Большой Адронный коллайдер
Оглавление
Оглавление 1
Подробная информация 9
Протонные пучки в LHC 9
Магнитная система LHC 11
LHC — сокращение от Large Hadron Collider, Большой адронный коллайдер. «Большим» он назван из-за своего размера (его периметр составляет примерно 27 км), «адронным» — потому что он ускоряет протоны и тяжелые ядра, которые являются адронами (то есть частицами, состоящими из кварков), «коллайдером» — потому что ускоряются эти частицы в двух пучках, циркулирующих в нём в противоположных направлениях, и в специальных местах сталкиваются друг с другом.
LHC находится на территории Швейцарии и Франции, вблизи Женевы, в туннеле на глубине около 100 метров (раньше в этом же туннеле располагался электрон-позитронный коллайдер LEP). Исследования на нём координирует ЦЕРН — Европейский центр ядерных исследований, но реально работают на нём десятки тысяч человек из самых разных стран и организаций.
В LHC можно выделить сам ускоритель и несколько детекторов, построенных вокруг точек столкновения протонов. В самом ускорителе протоны разгоняются до энергии 7 ТэВ на протон, так что полная энергия в системе центра масс двух сталкивающихся протонов равна 14 ТэВ. В каждом из двух встречных пучков — многие миллиарды протонов, поэтому полная энергия, запасенная в пучке, очень велика, она примерно равна кинетической энергии летящего самолета.
Детекторы — это отдельные экспериментальные установки, по своей сложности не уступающие самому ускорительному кольцу. На LHC работает сразу несколько экспериментов, каждый со своим детектором. Два самых главных — это ATLAS и CMS; см. также список других экспериментов.
Устройство LHC
LHC — самая сложная экспериментальная установка, когда-либо созданная человеком. Ускоритель и детекторы начали строиться более 10 лет назад; отдельные их компоненты создавались и тестировались в сотнях научных лабораторий мира, да и сама сборка ускорителя и детекторов на месте заняла около двух лет. Беглый взгляд на устройство и задачи LHC даст вот этот видеоролик. LHC будет работать в течение нескольких лет и должен будет решить ряд поставленных перед ним задач. Ожидается, что данные LHC приведут к бурному развитию физики элементарных частиц, что скажется на всей физике в целом.
История строительства
Идея проекта LHC родилась в 1984 году и была официально одобрена десятью годами позже. Строительство LHC началось в 2001 году после окончания работы предыдущего большого ускорителя CERN — электрон-позитронного коллайдера LEP (Large Electron-Positron Collider).
На коллайдере LHC предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5,5 ГэВ (то есть 5,5·109 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов.
Большой адронный коллайдер строится в существующем туннеле, который прежде занимал LEP. Туннель с периметром 26,7 км проложен на глубине около ста метров на территории Франции и Швейцарии. Для удержания и коррекции протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Последний из них был установлен в туннеле 27 ноября 2006 года. Магниты будут работать при температуре −271 °C. Строительство специальной криогенной линии для охлаждения магнитов закончено 19 ноября 2006 года.
Первые тестовые столкновения с энергией 900 ГэВ (так называемый Commission Run) должны быть проведены летом 2008 года. Отметим, что энергия сталкивающихся пучков во время Commission Run будет в два раза ниже, чем энергия в системе центра масс на коллайдере Tevatron. В конце 2008 года планируется выход на энергию 7 ТэВ, а потом — достижение проектной энергии в 14 ТэВ.
После запуска LHC будет самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, почти на порядок превосходя по энергии своих ближайших конкурентов — протон-антипротонный коллайдер Tevatron, который в настоящее время работает в Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми (США) и Релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США).
|
|
Ускоритель — это установка для разгона пучков элементарных частиц; коллайдер — это такой тип ускорителя, в котором разгоняются два пучка частиц в противоположных направлениях и сталкиваются друг с другом. В русскоязычной терминологии коллайдер называют также ускорителем на встречных пучках.
