близкое расположение железа позволяет получить большее поле в апертуре, но в то же время насыщение железа приводит к ошибке в поле.
Окончательный выбор конструкции решился в пользу "холодного" варианта СП магнита. Данная конструкция более жесткая и не требует специальных держателей, связанных с внешней средой при комнатной температуре, но криостат становится больше и тяжелее. Значительно увеличиваются затраты времени (и жидкого гелия) на охлаждение оборудования до криогенных температур.
Эта конструкция позволяет решить проблему защиты магнитов с использованием "холодных диодов", подключенных к выводам магнитов. Защитные диоды, расположенные внутри криостата, открываются при появлении активного напряжения на СП магните и превышении определенного значения (~3 В). Диоды шунтируют СП обмотку и позволяют обеспечить запасной путь в системе питания кольцевого электромагнита, который содержит 422 дипольных и 224 квадрупольных магнитов, соединенных последовательно. При переходе СП обмотки в нормальное состояние дополнительно включается нагреватель для избежания локального перегрева, а запасенная электромагнитная энергия выводится на поглощающий резистор.
На протонном кольце установлено в общей сумме 2156 СП элементов, которые производились промышленностью с производительностью 8 СП магнитов дипольного типа и 6 - квадрупольного за неделю. "Холодные" испытания всех магнитов проводились в DESY, и 93% общего числа магнитов достигли номинальное значение тока за первый или второй ввод, т.е. не потребовали дополнительной "тренировки" [11].
Два больших детектора ZEUS и H1 начали работать с декабря 1991 г., а в апреле 1992 г. начались эксперименты со встречными пучками [11].
Трудности у создателей СП магнитов установки HERA были из-за ошибок при выборе параметров кабеля, т.к. толстые СП нити (диаметром свыше 10 мкм) привели к большой намагниченности и, как следствие, к плохому качеству магнитного поля. Это обстоятельство вынудило усложнять магнитную структуру дополнительными корректирующими магнитами.
Kриогенные системы охлаждения СП магнитов и проблемы экономики.
Другой ряд вопросов, возникающих при создании СП ускорителей, относится к организации коллективной работы большого числа СП магнитов в составе оборудования ускорительного комплекса. Одна из основных причин использования СП магнитов в ускорителях состоит в возможном снижении расхода электроэнергии при работе. Но выигрыш в применении СП магнитов может оказаться мнимым если расходы на охлаждение СП обмоток до криогенных температур выйдут за разумные рамки. Дополнительные мощности энергопитания необходимы для запитки СП-магнитов.
Можно отметить, что при сегодняшнем развитии криогенной техники, энергозатраты на производство 1 Вт холода при Т = 4,4 К составляют в лучших криогенных установках ~300 Вт, для УНК принят уровень ~400 Вт. Максимальная холодопроизводительность системы криогенного обеспечения УНК [12] составляет 50 кВт при Т = 4,4 К, что соответствует двойному запасу и позволяет проводить форсированное охлаждение СП магнитов, после перехода в нормальное состояние. Вдоль кольца длиной около 21 км размещено 6 сателлитных рефрижиратора, производительностью 2400 л/час каждый.
При указанной мощности криогенной системы охлаждение СП магнита УНК с "холодной массой" около 5(103 кг до рабочих температур занимает менее суток. В случае выхода из строя СП магнита его замену на новый можно произвести за 6 суток.
Выбор в качестве рабочей температуры Т = 4,6 К и создание давления выше атмосферного позволяет избавиться от проблем, связанных с "подсосом" воздуха и возможных образований "пробок" из газов, с более высокой температурой конденсации. Криостат рассчитан на подъем давления до 20 атм, но при переходе СП магнитов в нормальное состояние давление не превышало 10 атм.
