Магнитная кухня: как в Дубне готовят кварковый суп

В конце 2024 года в Дубне планируют запустить NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) — сверхпроводящий коллайдер протонов и тяжёлых ионов. Устройство должно помочь учёным получить кварк-глюонную плазму (дальше объясним, что это). За разработку одного из ключевых элементов ускорителя, сверхпроводящих магнитов, заместитель директора по научной работе Лаборатории физики высоких энергий Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ) Гамлет Ходжибагиян получил премию «Вызов» в номинации «Инженерное решение» (кстати, Газпромбанк — среди соучредителей премии). Мы поговорили с учёным и вместе разобрались, для чего нужно получать кварк-глюонную плазму и что ещё изменят сверхпроводящие магниты в будущем.

Начнем с самого начала. Согласно современным научным представлениям, наша Вселенная возникла около 13 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва. В первые мгновения после события вся материя находилась в особом состоянии, известном как кварк-глюонная плазма, или «кварковый суп», или «хроноплазма». По мере расширения и остывания Вселенной эта плазма сформировала знакомые нам сегодня частицы. Этот короткий период (от 0,000001 до 1 микросекунды) ранней Вселенной и является предметом изучения современных физиков.

Почему это важно? Исследование хроноплазмы позволяет ученым лучше понять первые мгновения существования нашей Вселенной, изучить фундаментальные законы строения материи на самом глубоком уровне и наблюдать, как происходит переход от кварк-глюонной плазмы к ядерному (то есть обычному) веществу, так называемый фазовый переход.

Для сравнения, при температурах в плазме «похолоднее», которую можно встретить в звездах или молниях, атомы теряют или приобретают электроны, образуя «суп» из положительно и отрицательно заряженных ионов и свободных электронов. В значительно более горячей кварк-глюонной плазме разрушение материи идет глубже: протоны и нейтроны распадаются на составляющие их кварки и глюоны. Отсюда и название — кварк-глюонная плазма.

Для воссоздания условий ранней Вселенной ученые используют ускорители частиц, сталкивая атомные ядра или субатомные частицы на околосветовых скоростях. При этом на короткое время создаются крошечные области с экстремально высокой плотностью энергии, в которых может образоваться кварк-глюонная плазма.

Чтобы был понятен масштаб: области, где может образоваться хроноплазма, возникают примерно на одну йоктосекунду (0,00000000000000000000001 секунды или одна десятитриллионная). Это очень короткий промежуток времени: за йоктосекунду свет успевает пройти расстояние, равное приблизительно размеру ядра атома.

 Изучая процесс остывания кваркового супа до обычной материи, физики надеются пролить свет на самые ранние этапы эволюции нашей Вселенной, произошедшие всего через несколько микросекунд после Большого взрыва. Это своеобразная «машина времени», позволяющая заглянуть в далекое прошлое и лучше понять, как возник наш мир.

 Собственно, этим и будут заниматься на коллайдере NICA. Ученые хотят узнать и глубже понять фундаментальные законы строения материи, изучить её возникновение из кварк-глюонной плазмы. Основная цель исследований — увидеть так называемый фазовый переход, или превращение кварк-глюонной материи в ядерное (то есть в «обычное») вещество.

Как работает коллайдер и какую роль играют магниты

Как столкнуть частицы друг с другом, да еще и на релятивистских скоростях? Если просто отправить их в свободный полет, они будут двигаться прямолинейно и равномерно. Решение — использовать магнитные для удержания пучка частиц на круговой траектории. По сути, ускорители состоят из двух частей: ускоряющие секции коллайдера разгоняют частицы, а магнитные — удерживают на траектории. Например, в конструкции коллайдера NICA используется 370 магнитов.

Магниты там применяются разных типов: дипольные создают однородное магнитное поле и удерживают частицы на кольцевой орбите, квадрупольные и мультипольные создают сложное магнитное поле. C помощью таких полей учёные фокусируют и корректируют поток частиц.

Поле дипольных магнитов направлено перпендикулярно движению пучка частиц. Его основная функция — изгибать траекторию заряженных частиц, заставляя их двигаться по круговой орбите внутри ускорительного кольца.

Работу квадрупольных и мультипольных магнитов можно сравнить с работой оптической системы. Первые фокусируют пучок частиц, действуя как своего рода линзы, а вторые, создавая более сложные магнитные поля, помогают корректировать его движение, избавляясь, например, от хроматических аберрациий (да, этот термин используется не только в оптике, но и в физике пучков заряженных частиц).