С точки зрения научной задачи сам ускоритель выполняет только полдела — он лишь сталкивает частицы. Изучением результатов столкновения занимаются детекторы элементарных частиц — специальные многослойные установки, собранные вокруг точек столкновения. Иногда ускорителем называют тандем «ускоритель + детекторы»; в этом случае, если надо подчеркнуть, что речь идет именно об ускорителе, а не о детекторах, часто говорят «ускорительное кольцо». На этой страничке рассказывается именно об устройстве ускорительного кольца LHC.
Общий вид
LHC — циклический (то есть кольцевой) коллайдер; пучки протонов или ядер свинца циркулируют в нём непрерывно, совершая свыше 10 тысяч оборотов в секунду и сталкиваясь на каждом круге со встречным пучком. На рисунке 1 показана схема расположения основных элементов ускорительного кольца LHC.
Всё кольцо LHC поделено на восемь секторов, границы которых отмечены точками от 1 до 8. На каждом участке (1–2, 2–3 и т. д.) стоят в ряд магниты, управляющие протонным пучком. Благодаря магнитному полю поворотных магнитов сгустки протонов не улетают прочь по касательной, а постоянно поворачиваются, оставаясь внутри ускорительного кольца. Эти магниты формируют орбиту, вдоль которой движутся протоны. Кроме того, специальные фокусирующие магниты сдерживают поперечные колебания протонов относительно «идеальной» орбиты, не давая им задевать стенки довольно узкой (диаметром несколько сантиметров) вакуумной трубы(Подробнее про проведение протонных пучков в ускорителе Вы можете узнать в разделе подробной информации).
Внутри ускорителя идут рядом друг с другом две вакуумные трубы, по которым циркулируют два встречных протонных пучка, каждый в своем направлении. Эти две трубы объединяются в одну только в специально выделенных местах — в точках 1, 2, 5, 8. В этих точках происходят столкновения встречных протонных пучков, и именно вокруг них построены четыре основных детектора: два крупных — ATLAS и CMS, и два средних — ALICE и LHCb. Вблизи двух крупных экспериментов установлены также два специализированных мелких детектора — TOTEM и LHCf.
В точке 4 расположена ускорительная секция. Именно здесь протонные пучки при разгоне получают с каждым оборотом дополнительную энергию. В точке 6 находится система сброса пучка. Здесь установлены быстрые магниты, которые в случае необходимости уводят пучки по специальному каналу прочь от ускорителя. В точках 3 и 7 установлены системы чистки пучка; кроме того, эти места зарезервированы для возможных будущих экспериментов.
Протонные пучки попадают в LHC из предварительного ускорителя SPS. Линии передачи пучка (Tl2 и Tl8), соединяющие два этих кольцевых ускорителя вместе со специальными магнитами на каждом из них, составляют вместе инжекционный комплекс коллайдера LHC (от слова «инжекция» — впрыскивание пучка). Поскольку на SPS пучок крутится только в одну сторону, инжекционный комплекс состоит из двух линий и имеет несимметричный вид. В ускорительное кольцо SPS протоны попадают из источника через цепочку еще меньших ускорителей.
Магнитная система LHC
Как и любое тело, сгусток элементарных частиц, предоставленный сам себе, будет двигаться прямолинейно и равномерно. Для того чтобы удерживать его на круговой траектории внутри ускорителя (а также поддерживать от падения вниз под действием силы тяжести), требуется постоянно воздействовать на пучок магнитным полем.
На LHC для управления пучками используется несколько тысяч магнитов разного назначения. Именно они являются самой важной (и самой дорогой) частью ускорителя. Траекторией пучков управляют поворотные магниты, которые слегка разворачивают пролетающий сквозь них пучок и удерживают его внутри кольцевой вакуумной трубы. Имеются также фокусирующие магниты, не дающие пучку расплыться, и разнообразные корректирующие магниты. В точках инжекции и сброса пучка установлены специальные быстрые магниты (Подробней о магнитной системе Большого адронного коллайдера Вы можете узнать в разделе подробной информации).