Для охлаждения СП магнитов выбрана схема с одновременным использованием потоков однофазного и двухфазного гелия. Непосредственно для охлаждения СП обмотки используется стабильный однофазный поток жидкого гелия. Двухфазный гелий протекает в специальных трубах, где отнимает тепло от однофазного. Статические теплопритоки составляют ~5 Вт на магнит и суммарная нагрузка СП диполя на криогенную систему охлаждения в ускорительном цикле не превышает 11 Вт.
Следует отметить, что СП магниты с "холодным" ярмом имеют специфическое соотношение материалов в низкотемпературной зоне. Так для СП диполя УНК массой 5030 кг, основная часть приходится на ярмо (4010 кг) и бандаж из нержавеющей стали (920 кг), а СП кабель токонесущего элемента (~100 кг) составляет только ~2% от полного веса!
Проект LHC, который ориентирован на СП магниты с "холодным" ярмом при сверхтекучем гелии требует еще больших затрат электроэнергии на охлаждение. Дополнительную проблему может создать попадение атмосферного воздуха в низкотемпературную среду с пониженным давлением.
Характеристики сверхтекучего гелия как охладителя СП~магнитов кольца LHC рассмотрены в [13]. Основной недостаток конструкции СП~диполя в большом объеме "холодной массы", при полном весе криостата около 31 т, около 25 т приходится на часть конструкции (в основном - ярма магнитопровода), расположенной в низкотемпературной зоне. Полный вес "железа" магнитной структуры, распределенной по длине 26.7 км и охлаждаемой до температуры сверхтекучего гелия, составляет около тридцати тысяч тонн [14].
Для охлаждения кольца LHC предполагается использовать криогенные мощности, созданные для LEP2. Охлаждение СП резонаторов LEP2, расположенных по периметру кольца на участках с полной длиной 2 км, потребовало создания 4 криогенных станций, каждая с 12~кВт на уровне температуры 4.5 К. Для охлаждения LEP2 используется 9.6 т гелия, а для LHC потребуется на порядок большая величина запасов гелия (93.5 т). Для охлаждения до температуры сверхтекучего гелия СП~магнитов LHC, занимающих 24 км часть кольца, потребуется криогенное оборудование, рассчитанное на получение 150 кВт на уровне 4.5 К [15].
Состояние по разработке СП~магнитов LHC доложено в [16]. Изготовлены и испытаны четыре модели СП~диполей длиной 10~м и два прототипа длиной 14.2 м, изготовленных промышленным способом. Проведено испытание стандартной ячейки, содержащей три диполя и квадруполь, моделирующей поведение участка магнитной структуры.
Следует отметить, что за последние годы происходит изменение первоначальных планов создания оборудования, например, в [14] предполагалось, что начало массового производства СП магнитов в промышленных масштабах произойдет в 1997 г. Но в настоящее время вопрос индустриального производства магнитов не рассматривается в связи с отсутствием проработанного варианта дипольного магнита.
Можно вспомнить историю проектирования наиболее масштабной установки, известной как сверхпроводящий "суперколлайдер" (SSC-Superconducting Supercollider) и рассчитанной на получение энергии взаимодействия протонных пучков 20(2 ТэВ в 1995г. Проект протон-антипротонного коллайдера SSC на энергию 20(2 ТэВ был рассмотрен в 1979 г. на II-м совещании ICFA, и проектные параметры установки приведены в [17].
В 1983 г. коллайдер SSC был рекомендован Комитетом по физике высоких энергий министерству энергетики США и было решено подготовить проект с оценкой стоимости. После подготовки физического обоснования SSC планировалось начиная с 1988 финансового года затратить 3,2 млрд. $ на создание "суперколлайдера", причем дополнительно выделялось 1,2 млрд. $ на разработку и изготовление детекторов, закупку компьютеров и проведение научно-исследовательских работ. К началу 90-х годов выяснилось, что упомянутые цифры финансирования проекта SSC, следует по меньшей степени удвоить. Дополнительно сказалось глобальное "потепление" в мире, что в конечном итоге и "заморозило" идею грандиозного "суперколлайдера". Осенью 1993 года сооружение "суперколлайдера" SSC было остановлено по финансовым причинам.
