Выпуски бюллетеня

ТомНомер
13 1
12 1 2 3 4 5 6
11 1 2 3 4 5 6
10 1 2 3 4 5
9 1 2 3 4 5
8 1 2 3 4 5
7 1
6 1 2 3 4
5 1 2 3 4 5 6
4 1 2 3 4 5 6
3 1 2 3 4 5 6
2 1 2 3 4 5
1 1 2
0 0

Тематический указатель

Новый детектор для обновленного БАК и FCC

2015, Tом 12, выпуск 6
Тематика: НТСП устройства

В последнее время активно обсуждаются планы по модернизации большого адронного коллайдера (БАК), которые включают в себя как значительное увеличение магнитного поля диполей и квадруполей при сохранении существующего диаметра ускорительного кольца, так и постройку совершенно нового ускорителя с диаметром кольца до 100 км и сверхпроводниковой магнитной системой с характеристиками на грани современных технологических возможностей (проект Future Circular Collider, сокращенно FCC).

Не стоит забывать, что любой современный ускоритель не ограничивается магнитной системой для ускорения заряженных частиц, сверхпроводниковые магниты детекторов давно стали неотъемлемой частью любого ускорительного комплекса. Сверхпроводниковые магнитные системы установленных на большом адронном коллайдере детекторов ATLAS и CMS до сих пор остаются одними из крупнейших сверхпроводниковых устройств.

На недавно прошедшей конференции EUCAS-2015 был представлен разработанный командой ЦЕРН проект магнитной системы перспективного детектора для FCC. Предлагается создание устройства циклопических размеров с массой в несколько тысяч тонн и с запасенной энергией 56 Гдж, что в 35 раз больше, чем у детектора ATLAS и в 20 раз больше, чем у CMS. Внешний вид магнитной системы детектора изображен на Рис. 1, крохотная точка внизу рисунка, это человек. Сверхпроводниковый магнит будет достигать 43 м в длину при максимальном диаметре 27 м. 

Рис. 1. Общий вид магнитной системы перспективного детектора FCC.

Магнитная система детектора будет состоять из двух коаксиальных соленоидов: внутреннего с полем в 6 Тл и внешнего соленоида, который служит для магнитного экранирования. Использовать для этих целей железо, как это было сделано в магните CMS, невозможно, так как в этом случае масса установки превысит все разумные пределы. Диаметр и длина внутреннего соленоида составят 14 м и 20 м, размеры внешнего соленоида будут составлять 27 м и 10 м. Магнитные поля соленоидов детектора направлены в разных направлениях, в промежутке между соленоидами создается магнитное поле в 2,8 Тл, которое используется для обнаружения мюонов. На краях магнитной системы располагаются диполи, сложная форма которых обусловлена требованиями на взаимную компенсацию сил и крутящих моментов.

В сверхпроводниковых магнитах детектора предполагается использовать токонесущие элементы на основе ниобий-титановых проводников. Для внешнего и внутреннего соленоидов будет использована скрутка из ниобий-титановых и алюминиевых жил диаметром 64 мм, заключенная в оболочку из высокопрочного алюминиевого сплава сечением 90х90 мм. Большая часть от сечения токонесущего элемента - 60% - будет приходиться на его оболочку, еще 34% сечения займут жилы алюминиевого стабилизатора и пустоты между ними, сверхпроводник займет лишь 6%. В токонесущем элементе предполагается использовать ниобий-титановый стренд с коэффициентом заполнения по сверхпроводнику 50%. Рабочий ток такого токонесущего элемента составит 80 кА при критическом токе около 400 кА (для 4,6 К и 6,4 Тл). Распределение магнитного поля в обмотках соленоидов детектора FCC показано на Рис. 2.

Для оболочки токонесущего элемента предполагается использовать сплавы Al-6060-T6 или Al-7020.72, предел текучести которых при температуре 4,5 К составляет соответственно 350 МПа и 700 МПа. Предельная величина механических напряжений в обмотках соленоидов выбрана на уровне 70 МПа. Столь низкой величины механических напряжений удалось добиться при помощи конической опорной структуры и специальных боковых обмоток, без них механические напряжения в диполях превышали бы 150 МПа. 

Рис. 2. Распределение магнитного поля в соленоидах детектора FCC

В диполях будет использован токонесущий элемент аналогичной конструкции с уменьшенным сечением и рабочим током 20 кА. Более половины холодной массы магнитной системы диполя приходится на удерживающую обмотки опорную структуру. Предельные механические напряжения в обмотках диполей также будут на уровне 170 МПа. Основные параметры обмоток соленоидов и диполей детектора представлены в Таблице 1.

Таблица 1. Основные параметры сверхпроводниковых обмоток детектора FCC

 

Соленоиды

Запасенная энергия

56 ГДж

Общая масса

5600 т

Масса сверхпроводника

2300 т

Масса криостатов и опорной структуры

2200 т

Рабочий ток

80 кА

Индуктивность

16,6 Гн

Максимальное поле на обмотке

6,44 Тл

Температура после перехода в нормальное состояние

88 К

Диполи

Запасенная энергия

1,5 ГДж

Холодная масса

375 т

Масса сверхпроводника

138 т

Рабочий ток

20 кА

Индуктивность

7,5 Гн

Максимальное поле на обмотке

6 Тл

 

На первый взгляд, для создания такого детектора требуется огромное количество сверхпроводника, которое в разы превосходит мировой объем производства (около 600 тонн для ниобий-титановых проводов). Однако, необходимо отметить, что на сверхпроводящий провод приходится лишь 6% от всего сечения токонесущего элемента, остальной объем которого заполнен алюминиевыми жилами и оболочкой. Потребности магнитной системы детектора FCC в сверхпроводящем проводе можно оценить на уровне 500 тонн, что по масштабам, сопоставимо с затратами на ИТЭР.

Очевидно, что такой крупный ускоритель как FCC одним детектором не ограничится. Будем ждать дальнейших новостей из ЦЕРН. 

 

 

Matthias Mentink, Alexey Dudarev, Helder Filipe Pais Da Silva, Christophe Paul Berriaud, Gabriella Rolando, Rosalinde Pots, Benoit Cure, Andrea Gaddi, Vyacheslav Klyukhin, Hubert Gerwig, Udo Wagner, and Herman ten Kate, «Design of a 56 GJ Twin Solenoid & Dipoles Detector Magnet System for the Future Circular Collider» IEEE/CSC & ESAS SUPERCONDUCTIVITY NEWS FORUM (global edition), January 2016. EUCAS 2015 preprint 1A-LS-P-05.08. Submitted to IEEE Trans. Appl. Supercond. for possible publication.

В.И.Щербаков

Главная | Новости | Бюллетень | Конференции | Поиск публикаций в базе данных | Новое в базе данных
Российские организации | Энциклопедия | Цели сайта | Контакты | Полезные ссылки | Карта сайта | Помощь

© Copyright 2006-2012. Использование материалов сайта возможно только с обязательной ссылкой на сайт.
Свои замечания и пожелания вы можете направлять по адресу perst@isssph.kiae.ru
Техническая поддержка Alexey, дизайн Teodor.