Инжекционный комплекс
Протоны поступают в LHC из предварительного ускорителя SPS («Протонного суперсинхротрона»). Имеются две линии передачи пучка, которые отходят от SPS в двух местах и подходят к ускорительному кольцу LHC вблизи точек 2 и 8 (эти линии называются Tl2 и Tl8). Инжекционный комплекс — это сложное инженерное сооружение, работоспособность которого зависит не только от правильной настройки магнитной системы, но и от точной синхронизации ритма работы SPS и LHC.
Инжекция (то есть «впрыскивание») протонов в LHC происходит не непрерывно, а импульсами. Во время работы LHC линии передачи пустуют, а в предварительном ускорителе SPS накапливается очередная порция протонов. В конце каждого цикла работы LHC высокоэнергетический пучок сбрасывается, и коллайдер подготавливается к приему новой порции протонов. В течение нескольких минут следует серия импульсных включений и выключений быстрых магнитов на концах линии передачи протонов, в ходе которых протонные сгустки переводятся из SPS в LHC и один за другим выстраиваются на свои «позиции» в пучке, не мешая уже циркулирующим сгусткам.
Перед тем как попасть в SPS, протоны проходят через несколько ускорителей меньшего размера. Полный ускорительный комплекс ЦЕРН изображен на рисунке 2. Вначале с помощью ионизации протоны добываются из газообразного водорода, затем их разгоняют до энергии 50 МэВ в линейном ускорителе и впрыскивают в бустер PSB. Там протоны разгоняются до энергии 1,4 ГэВ, переводятся в протонный синхротрон PS, ускоряются до 25 ГэВ и только после этого попадают в SPS. В нём они разгоняются до 450 ГэВ и инжектируются в LHC. Похожую последовательность ускорителей проходят и ядра свинца, правда в их случае есть специфика, связанная с нагревом и атомизацией свинцового образца и ионизацией атомов.
|
Ускорительная секция
Протоны впрыскиваются в LHC на энергии 0,45 ТэВ и ускоряются до 7 ТэВ уже внутри основного ускорительного кольца. Этот разгон происходит во время пролета протонов сквозь несколько резонаторов, установленных в точке 4.
|
Резонатор представляет собой полую металлическую камеру сложной формы, внутри которой возбуждается стоячая электромагнитная волна с частотой колебаний примерно 400 МГц. Эффективное и однородное ускорение всего пучка переменным полем оказывается возможным благодаря тому, что весь пучок разбит на отдельные сгустки, следующие на строго определенном расстоянии друг за другом. Когда сгусток протонов пролетает сквозь резонатор, электромагнитное колебание находится как раз в такой фазе, чтобы электрическое поле вдоль оси пучка подталкивало протоны вперед.
Фаза колебания поля в резонаторе настроена так, что в момент пролета частиц электрическое поле не максимально, а нарастает. Так делается для того, чтобы автоматически выравнивать энергию ускоряемых частиц. Если какой-то протон случайно оказался более энергичным, чем соседи, он вырывается вперед и на следующем круге приходит в ускоряющую камеру с небольшим опережением. Из-за этого он получает чуть меньше добавочной энергии, чем остальные протоны. И наоборот, если протон случайно потерял немного энергии и оказался в хвосте своего сгустка, то при следующем пролете через ускорительную секцию он получил побольше энергии. Это свойство сгустка частиц называется автофазировкой.
Ускорение протонов с энергии инжекции 0,45 ТэВ до 7 ТэВ происходит довольно медленно, примерно за 20 минут. Скорость этого процесса ограничена вовсе не мощностью ускорительной секции, а скоростью усиления магнитного поля в поворотных магнитах — ведь оно должно расти синхронно с энергией частиц для того, чтобы удерживать их в вакуумной трубе неизменного радиуса.