В 1993г. в Дубне введен в действие жесткофокусирующий сверхпроводящий ускоритель релятивистких ядер - "Нуклотрон", ставший третьим примером использования СП магнитов в больших кольцах [18]. Этот ускоритель позволяет ускорять протоны до 12 ГэВ, а ионы тяжелых элементов (включая уран) до энергий 6 ГэВ на нуклон. За счет использования СП магнитов удалось снизить энергозатраты и уменьшить массу кольца до 80 тонн.
В первоначальном проекте "Нуклотрона" предлагалось использовать СП магниты дипольного типа с "холодным" ярмом, рассчитанные на получение магнитного поля 5 Т. СП обмотки предполагалось выполнить в виде ряда концентрических слоев (6 слоев) с распределением обмоточного провода по слоям, обеспечивающем требуемую форму поля.
В последующем за основу диполя была принята конструкция, представляющая О-образный тип магнита. В зарубежной литературе такая конструкция магнита известна под оригинальным названием "Window frame magnet" - "оконная рама". Электромагнит с неявно выраженными полюсами, зазор которого расположен внутри замкнутого ярма. Дипольные магниты нуклотрона типа "оконной рамы" создают магнитное поле ~2 Т, которое формируется в основном холодным ярмом. Плоская СП обмотка служит для намагничивания ярма, прямоугольная форма которого определила название "оконная рама". В данном случае не требуется особой формы полюсов и почти во всем пространстве между обмотками поле достаточно хорошее, однако топография магнитного поля зависит от расположения обмоток.
Магнитная система нуклотрона, имеющего периметр ~252 м, включает 96 дипольных магнитов длиной 1,5 м. Использование трубчатого СП кабеля упрощает конструкцию криостата и облегчает доступ к магнитной системе ускорителя. Полная охлаждаемая масса составила 80 тонн. Магнитная система с "холодным" железным ярмом и трубчатыми СП обмотками охлаждается потоком двухфазного гелия. Все 160 магнитов нуклотрона запитаны параллельно от системы криогенного обеспечения, которая содержит три ожижителя гелия полной холодопроизводительностью 4,8 кВт при 4,5 К. Можно отметить, что это на порядок меньшая величина по сравнению с мощностью криогенной системы LEP2.
Импульсный СП магнит "Нуклотрона" предназначен для работы при относительно высокой частоте повторения циклов ускорения: 0,25 - 0,5 цикл/с. Малая индуктивность обмоток и хорошие условия их криостатирования позволяют обеспечить высокую частоту циклов ускорения, при этом скорость изменения магнитного поля достигает 4 Т/с.
Оригинальна конструкция трубчатого СП кабеля [19]. На мельхиоровую трубку с внешним диаметром 5 мм и толщиной стенки 0,5 мм навиты 31 проволока с шагом 44 мм. Каждая проволока диаметром 0,5 мм содержит 2970 жил NbTi, скрученных с шагом твиста 4-6 мм. СП материал марки СКНТ-50 разработан в рамках программы создания УНК и высокие параметры проводника пригодились в других разработках.
Для фиксации проволок наложен бандаж из нихрома, поверх которого нанесена изоляция из полиимидной пленки и двух слоев стеклоленты, пропитанной эпоксидным компаундом. СП кабель данной конструкции имеет хорошее охлаждение, малые потери на вихревые токи. При хорошей электрической изоляции он достаточно гибок, что необходимо для изготовления обмоток.
Процесс разработки СП магнита начинается, как правило, выбором материала для токонесущего элемента обмотки, поэтому кратко рассмотрим особенности конструкции кабеля для дипольных магнитов ускорительных комплексов.
Технология изготовления многоволоконного ниобий-титанового провода и основные параметры традиционных СП материалов достаточно подробно описаны, например в [20].
