«Эгоистичный ген» Ричард Докинз

«Происхождение жизни: От туманности до клетки» Михаил Никитин

«Эволюция человека» Александр Марков

«Достающее звено» Станислав Дробышевский

«Сумма биотехнологии» Панчин Александр

«Лестница жизни» Ник Лейн

«Вопрос жизни» Ник Лейн

«От атомов к древу» Ястребов

«Расширенный фенотип» Ричард Докинз

«Слепой часовщик» Ричард Докинз

«Самая главная молекула. От структуры ДНК до биомедицины 21 века» Максим Франк-Каменецкий

«Она смеется, как мать: могущество и причуды наследственности» Карл Циммер

«Хлопок одной ладонью» Николай Кукушкин

Раздел 4. Художественный научпоп / Научная фантастика

«Гарри Поттер и методы рационального мышления» Элиезер Юдковский

«Апофения» Александр Панчин

«Понедельник начинается в субботу» Стругацкие

«Я — робот» Айзек Азимов

«Гарвардский Некромант» Александр Панчин

«Драконы Эдема» Карл Саган

«Праща Давида» Марк Стиглер

«Звёздные дневники Ийона Тихого» Станислав Лем

«Конец Вечности» Айзек Азимов

«Анафем» Нил Стивенсон

«Политика и английский язык» Оруэлл

«Пасынки Вселенной» Роберт Хайнлайн

«Марсианин» Клиффорд Саймак

«Гиперион» Дэн Симмонс

«За миллиард лет до конца света» Стругацкие

«Квантовый Вор» Ханну Райаниеми

«Ложная слепота» Питер Уоттс

«Мошка в зенице господней» Нивен и Пурнель

Большая часть книг из списка не прочитана. Часть книг, которые были в списке, улетели из него после прочтения. В связи с чем, вопрос к Вам. Читали ли Вы что-то из списка? Можете ли сказать про какую то из книг что-то конкретно плохое? Может что-то в списке смотрится «не в тему»? И конечно главный вопрос. Какой книги там точно не хватает?

Из научной фантастики интересует больше всего Твёрдая.

Данную библиотеку планирую регулярно «допиливать» у себя в телеграмме. А Ваши рекомендации вынесу в UPD данной статьи.

UPD (предложения из комментариев):

Раздел 1. Законы науки и мышление(Математика, Рациональность, Научный метод, Когнитивные искажения, Нейрофизиология, Ошибки мышления, Доказательная медицина)

«Записки врача» Версаев
«Черный Лебедь» Талеб
«Логические ошибки: как они мешают правильно мыслить» Уёмов

Раздел 2. Законы природы(Физика, Теория относительности, Квантовая механика, Астрофизика, Астрономия, Изобретения и открытия)

«Интерстеллар: наука за кадром» Кип Торн

Раздел 3. Законы жизни(Абиогенез, Теория эволюции, Химия жизни (Клетки, ДНК), Антропогенез)

«Стой, кто ведет? Биология поведения человека и других зверей» Жуков

Раздел 4. Художественный научпоп / Научная фантастика

«Марсианин» Энди Уир
«Солярис» Станислав Лем
«Непобедимый» Станислав Лем
«Задача трёх тел» Лю Цисинь
«Темный лес» Лю Цисинь
«Вечная жизнь смерти» Лю Цисинь
«Основание» Айзек Азимов
«Дверь в лето» Хайнлайн
«Насморк» Станислав Лем
«Футурологический конгресс» Станислав Лем
«Эхопраксия» Питер Уоттс
«Лестница из терновника» Максим Далин
«Семиевие» Нил Стивенсон

Интересный кусочек гидравлической физики

Как работает атомный энергоблок. Часть 2

В прошлый раз я говорил про то, откуда берётся тепловая энергия для генерации электричества. А как эта тепловая энергия преобразуется? Почему коэффициент полезного действия у атомной станции около 33%? Зачем вообще нужен конденсатор? Для ответов на эти вопросы мы должны переместиться в прошлое, и постепенно, слой за слоем, нарастить это знание.