Колебания электромагнитного поля в резонаторе порождают сильные токи, текущие по поверхности камеры. Для того чтобы избежать тепловых потерь энергии, резонаторы на LHC тоже работают в сверхпроводящем состоянии при температуре 4,5 К (–268,7°C). Впрочем, внутренняя поверхность резонатора не идеальна и неизбежно содержит маленькие дефекты, на которых выделяется тепло. Но поскольку резонаторы сделаны из меди, это тепло быстро отводится.
Система сброса пучка
Протонный пучок на полной энергии и интенсивности обладает большой разрушительной силой (представьте себе энергию летящего реактивного самолета, сфокусированную в поперечнике меньше миллиметра). В норме пучок циркулирует внутри вакуумной камеры и не задевает аппаратуру. Однако если в управляющей магнитной системе произойдет сбой или траектория пучка слишком сильно отклонится от расчетной, пучок станет опасен, и его нужно будет быстро сбросить. Кроме того, сброс ослабевшего пучка надо делать каждые несколько десятков часов и при нормальной работе ускорителя.
Всем этим занимается специальная система сброса пучка, установленная в точке 6. В ней размещены специальные быстрые магниты, которые при необходимости включаются в считанные микросекунды и слегка отклоняют пучок. В результате протоны сходят с круговой орбиты, затем пучок дефокусируется, по специальному каналу уходит прочь от ускорителя и в отдельном зале безопасно поглощается массивными карбон-композитными блоками (блоки от этого сильно нагреваются, но не плавятся).
Вакуумная и криогенная техника, система контроля и безопасности
Для того чтобы протонные пучки могли свободно циркулировать в LHC, внутри ускорительной трубы создан сверхглубокий вакуум. Давление остаточных газов составляет порядка 10–13 атм. Однако даже при таком низком давлении время от времени происходит столкновение протонов с молекулами остаточного газа, что сокращает время «жизни пучка» до нескольких дней.
Несмотря на то что вакуумная труба небольшая, радиусом примерно 5 см, она очень длинная, так что полный объем, подлежащий вакуумированию, сопоставим с крупным зданием. Кроме того, из-за многочисленных контактов и соединений, а также из-за большой площади внутренней поверхности вакуумной камеры задача по поддержанию нужного вакуума оказывается очень непростой.
Еще одной важной частью инфраструктуры ускорителя является криогенная система, охлаждающая ускорительное кольцо. Она поддерживает в поворотных магнитах (а также в некоторых других элементах) температуру 1,9 К (то есть –271,25°C), при которой сверхпроводник безопасно держит нужный ток и создает требуемое магнитное поле. Для поддержания рабочей температуры ускорителя используется уникально высокая теплопроводность сверхтекучего гелия. По гелиевому каналу на LHC можно передавать киловатты теплового потока при перепаде температур всего 0,1 К на расстоянии в километр!
Криогенная система на LHC многоступенчатая. Для охлаждения используется 12 миллионов литров жидкого азота и почти миллион литров жидкого гелия. LHC в ходе работы будет потреблять 2-3 грузовика жидкого азота и порядка 500 литров жидкого гелия в день.
В точках 3 и 7 расположены устройства для «чистки» пучка. Когда протонный пучок движется внутри вакуумной трубы, то протоны колеблются в поперечной плоскости, и некоторые из них могут отклониться от идеальной траектории довольно далеко. Такие «блуждающие» протоны (на языке физиков — «гало пучка») могут задеть стенки вакуумной трубы или аппаратуру. Даже если это будет ничтожная доля от всего протонного пучка, они могут локально нагреть или даже повредить аппаратуру. Например, локальное энерговыделение всего в несколько сотых долей джоуля на кубический сантиметр способно вызвать переход поворотного магнита из сверхпроводящего в нормальное состояние, что приведет к срочному сбросу пучка.