Разработанный для ускорительных магнитов композит, как правило, представляет сложную конструкцию: проволока (диаметром ~1 мм), содержит свыше 104 скрученных жил NbTi, окруженных барьером и размещенных в медной матрице. Единичная проволока способна нести ток 500 А в поле 5 Т (при 4,2~К), а так как магниты для ускорителей рассчитываются на ток обмотки 5(10 кА, то применяется кабель, полученный скруткой проволок с последующей формовкой и нанесением изоляции.
Практически во всех дипольных СП магнитах используется кабель резерфордовского типа: несколько проволок (от 19 до 36) скручиваются и затем формуются в виде плоского двухслойного кабеля. Транспонирование проволок в кабеле применяется для того, чтобы уменьшить вихревые токи и обеспечить равномерное распределение токов.
Тонкие СП нити и низкая намагниченность обмотки необходимы при формировании магнитного поля, особенно при инжекции заряженных частиц, осуществляемой при низком уровне магнитного поля. Для этих целей предпочтительней иметь СП нити диаметром 5(10 мкм, которые можно экономно производить в фабричных условиях без разрушения и дефектов по длине. СП нити меньшего размера могут приводить к связи волокон через медную матрицу из-за близости расположения.
В табл. 2 приведены некоторые параметры СП кабеля, используемого в обмотках диполей больших ускорителей.
Параметры NbTi-кабеля для ускорителей.
| № | Ускоритель | Диаметр нити[мкм] | Ширина кабеля[мм] | Шаг скрутки [мм] | Покрытие проволок | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Tevatron (USA) | 6 | 7,8 | 66 | "зебра" | |
| 2 | HERA (FRG) | 14-16 | 10 | 95 | AgSn | |
| 3 | RHIC (USA) | 6 | 9,7 | 73 | Cu | |
| 4 | ISABELLE (USA) | 10 | 17 | 110 | AgSn | |
| 5 | УНК-II (Россия) | 6 | 8,5 | 62 | "зебра" | |
| 6 | SSC (USA) | 6 | 12,3 | 79 | Cu | |
| 7 | LHC (CERN) | 7/6 | 15 | 110/100 | не решено |
Для детектирования и анализа поведения заряженных частиц, рожденных при столкновении встречных пучков, необходимы магнитные поля в большом объеме. Детекторы обычно размещают в магнитном поле, чтобы по кривизне треков получить сведения об импульсе и заряде частиц.
Первое крупномасштабное использование СП обмоток связано с пузырьковыми камерами с жидким водородом больших детекторов. Конструкции этих магнитов достаточно полно описаны, а параметры приведены, например, в [21]. Применение СП кабеля позволило существенно снизить расход электроэнергии и уменьшить стоимость экспериментального оборудования. Впервые СП кабель использовался для магнита небольшой пузырьковой камеры в Аргонне (Argonne) в 1966 году, где через 3 года был создан большой СП-магнит с запасенной энергией W = 80 МДж (магнитное поле в центре B = 1,8 Т, внутренний диаметр обмотки -- 4,78 м).
В последующие годы подобные магниты заработали в Брукхэйвене (Brookhaven) (1970, B = 3 Т, W = 61 МДж), в FNAL (1972, B = 3 Т, W = 400 МДж) и в CERN (1972, B = 3,5 Т, W = 830 МДж). Объем большой европейской пузырьковой камеры BEBC составлял 33,5 м3. Для обмоток магнитов использовался криостатически стабилизированный сверхпроводник с матрицей из меди, что обеспечивало надежную работу установок и защиту от разрушения при переходе СП обмоток в нормальное состояние. Коэффициент заполнения проводника СП материалом обычно составлял ниже 10%, что приводило к относительно малым плотностям тока в обмотке: 3(5 кА/см2.