Все слышали про первый закон термодинамики. По сути, он является конкретизацией закона сохранения энергии для тепловых двигателей. Этот закон гласит, что невозможно создание двигателя, который работал бы без получения энергии от внешнего источника. Также невозможно создание двигателя, который совершал бы больше работы, чем к нему подводилось бы энергии. Для нас это сейчас логично и понятно, и совершенно очевидно, что КПД не может превышать 100%.

Коэффициент полезного действия — это отношение энергии затраченной на совершение работы ко всей использованной энергии.

В случае с тепловыми машинами используется так называемый термический КПД. Его значение — теоретический предел для конкретного термодинамического цикла, не считая потерь от теплопередачи, трения и т.д.

Когда мы подводим тепло (тепловую энергию), не вся она переходит в работу. Для того, чтобы вернуть рабочее тело — вещество которое мы нагреваем чтобы раскрутить турбину — в начальное состояние, надо часть энергии у него забрать, охладить его. Соответственно, часть энергии нагрева уходит на повышение температуры внешней среды.

В виде формулы это будет записано следующим образом:

Термический КПД для теплового цикла

Где Q1 это подведённая теплота, Q2 отведённая, соответственно Q1-Q2 это работа, которую совершило рабочее тело.

Но какой максимум мы можем выжать из тепла для совершения работы? Этим вопросом задался не кто иной как Сади Карно.

Какой сладкий пирожочек

Вопрос звучал примерно так: «А почему паровоз жрёт так много и производит так мало, может у нас плохой двигатель? Или конструкция не очень?». Резонно, и многие хотели бы иметь такую систему, которую можно греть, а всё затраченное тепло тратить на работу и ехать, рассекая пространство. КПД такого двигателя мог бы достигать 100%! Но, как оказалось, такое в природе невозможно.

Давайте задумаемся вот над чем. Представим, что у нас на столе стоит чашка горячего чая. Постепенно она остывает, и это происходит неизбежно. В чем причина? Дело в том, что тепло произвольно переходит только от более горячего тела к более холодному, и никак иначе. При отсутствии разницы температур тепло рабочего тела не может быть преобразовано в работу, отсутствует поток теплоты. Это было установлено эмпирически на основе опыта. Поскольку в реальной жизни недостижима температура равная абсолютному нулю, то и КПД теплового цикла не может составлять 100%.

Чтобы показать, как это выглядит в жизни, посмотрим на следующую иллюстрацию:

Тепловой двигатель и вечный двигатель второго рода

Вечный двигатель второго рода не нарушает первого закона термодинамики, энергия не берется из ниоткуда. Но такой двигатель невозможен, ведь нет стока для теплоты. Невозможность такого цикличного процесса объясняет требование наличия конденсатора в любой тепловой системе. Получается, что для работающего цикла нам нужны минимум 4 составляющие:

1) Источник теплоты

2) Сток, или холодильник

3) Устройство для совершения работы

4) Какой-либо возвратный механизм

С этим разобрались, а теперь давайте вернёмся к КПД. Какова максимальная эффективность цикла? И чем она обусловлена?

На оба этих вопроса и ответил Карно. Максимальная эффективность обусловлена только температурами горячего и холодного источников, не зависит от рабочего тела, не зависит от конструкции двигателя. В итоге, второй закон термодинамики приводит нас к следующему определению максимального КПД цикла (или КПД цикла Карно):

КПД цикла Карно. На этом простая математика, увы, заканчивается.

Где T1 – температура источника тепла, T2 – температура холодильника (стока).

Этот КПД является предельным для заданной разницы температур. То есть, можно увеличить его подняв температуру горячего источника, либо снизив температуру холодного. Естественно, что температура не может быть бесконечно большой или бесконечно маленькой. Так что в существующих реалиях мы вынуждены прибегать к температуре окружающей среды в качестве стока, и к допустимым температурам для оборудования в качестве источника. Для каждого циклического процесса наибольшая температура подбирается так, чтобы можно было выжать максимум из топлива, и при этом система справилась бы с отводом теплоты.