А почему не разгонять частицы по прямой? Потому, что расстояние, за которое удастся разогнать поток частиц до нужной скорости, получится слишком большим, и длина такого ускорителя будет больше, чем расстояние от Земли до Солнца. 

Для создания полей нужного типа через магниты пропускают электрический ток силой около 10 тысяч ампер. Для сравнения: это примерно в 100 раз больше, чем в линии электропередач высокого напряжения.

 Из-за высокой силы тока обычный магнит для использования в коллайдере не подходит — он выделял бы столько тепла, что в итоге просто расплавился бы. Поэтому в установках наподобие NICA применяются особые сверхпроводящие магниты. Это целые магнитно-криостатные системы, в которых сверхпроводящие обмотки магнита охлаждаются до сверхнизких температур с помощью хладагента. В коллайдере NICA роль хладагента выполняет поток кипящего гелия температурой 4,6 кельвина (-269 ºC).

 Сверхпроводящие магниты в коллайдере в основном используются для удержания потока частиц «на треке». Кроме того, в системе коллайдера предусмотрены специальные индукционные накопители энергии. Эти устройства, также использующие сверхпроводящие технологии, способны аккумулировать и быстро высвобождать большое количество энергии. В них ток, проходящий через сверхпроводящую катушку, создает сильное магнитное поле, в котором аккумулируется запасенная энергия. Когда нужно получить мощный импульс тока, например для возбуждения магнитов предускорителей коллайдера — синхротронов Бустера или Нуклотрона, ток в катушке уменьшают, и запасенная в магнитном поле энергия высвобождается в виде необходимого импульса.

Сложности конструкции

Магниты, используемые в коллайдере, — это сложнейшие инженерные конструкции, которые нельзя просто так взять и купить. Они должны выдерживать огромные токи и создавать сильнейшие магнитные поля, оставаясь при этом сверхпроводящими при экстремально низких температурах. Поэтому для проекта NICA в Дубне был создан целый специализированный цех по серийному производству необходимых магнитов.

Сначала инженеры-конструкторы и технологи разрабатывают технологию изготовления модельного магнита. Этот этап включает в себя расчеты, моделирование и создание прототипа. Затем прототип подвергается серии жестких испытаний: магнитных, электрических и криогенных. Только если магнит успешно проходит все эти тесты, его конструкцию утверждают для серийного производства.

При этом готовые магниты нельзя сразу использовать на полную мощность. Перед установкой их необходимо «тренировать». Это процесс, при котором на магниты постепенно подают ток всё большей и большей силы. Такая тренировка позволяет довести его до целевых показателей без риска повреждения.

 Если пропустить этот этап и сразу подать максимальный ток, магнит может потерять состояние сверхпроводимости. Это явление называется «квенч» — срыв сверхпроводимости и приводит к быстрому нагреву магнита. Постепенное увеличение тока во время тренировки позволяет стабилизировать внутреннюю структуру сверхпроводника и подготовить его к работе на полную мощность.

Новые типы магнитов

Комплекс ускорителей проекта NICA включает в себя несколько сложных устройств: сверхпроводящие синхротроны Бустер и Нуклотрон, а также ускоритель-накопитель на встречных пучках, который собственно и является коллайдером. Все эти устройства используют особые магниты, изготовленные из сверхпроводящего сплава ниобия с титаном. Этот материал уже хорошо освоен промышленностью и широко применяется в подобных установках.

Но тут, помимо множества проблем, которые предстоит решить ученым, появляется еще одна: колебания потребления энергии всем комплексом. При циклической работе ускорителя энергия то потребляется, то периодически возвращается в городскую электросеть. Это может не очень хорошо повлиять на других потребителей электроэнергии города. С другой стороны, колебания напряжения в городской сети тоже могут мешать стабильной работе самого ускорителя.

 Поэтому в рамках проекта NICA планируется создание нового типа магнита — накопителя энергии. Он будет изготовлен из так называемого высокотемпературного сверхпроводящего (ВТСП) материала ReBCO, или иттриевой керамики YBa₂Cu₃O₇. Задача нового магнита — сгладить колебания в сети, работая как своеобразный буфер между ускорителем и городской электросетью.

Более того, ВТСП-материал может работать при гораздо более высокой температуре, чем обычные сверхпроводники. Если сплав ниобия с титаном «работает» при температуре около 5 градусов кельвина, то ВТСП прекрасно себя «чувствует» при температуре в 10 раз выше. По оценкам ученых, использование ВТСП-магнитов может уменьшить расходы на электроэнергию для охлаждения примерно в 10 раз по сравнению с магнитами из ниобий-титанового проводника.