Параметры "тонких" СП соленоидов для детекторов
| Установка | Центр | Год пуска | Магн. Поле [Т] | Диаметр внутр. [м] | Длина [м] | Запас. Энергия [МДж] | Радиац. толщ. [X0] |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| CELLO | DESY | 1978 | 1,5 | 1,5 | 3,42 | 7 | 0,5 |
| CLEO | CORNELL | 1981 | 1,5 | 1,92 | 3,15 | 9,4 | 0,75 |
| TPS | SLAC | 1983 | 1,5 | 2,0 | 3,4 | 10,9 | 0,75 |
| CDF | FNAL | 1984 | 1,5 | 2,86 | 5,07 | 30 | 0.86 |
| TOPAZ | KEK | 1984 | 1,2 | 2,72 | 5,4 | 19,5 | 0,70 |
| VENUS | KEK | 1985 | 0,75 | 3,4 | 5,64 | 12 | 0,52 |
| AMY | KEK | 1986 | 3 | 2,2 | 1,54 | 40 | 10 |
| ALEPH | CERN | 1986 | 1,5 | 4,96 | 6,35 | 137 | 2 |
| CLEO II | CORNELL | 1987 | 1,5 | 2,9 | 3,8 | 25 | 2,5 |
| DELPHI | CERN | 1987 | 1,2 | 5,2 | 7,4 | 109 | 4,0 |
| КМД-2 | ИЯФ | 1991 | 1,0 | 0,7 | 0,9 | ~0,22 | 0,4 |
| H1 | DESY | 1994 | 1,2 | 5,2 | 5,75 | 120 | 1,2 |
| ZEUS | DESY | 1994 | 1,8 | 1,72 | 2,85 | 10,5 | 0,9 |
| Finuda | DAФNE | 1998 | 1,1 | 2,9 | 2,11 | 7,9 | - |
| АМПИР | ММФ | 1998 | 1,2 | 1,15 | 1,8 | 1,6 | 0,42 |
Для соленоидов с большим диаметром апертуры была разработана технология "внутренней намотки" с помощью специального оборудования: намоточное устройство располагается внутри цилиндрического суппорта и укладывает СП кабель на внутреннюю поверхность бандажа с гарантированным усилием. После укладки СП обмотки производится полимеризация эпоксидной изоляции. Первым "тонким" соленоидом, изготовленным по такой технологии стал TOPAZ и последующие соленоиды третьего поколения (ALEPH, DELPHI и CLEO-II). Применение "внутренней намотки" делает возможным изготовление соленоидов диаметром до 10 м, длиной до 20 м. С увеличением энергии пучков требуются все более крупные магниты для детекторов.
Состояние работ по разработке СП магнитов для детекторов рассмотрено в обзоре [23]. За последние годы технология изготовления СП соленоидов была отработана настолько, что сейчас возможно промышленное производство таких магнитов. В качестве примера можно привести детектор Finuda, который разработан фирмой Ansaldo и содержит СП соленоид, создающий магнитное поле в центре 1,1 Т с неоднородностью менее 5% в объеме 12 м3.
Для Московской мезонной фабрики разработан "тонкий" СП магнит АМПИР, описанный в работе [24]. В настоящее время идет проектирование установок ALICE, ATLAS, CMS, LHC-B и FELIX, предназначенных для будущих экспериментов на LHC.
Заключение.
Разработка новых ускорителей основана на использовании явления сверхпроводимости как для формирования "магнитной дорожки" (отклоняющие и фокусирующие СП магниты) и ускорения заряженных частиц (с помощью СП резонаторов), так и для целей детектирования частиц. Применение СП кабеля в обмотках крупных магнитов позволяет получить требуемое поле в большом объеме и снизить затраты на эксплуатацию.
По использованию сверхпроводимости в ускорительной технике проводились школы CERN в 1988 [25] и 1995 годах [26], где подробно освещены проблемы, возникающие при проектировании, изготовлении и использовании СП магнитов. Среди обзоров по СП магнитам для ускорителей отметим последние [27(30].
Целью рассмотрения состояния дел было выявить тенденции развития СП магнитов для ускорителей и дать текущие параметры и контрольные цифры.
Доклад на Всемирном электротехническом конгрессе (ВЭЛК-99), Москва, 1999 г.