Закачиваем, нагреваем, в турбине работу совершаем, остужаем, и по-новой

Цикл Карно представляет из себя замкнутую систему из двух адиабатных (1-2, 3-4) и двух изотермических (2-3, 4-1) процессов.

Краткий экскурс в процессы происходящие с рабочим телом

1) Изотермический процесс – при подводе или отводе теплоты меняется давление и объем, причём произведение этих величин остаётся постоянным, температура остаётся неизменной.

2) Изобарный процесс – энергия расходуется на изменение температуры и объема, при этом отношение объёма к температуре остаётся постоянным, то есть оба параметра одновременно либо растут, либо уменьшаются.

3) Изохорный процесс – энергия расходуется на изменение давления и температуры при этом отношение давления к температуре остаётся постоянным, то есть оба параметра одновременно либо растут, либо уменьшаются.

4) Адиабатный процесс – газ совершает работу при изменении своей внутренней энергии, то есть тепло к рабочему телу не подводится и не отводится, изменяются все параметры в зависимости от показателя адиабаты.

Все процессы являются частными случаями политропного процесса. Я нашёл отличную табличку в интернете для пояснения (Физика в таблицах и формулах, Трофимова Т. И., 2002 г., стр. 94)

Цикл Карно является идеальным, это модель, в которой отсутствуют такие понятия как трение, потери при расширении рабочего тела, потери давления при движении рабочего тела, и так далее. Рабочих циклов существует великое множество. Это и циклы для двигателей внутреннего сгорания (цикл Дизеля, цикл Отто, например), циклы для двигателей внешнего сгорания (см. двигатель Стирлинга — кстати, такой можно заказать за приемлемую цену на АлиЭкспресс, он даже от чашки чая работать будет).

Первый закон термодинамики говорит о количественной составляющей теплового цикла. Второй говорит о качественной. А вот увидеть на диаграмме давления и объема потери в реальном цикле не так просто. Но этот вопрос решаем.

Внимание! Дальше частичка неизбежного матана!

Если мы проанализируем соотношение изменения теплоты при изотермическом расширении, рассмотрев цикл Карно как сумму бесконечно малых циклов, то получим новую величину, которая известна как термодинамическая энтропия.

Этот замкнутый интеграл ещё называют интегралом Клазиуса

Вот так можно очень просто аналитически записать Второй закон термодинамики.

Что это такое? Энтропия (S) — это мера беспорядочности движения частиц вещества. Иными словами, очень приближённо можно назвать энтропию мерой качества процессов. При подводе теплоты энтропия всегда растёт в равной или в большей степени, чем отношение подведённого тепла к температуре. Это означает, что часть тепла всегда рассеивается без совершения работы. Логично, что при идеальном адиабатном процессе энтропия не изменяется. Для цикла, как очевидно, изменение энтропии всегда нулевое, потому что рабочее тело каждый раз перед началом следующего цикла возвращается в исходное состояние, со своим исходным значением энтропии.

Чем выше энтропия – тем ближе система к термодинамическому равновесию. На рисунках циклов выше точки являются координатами различных состояний рабочего тела. Чем больше тепла в системе – тем больше значение энтропии. Чем больше тепла мы отвели — тем меньше энтропия. Вне цикла энтропия достигла бы своего максимального значения и система пришла бы в равновесие.

Каждому состоянию вещества (каждой точке на диаграммах) соответствуют определённые значения термодинамических параметров. По двум из них можно определить все остальные. Энтропия является как раз таким параметром, в дополнение к давлению, температуре и объему. Это то, что нам нужно! Вперёд, строить новые диаграммы!