Система чистки пучка механическим образом отсекает гало пучка. Для этого в непосредственную близость к пучку (на расстояние всего пару миллиметров!) придвигаются массивные блоки — «челюсти» коллиматора. Они поглощают «блуждающие» протоны, но не мешают основной части пучка. Впрочем, «отсеченные» протоны тоже небезопасны — они сильно нагревают материал коллиматора, а также порождают на нём поток частиц более низкой энергии («вторичное гало»), которое тоже приходится отсекать вторичными коллиматорами.
Подробная информация Протонные пучки в LHC
Разбиение на сгустки
Протонный пучок в ускорителе вовсе не выглядит как однородный непрерывный «протонный луч». Он разбит на отдельные сгустки протонов, которые летят друг за другом на строго определенном расстоянии. Каждый сгусток — это тончайшая «протонная иголка» длиной несколько десятков сантиметров и толщиной в доли миллиметра.
В максимуме производительности каждый из двух встречных пучков на LHC будет состоять из 2808 сгустков, идущих друг за другом на расстоянии в несколько метров, а в каждом сгустке будет примерно по 100 миллиардов протонов. Однако на этот режим ускоритель выйдет не скоро. В первые месяцы работы в каждом пучке будет всего по 2 сгустка, затем по 43 сгустка и так далее. Именно поэтому светимость LHC в первые пару лет работы будет довольно низкой.
Разбиение пучка на сгустки полезно по нескольким причинам. Главная из них — именно так удобно ускорять протоны в резонаторах. Более того, благодаря явлению автофазировки ускорительная секция сама поддерживает сгустки «в форме», не давая им расплываться в продольном направлении. Кроме того, сгустки сталкиваются в центре детектора в четко определенные моменты времени. Это делает детектирование результатов столкновений более эффективным, поскольку в течение «мертвого времени» детекторов (того времени, за которое электроника детектора считывает следы частиц и подготавливает детектор к следующему столкновению) никаких других столкновений, могущих помешать считыванию данных, не происходит.
Поперечные колебания
Поворотные магниты стремятся направить протонный пучок вдоль строго определенной круговой траектории внутри вакуумной трубы — идеальной орбиты. Однако в силу разных причин протоны не следуют строго вдоль этой орбиты, а слегка колеблются относительно нее в поперечном направлении. Эти колебания называются бетатронными колебаниями.
Предсказать динамику бетатронных колебаний кольцевого ускорителя очень сложно. Из-за того что пучки много раз проходят одно и то же кольцо с неизменным набором магнитов, даже мельчайший сдвиг какого-то одного магнита может начать «раскачивать» бетатронные колебания на каждом обороте. Чтобы этого избежать, требуется устранять все резонансы между циклическим движением пучка по кольцу и бетатронными колебаниям. По этой же причине первый пучок, запущенный в коллайдер, не будет сразу непрерывно циркулирующим, а скорее всего «вылетит» после нескольких оборотов. Для получения циркулирующего пучка надо запускать сгусток за сгустком и подстраивать магнитную систему так, чтобы делать их траекторию более устойчивой.
Слишком большие бетатронные колебания могут стать опасными для аппаратуры. Если пучок начнет отклоняться от идеальной траектории больше, чем на пару сантиметров, то он может задеть стенки вакуумной трубы. Для того чтобы этого не случилось, имеются датчики, которые контролируют положение пучка внутри трубы и в случае необходимости дают сигнал для сброса пучка.
Поперечные размеры
Поскольку в каждом сгустке имеется много одноименно заряженных частиц, они расталкиваются из-за электрических сил, и поэтому пучок имеет тенденцию расплываться в поперечных размерах. Магнитная система управления пучками удерживает их от расплывания. При движении через ускоритель поперечные размеры пучков поддерживаются довольно большими — порядка миллиметров, но в точке пересечения пучков они сильно фокусируются, вплоть до нескольких сотых долей миллиметра.