 Ученые из Объединенного института ядерных исследований в Дубне предложили инновационный метод улучшения свойств ВТСП-материала. Облучая его тяжелыми ионами, они смогли увеличить рабочий ток в ВТСП-проводе в 3–4 раза. Это открытие позволит значительно снизить расход дорогостоящего ВТСП-материала при изготовлении магнитов для нового Нуклотрона, что сделает проект более экономически эффективным.

 На втором этапе реализации проекта NICA планируется заменить все магниты на низкотемпературных сверхпроводниках (НТСП) ускорителя Нуклотрон на ВТСП-магниты. 

А еще команда Гамлета Ходжибагияна разработала уникальную конструкцию энергокабеля. Она позволяет придавать обмоткам для магнитов сложную форму. Обмотка представляет собой несколько десятков лент из высокотемпературных сверхпроводников, которые по спирали наматываются на охлаждающую трубку. В итоге получается энергокабель, способный проводить ток огромной силы.

После запуска NICA команда Лаборатории физики высоких энергий Объединённого института ядерных исследований планирует заняться созданием магнита для синхротрона Новый Нуклотрон — ещё одного ускорителя частиц Нуклотрон, действующего в институте с 1993 года.

Будущее ВТСП-магнитов

И вот тут мы подходим к той части, когда фундаментальные научные исследования (мало кому кроме самих ученых понятные) начинают превращаться в реальные практические проекты, понятные уже всем и каждому. Магниты из высокотемпературных сверхпроводников — это не какая-то узкоспециализированная технология для коллайдеров. Их потенциал не просто велик. Он огромен.

По словам Гамлета Ходжибагияна, в будущем трудно будет представить отрасль, в которой не найдет применения сверхпроводимость. Помимо фундаментальной науки, медицины, энергетики и транспорта, магниты с этими свойствам понадобятся в термоядерных устройствах, в космической отрасли: в плазменных двигателях, системах защиты от заряженных частиц, системах генерации искусственного магнитного поля и многих других сферах.

Наука
Помимо коллайдеров, ВТСП-магниты могут использоваться в других типах ускорителей частиц, таких как синхротроны и циклотроны. Эти устройства используются не только в физике высоких энергий, но и при создании новых материалов, в медицинских исследованиях и даже в археологии. Кроме того, ВТСП-магниты могут помочь в разработке термоядерных реакторов, приближая нас к чистой и практически неисчерпаемой энергии.

Медицина
МРТ-сканеры с ВТСП-магнитами смогут давать еще более детальные изображения, помогая врачам ставить более точные диагнозы. А в 2025 году команда Гамлета Ходжибагияна рассчитывает запустить в эксплуатацию сверхпроводящий протонный циклотрон МСЦ-230. Ожидается, что установка поможет совершить прорыв в области лечения онкологических заболеваний с помощью флеш-терапии.

Методика подразумевает быструю и точную доставку сверхвысокой дозы излучения до пораженных раком тканей. Подход позволяет в течение сеанса ограничить губительное воздействие излучения только областью, поражённой онкологией. Здоровые ткани при этом не получают значительных повреждений. Кроме того, метод потенциально позволяет сократить количество необходимых сеансов с 10–30 при обычной лучевой терапии до 1–3 при использовании циклотрона.

Энергетика и транспорт
ВТСП-магниты способны сделать магнитные подушки (для поездов, например) эффективными и доступными. А в энергетике могут появиться более эффективные накопители энергии, трансформаторы и линии электропередач.

Промышленность
От более эффективного индукционного нагрева в металлургии до мощных СВЧ-генераторов для различных сфер применения.

В космической отрасли
Пожалуй, самый впечатляющий пример — защита от космической радиации магнитными полями. Корабль с пассивной защитой будет весить сотни тысяч тонн, и единственный известный на данный момент способ уменьшить этот вес — использование сверхпроводящих магнитов для создания магнитных полей. Еще одно применение — двигатели, использующие магнитные поля для разгона плазмы. И это не фантастика, а реальные проекты, над которыми уже работают ученые.

Глядя в будущее, трудно найти область, которую не затронет эта технология. ВТСП-магниты вполне могут стать таким же революционным изобретением, как транзисторы или лазеры, открывая новые возможности во всех сферах нашей жизни. И кто знает, может быть, именно сейчас, работая над магнитами для коллайдера NICA, ученые закладывают основу для технологий, которые изменят мир в ближайшие десятилетия.