Вот так будет теперь выглядеть цикл Карно на диаграмме T-S, то есть такой, где каждое состояние вещества можно наглядно показать с помощью значений температуры и энтропии:

Цикл Карно, в данном представлении — это обычный прямоугольник

Площадь фигуры 1-2-3-4 равна работе, которую совершило рабочее тело, площадь прямоугольника под процессами 2-3 это тепло отданное в конденсаторе. Значит КПД — это отношение площадей этих фигур. В реальном процессе часть энергии уйдет на увеличение энтропии (трение, расширение, процессы быстрые, много причин), и с помощью T-S диаграммы можно наглядно это показать. Затраченная теплота увеличится, работа останется почти на том же уровне, а КПД уменьшится — смотрите на площади фигур. Обратите внимание на точки с индексом r — это реальные точки, с ними мы имеем дело в реальной жизни.

Цикл Карно с учетом потерь и рассеяния тепла

Установки в тепловой энергетике бывают паротурбинными (в качестве рабочего тела выступает испаряющаяся жидкость, например — вода) и газотурбинными (в качестве рабочего тела некий газ; см. Цикл Брайтона). Разница будет в наличии фазового перехода. Опуская многие подробности, скажу лишь, что рассматриваются два агрегатных состояния вещества, в них включена также и переходная область между перегретым паром и жидкостью. Вот так это выглядит:

Диаграмма состояний реального вещества для двух фаз

Внутренняя часть «купола», изображённого на картинке, это область фазового перехода между жидким и газообразным состоянием. Зелёная линия – это линия кипящей жидкости, фиолетовая – линия сухого насыщенного пара (в паре не остаётся влаги если эту линию переступить). Как можно заметить, при определённом давлении p3 вода не имеет фазового перехода, то есть нет стадии перехода жидкости в газ. При параметрах, превышающих критические давление и температуру, уже отсутствует понятие пара, это закритическая жидкость. Для воды критическое давление и температура это 22.064 МПа и 373.95 °C (в абсолютных единицах 647.1 Кельвин). При фазовом переходе из жидкости в газ температура не изменяется при подведении тепла. Это связано с тем, что энергия, передаваемая рабочему телу, расходуется не на повышение температуры, а на разрыв связей в жидкости.

А давайте теперь посмотрим, как будет выглядеть цикл Карно в случае двухфазной среды:

Цикл Карно для реального газа

Замечательно, но точка 3 находится в области влажного пара, а значит, чтобы перекачать весь этот объём на участке 3-4r нам потребуется большой мощный компрессор, потери в котором будут существенными. Для того, чтобы этого избежать, сконденсируем пар до состояния жидкой воды, то есть получим состояние вещества на зелёной линии. Тогда вместо компрессора мы сможем использовать относительно миниатюрный конденсатный насос.

Таким образом мы получили классический цикл Ренкина

Вот с этим уже можно работать, правда есть один существенный нюанс:точка 2r находится в области влажного пара, а это не очень хорошо для турбины. Дело в том, что скорость пара в турбине составляет несколько сотен метров в секунду. Во влажном паре содержатся капельки жидкости, которые на большой скорости повреждаютлопатки турбины. Такая турбина долго не проработает, поэтому нам нужно снизить влажность пара, чтобы он не разбомбил вращающиеся лопатки. Один из способов – это перегрев пара, и разделение турбины на часть с высоким давлением и часть с низким. Максимальное содержание влажной фазы обычно не превышает 15%.

Цикл Ренкина с перегревом после турбины на высоком давлении

Уже лучше. Таким образом мы и среднюю температуру подняли, что положительно скажется на КПД, и тепло лучше использовали. Но из этого цикла можно выжать ещё больше, если часть тепла возвращать в его более низкотемпературные части. Этот приём называется регенерацией теплоты. То есть, из тех участков, где мы уже выжали из рабочего тела максимум, мы можем частично возвращать тепло в цикл. Это позволит меньше греть воду в парогенераторе и повысить эффективность преобразования тепла в работу.

Помимо этого, между частями высокого и низкого давления можно использовать сепаратор, отделяющий влагу от влажного пара, а также сепарировать пар в ступенях турбины между лопатками. Всё это повышает эффективность работы паротурбинной установки, но эффективность ещё очень далека до КПД цикла Карно. Из-за естественных потерь в турбине и насосах КПД на атомных станциях редко превышает 34%.