На рис. 1 показаны расчетные траектории двух встречных пучков вблизи точки пересечения внутри детектора ATLAS. Масштаб рисунка сильно сжат: если поперечные размеры показанного параллелепипеда равны нескольким сантиметрам, то его длина составляет на самом деле несколько сот метров. Для настоящего масштаба этот рисунок надо растянуть вдоль примерно в 10 тысяч раз. Изломы на траектории пучков соответствуют положению различных магнитов, которые отклоняют или фокусируют пучки. Заметьте, насколько сильно сфокусированы пучки в месте пересечения по сравнению с их размерами в остальной части ускорителя.
|
Как и любое тело, сгусток элементарных частиц, предоставленный сам себе, будет двигаться прямолинейно и равномерно. Поэтому для того, чтобы удерживать его внутри ускорительного кольца, требуется постоянно воздействовать на пучок.
Удобнее всего это делать с помощью магнитного поля. Электрически заряженные частицы, пролетая сквозь область магнитного поля, поворачиваются в плоскости, перпендикулярной полю. Угол поворота зависит от силы поля и от импульса частиц. Благодаря этому можно конструировать магниты, которые будут выполнять самые разные задачи по управлению пучком: поворачивать, фокусировать или корректировать его орбиту.
Поворотные магниты
Поворотные магниты — это мощные электромагниты, стоящие вдоль всего ускорительного кольца и направляющие протонные пучки по узкой вакуумной трубе. Внутри трубы они создают магнитное поле перпендикулярно плоскости ускорительного кольца и с его помощью поворачивают пролетающие мимо протоны на небольшой угол.
Поворотные магниты создавались для LHC по уникальной технологии. Во-первых, из-за того, что надо поворачивать два встречных пучка протонов, пришлось делать не один, а два магнита с противоположными полярностями под единой оболочкой. Во-вторых, для того, чтобы минимизировать соединения между магнитами, их сделали очень длинными — длиной почти 15 метров. Подчеркнем, что провода наматывались вовсе не вокруг вакуумной трубы, а вдоль нее — именно так можно создать магнитное поле, перпендикулярное плоскости кольца.
Всего на LHC установлено 1232 таких магнитов. Это сверхпроводящие магниты, сделанные из низкотемпературного сверхпроводника ниобий–титан и рассчитанные на работу при температуре 1,9 К. Каждый из них может держать до 11 килоампер тока и создавать магнитное поле с индукцией 8,3 тесла — в сотню тысяч раз больше, чем магнитное поле Земли. Полная энергия, запасенная в одном магните, составляет примерно 10 МДж. Ниобий-титановые кабели состоят из множества тончайших волокон, в 10 раз тоньше человеческого волоса; полная длина всех волокон, созданных для LHC, превышает расстояние от Земли до Солнца. В течение нескольких лет на создание волокон для LHC уходило свыше четверти всего производимого в мире ниобий-титанового сплава.
К поворотным магнитам предъявляются очень строгие требования.
Они должны создавать очень сильное магнитное поле: чем сильнее магнитное поле, чем более высокоэнергетические протоны можно удержать внутри кольца заданного радиуса. Сверхпроводящие дипольные магниты, использующиеся на LHC, создают магнитное поле вплоть до 8,2 тесла. Именно это число и определяет максимальную энергию протонов на LHC — 7 ТэВ.
Магнитное поле должно быть очень однородным по всему сечению вакуумной трубы, иначе чуть отклонившиеся протоны уже начнут заворачиваться по слегка иному радиусу и «не впишутся» в вакуумную трубу (радиус вакуумной трубы составляет всего 5 см, а радиус кольца — 4 км!).
Как и во всяком синхротроне, сила магнитного поля должна плавно подстраиваться под энергию протонов. Поэтому она должна быть легко управляема.
