Наверное, каждый из нас что-то слышал о Большом адронном коллайдере (БАК). По крайней мере запуск этой самой крупной экспериментальной установки в мире привлек к себе в 2008 году внимание не только ученых, но и простых обывателей. Какие только апокалиптические предсказания ни появлялись тогда. Но установка была запущена и успешно работает.
БАК – это ускоритель заряженных частиц, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов и изучения продуктов их соударений. Масштаб установки, расположенной в ЦЕРНе на границе между Францией и Швейцарией, впечатляет. Коллайдер представляет собой кольцевой туннель длиной порядка 27 км, залегающий под землей на глубине ста метров. БАК позволяет разгонять частицы до скоростей, близких к скорости света. Для фокусировки и удержания пучков летящих протонов используются сверхпроводящие магниты, их общая длина составляет около 22 километров.
В БАК происходит примерно миллиард столкновений протонов в секунду. Не более чем миллионная часть всех событий интересна для физиков. При этом особый интерес представляют события, в которых рождаются высокоэнергетические мюоны. В частности, Бозон Хиггса был обнаружен при детектировании частиц, на которые он распадается. Самыми лёгкими для наблюдения конечными состояниями распада являются либо два фотона, либо как раз четыре мюона.
Большой адронный коллайдер и 4 основных детектора отмечены на карте
В состав БАК входят 4 основных и несколько дополнительных детекторов. Детектор ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) – одна из самых больших установок вообще и крупнейшая из экспериментов на коллайдерах. Ее длина около 46 м при диаметре 25 м, типичный семиэтажный дом. В проекте участвуют около 2000 ученых и инженеров из 165 лабораторий и университетов из 35 стран, в том числе и из России. Мюонная система занимает 3/4 ее объема и позволяет реконструировать траектории мюонов с точностью около 80 мкм. Единственным подходящим типом детекторов при таком сочетании размеров и точности определения траектории являются детекторы, где в качестве рабочей среды выступает газ.
|
|
|
Общий вид детектора ATLAS и его основные компоненты
В ATLAS используется несколько типов газовых мюонных детекторов. В связи с начатой в 2018 году модернизацией БАК, призванной увеличить доступную интенсивность пучков, также было принято решение о модернизации ATLAS. Существующая мюонная система заменяется на новую, в состав которой входят детекторы Micromegas (Micro Mesh Gaseous Structure). Разработкой и созданием этих детекторов занимаются ученые Объединенного института ядерных исследований в Дубне.
Принцип действия этого типа газовых детекторов основан на ионизации газа заряженными частицами, пролетающими в пространстве между электродами (катод и микросетка), к которым прикладывается напряжение для создания электрического поля в несколько сотен В/см (см. рис.). Электроны, образующиеся в результате ионизации, дрейфуют в направлении микросетки и области усиления. В области усиления между микросеткой и анодом происходит лавинное усиление сигнала за счет создаваемого электрического поля величиной 40–50 кВ/см. Такая конструкция детектора Micromegas обеспечивает его высокое быстродействие и широкий динамический диапазон измерения.
Принцип работы детектора Micromegas, включая базовые параметры камер ATLAS-NSW
Одним из факторов, определяющих характеристики газовых детекторов является состав используемой газовой смеси. Можно покупать готовые газовые смеси заданного состава или создавать смесь самостоятельно, динамически смешивая потоки исходных газов в необходимой пропорции. Особенно на стадии разработки предпочтителен второй подход, так как исследователь может плавно регулировать состав, добиваясь оптимальных рабочих характеристик детектора. Кроме того, готовые смеси либо слишком дороги, либо имеют недостаточную точность по составу.
Задачи динамического приготовления газовых смесей успешно решаются с помощью тепловых массовых регуляторов расхода серии EL-FLOW Prestige. Принципиальная схема для приготовления смеси приведена на рис. Абсолютная точность измерения у этих приборов составляет 0,5% от показаний, а стабильность поддержания заданного расхода не хуже 0,1%. При требовании к точности состава смеси для детектора в 2% использование расходомеров Bronkhorst® более чем оправдано.
|
|
|
Схема динамического приготовления смеси Ar и CO2 для заполнения Micromegas детектора в ОИЯИ
Следует особо отметить, что расходомеры EL-FLOW Prestige измеряют массовый расход газа, что позволяет создавать смесь с заданной массовой (мольной) долей компонентов, а не объемной. При этом расходомеры EL-FLOW Prestige осуществляют автоматическую коррекцию показаний по температуре и давлению газа. Таким образом, вариации температуры и давления окружающей среды или внутри газовой схемы в этом случае практически не оказывают влияния на состав смеси (соотношение атомов исходных газов) внутри детектора. Это гарантирует стабильность состава создаваемых смесей во времени (дни, месяцы).
При использовании расходомеров, измеряющих объемный расход, например, поплавковых ротаметров, одному и тому же показанию расхода может соответствовать различное количество атомов газа, проходящих через прибор в единицу времени. Дело в том, что массовый расход, который определяет состав смеси при динамическом приготовлении, связан с объемным расходом через рабочие температуру и давление газа. А они могут варьироваться (комнатная температура, температура баллона, давление в газовой схеме). В результате состав смеси может изменяться в широких пределах и не воспроизводиться от раза к разу.
Существенная особенность расходомеров серии EL-FLOW Prestige состоит в том, что внутрь прибора записана информация о 100 газах. Исследователь может легко переключиться на необходимый рабочий газ. Не нужно отправлять прибор в сервисный центр для перекалибровки, что значительно экономит средства и время лаборатории.
Еще одним применением тепловых расходомеров серии EL-FLOW при производстве детекторов Micromegas в лаборатории ОИЯИ стала проверка герметичности изделия. При проведении этого теста есть несколько особенностей. Во-первых, камера гибкая, и ее внутренний объем сильно зависит от давления. Во-вторых, величина течи зависит от давления, при котором проводится тест. В связи с этим проверка герметичности проводится при одном установленном давлении, а расход газа не должен превышать порогового значения.
Схема проверки герметичности приведена ниже. Регулятор поддерживает расход, необходимый для создания требуемого избыточного давления. Расходомер откалиброван на малые расходы (единицы мл/мин) и позволяет определить наличие течи и оценить ее размер.
|
|
|
Схема проверки герметичности детектора Micromegas в ОИЯИ
В заключение хочется сказать, что Большой адронный коллайдер одно из самых сложных и наукоемких творений современности. Пример плодотворного международного сотрудничества ученых со всего мира. Отрадно, что наши российские ученые являются неотъемлемой частью этого проекта. И отчасти мы, с продукцией компании Bronkhorst®.
По материалам и в сотрудничестве с Лабораторией ядерных проблем Объединённого института Ядерных Исследований им. В.П. Джелепова.