На десерт. Тут внесены все упомянутые изменения. Сможете разобраться что к чему?

Внимательный читатель спросит,- А почему бы сразу не перегреть пар до входа в турбину? Дело в том, что на водо-водяных реакторах этот приём не будет эффективным. Нужно будет либо снизить давление на входе в турбину, либо ещё повысить параметры воды в первом контуре (исследования на эту тему ведутся, но по последним новостям зашли в тупик). Параметры на современных АЭС выбраны оптимальными с точки зрения безопасности, тепловой экономичности и конструкционных пределов. В реальности с перегретым паром работают только энергоблоки с жидкометаллическим теплоносителем, которые могут позволить себе перегрев пара до входа в турбину.

Зачем нужны эти ухищрения и высокая эффективность? Почему ради каких-то десятых долей процента создаются целые проектные институты и собираются огромные команды специалистов? Всё дело в том, что каждая малая доля прироста КПД – это прирост в выработке при тех же затратах тепла. Эти цифры кажутся ничтожными, поэтому давайте пересчитаем это в деньги.

Допустим, есть две реакторные установки, у одной КПД 33%, а у другой 33.1%. То есть имея 3200 МВт тепла первая установка даст 1056 МВт электрической мощности, а вторая 1059.2 МВт. Разница составляет 3.2 МВт. Сколько это в рублях?

Цена отпускаемого кВт-ч для АЭС примерно 2 рубля. Считаем сколько это принесёт станции за год. 3200*365*24*2= 56064000 р. То есть с выигрышем всего на 0.1% КПД вторая станция за год заработает больше на 56 миллионов при том же тепловыделении в реакторе!

Тут я вынужден остановиться и предоставить пытливым читателям возможность самостоятельно ознакомиться со способами дальнейшего увеличения эффективности циклов и глубже погрузиться в мир технической термодинамики. В будущем мы обсудим вопросы передачи теплоты и выясним, почему очень высокая температура — это плохо, даже если материалы могут её выдерживать.

Предыдущие посты по атомной тематике:

Жду ваших комментариев, вопросов и критики. Если кому-то хочется получить векторные оригиналы картинок в формате .svg для использования в учебных целях и студенческих работ, ищите меня в телеграме под юзернеймом wwnuc. Все векторные изображения выполнены в inkscape. Это же касается и предыдущего поста этой серии.

Зачем нужен магнит, для доставки которого в Дубну обесточили полгорода

В прошлую пятницу многие жилые дома подмосковного города Дубны остались без электричества, воды и отопления. Закрылись некоторые магазины, перестал работать сайт местного Объединенного института ядерных исследований. Дубненский «конец света» не стал сюрпризом для тех, кто обратил внимание на листовки, которые появились в городе накануне. Те предупреждали, что с 10 до 12 часов «будет осуществляться перемещение магнита MPD для проекта NICA от причала на реке Дубна до площадки Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ».

Магнит для детектора MPD в путешествии по Дубне.

Дубненский коллайдер

Коллайдер — это один из типов ускорителей, в котором разогнанные заряженные частицы — электроны, протоны, ионы и так далее — сталкиваются с другими такими же частицами. Коллайдеров в мире много: прямо сейчас работает семь, а самый известный из них — Большой адронный коллайдер — использует в качестве снарядов протоны (на нем проводятся и эксперименты с ионами свинца, но это не основная часть его рабочего времени), и предназначен для поиска новых частиц и «новой физики».

Коллайдер NICA, который уже давно строится в Дубне, будет сталкивать тяжелые ионы и изучать экстремальное состояние вещества — кварк-глюонную плазму. Ее температура и плотность настолько высока, что осколки элементарных частиц, кварки, не «склеиваются» в адроны, частицы привычной для нас материи (глюоны, соответственно, это тот самый «клей», калибровочный бозон, который отвечает за сильное взаимодействие кварков друг с другом).