Из-за того что используются сверхпроводящие электромагниты, необходимо принять меры безопасности, связанные с переходом из сверхпроводящего состояния в нормальное. В сверхпроводящем состоянии сильный ток циркулирует в обмотках электромагнита без затухания и не нагревает его. Однако если какой-то участок обмотки слегка нагрелся, например из-за попадания пучка протонов, то он перейдет в нормальное состояние, обретет ненулевое сопротивление, и на нём начнет выделяться тепло, которое быстро разрушит магнит.
Чтобы этого избежать, дипольные магниты спроектированы таким образом, что, как только начинается локальное выделение тепла, сразу по всему магниту включаются «нагреватели», которые быстро переводят весь магнит целиком в нормальное состояние. В этом случае вся запасенная в магните энергия (7 мегаджоулей) выделяется не локально в магните, а сбрасывается на специальном демпфирующем резисторе и не приводит к каким-либо разрушениям. Этот процесс называется «гашением тока» (по-английски — «quench»); все магниты, установленные в LHC, проверялись на безопасное гашения тока. Авария, случившаяся на LHC 19 сентября 2008 года, при которой около 100 магнитов безопасно перешли в нормальное состояния с гашением тока, невольно послужила хорошей проверкой этой системы.
Фокусирующие магниты
Поскольку пучки состоят из положительно заряженных протонов, они стремятся разойтись в стороны из-за электрического отталкивания между протонами. Чтобы это предотвратить, пучки требуется фокусировать. Отчасти эту задачу выполняют поворотные магниты: в них поле устроено так, чтобы частицы, отклонившиеся от оптимальной траектории, возвращались к ней.
Однако перед точками столкновений очень важно сфокусировать пучки как можно лучше. Чем меньше поперечный «размер фокуса», тем больше вероятность столкновений протонов друг с другом, а значит, тем выше светимость ускорителя. Уменьшение поперечного размера пятна в 2 раза приводит к увеличению светимости в 16 раз (то есть один и тот же эксперимент можно вместо одного года провести за пару недель).
Эта фокусировка пучков перед точками столкновений осуществляется «магнитными линзами» — фокусирующими квадрупольными магнитами. Эти магниты длиной свыше трех метров создают внутри вакуумной трубы перепад магнитного поля 223 тесла/метр. У квадрупольного магнита есть важное отличие от обычной оптической линзы — он может фокусировать пучок в вертикальной плоскости, дефокусируя его в горизонтальной, или наоборот. Поэтому для того, чтобы сфокусировать пучок в обоих направлениях, требуется использовать комбинацию из нескольких квадрупольных магнитов разного действия.
Магниты специального назначения
В месте инжекции протонов в кольцо LHC, а также в точке сброса пучка стоят специальные магниты — кикеры (англ. «kickers») и септумы (англ. «septa», мн. ч. от «septum»). В ходе нормальной работы LHC эти магниты выключены, а включаются они только в тот момент, когда очередной сгусток протонов «впрыскивается» в LHC из предварительного ускорителя или когда пучок выводится из ускорителя.
Главная особенность этих магнитов в том, что они включаются очень быстро, примерно за 3 микросекунды — это намного меньше, чем время полного оборота пучка по LHC. Если, скажем, система слежения за пучком обнаружила, что он вышел из-под контроля и начинает задевать аппаратуру, то эти магниты включаются в точке 6 и быстро выводят пучок из ускорителя.
Рис. 5. Специальные магниты, использующиеся в системе сброса пучка. Протонный пучок на своем пути проходит через специальный магнит — септум (1). В нём близко друг к другу расположены два канала: один с сильным магнитным полем, второй — без поля. В норме пучок идет по каналу без поля. Однако в случае необходимости кикер (2) резко включается и смещает пучок в канал с магнитным полем. В этом случае протонный пучок на выходе идет уже по другому пути. Он проходит через расфокусирующий магнит (3) и затем направляется в специальный зал, где он поглощается массивными блоками (4). Рис. с сайта
|
|