У кварк-глюонной плазмы, как у любого другого вещества, есть фазовая диаграмма. В случае воды эта диаграмма показывает, как на координатной плоскости «температура — давление» проходят границы между тремя агрегатными состояниями — жидкостью, газом (паром) и твердым состоянием (льдом). На этой плоскости есть критические точки, например, тройная точка воды, где все три ее состояния могут существовать одновременно. Ученые рассчитывают с помощью «Ники» выяснить, как выглядит фазовая диаграмма кварк-глюнной плазмы, и где на ней находятся критические точки.

Фазовая диаграмма адронного вещества. По оси x отложена плотность вещества, по оси y — температура. Источник: nica.jinr.ru

Для того, чтобы получить кварк-глюонную плазму и разобраться в том, что в ней происходит, недостаточно просто столкнуть ионы в коллайдере. Нужно еще собрать данные о результатах этого столкновения. Для этого, помимо ускорителя и источника частиц нужны детекторы в точках столкновения пучков ионов.

Зачем нужен магнит?

В сентябре 120-тонный саркофаг ярко желтого цвета погрузили в порту Генуи на корабль, который отправился в Петербург. 28-го октября его пересадили уже на речной транспорт, и неделю спустя баржа встала на рейд строго на границе между Тверской и Московской областью — на реке Дубна. На следующий день к ней подогнали плавучий кран, тот перегрузил итальянскую посылку с баржи на автомобильный тягач, и тот отправился с берега Дубны в Лабораторию физики высоких энергий. Под эту трехкилометровую поездку пришлось обесточить несколько районов города: саркофагу высотой семь метров надо было проехать под линиями электропередач, которые висели слишком низко — поэтому линию отключили а провода приподняли краном, чтобы пропустить под ними грузовик. Поскольку водоснабжение и вышки сотовой связи тоже нуждаются в электричестве, часть жителей города осталась без воды и связи.

Внутри «коробки», проделавшей этот путь — главный элемент детектора MPD (Multi-Purpose Detector). В центре этого детектора, похожего по форме на гигантскую металлическую бочку, и будут сталкиваться пучки тяжелых ионов. Детектор будет определять массу и скорость всех получившихся при столкновении осколков и новых частиц. А физики, анализируя эти данные, будут реконструировать физические процессы, возникающие при столкновениях. Точно так же данные о столкновениях собирают детекторы Большого адронного коллайдера CMS и ATLAS, которые почти десять лет назад засекли следы рождения бозона Хиггса, существование которого было предсказано за полвека до того.

«Если речь идет о столкновениях ядер [атомов] золота с прицельным параметром (максимальным отклонением от центра), скажем, пять фемтометров, то при каждом столкновении будет рождаться около двух тысяч заряженных частиц. Частота таких столкновений при проектной светимости коллайдера будет около 7 тысяч в секунду, то есть 7 килогерц. Детектор должен каждую из таких частиц зафиксировать, то есть определить, что это за частица, измерить ее траекторию», — объясняет Кекелидзе.

Сборка детектора MPD

Роль главного «чувствительного элемента» в MPD играет камера TPC (Time Projection Chamber — «времяпроекционная камера»). Это тоже бочка — диаметром 2,6 метра и длиной 3,4 метра, которую посередине пересекает «перепонка»-катод, подключенная к источнику высокого напряжения. «Дно» и «крышка» бочки — это аноды. Пространство в бочке заполнено инертным газом (90 процентов аргона и 10 процентов метана). Когда заряженная частица пролетает сквозь него, она ионизирует его и получившиеся электроны начинают дрейфовать к анодам, где их встречают позиционные детекторы, которые определяют не только точку прихода этих электронов, но и время их прихода.

«Точка определяет позицию X-Y, а время — если знать скорость дрейфа электронов с учетом напряжения — определяется расстоянием вдоль оси этого цилиндра», — говорит Кекелидзе.

Помимо TPC в детекторе есть еще несколько чувствительных элементов: времяпролетная камера (TOF), которая восстанавливает траекторию полета, калориметры, осевые детекторы — все они призваны собрать достаточно данных, чтобы восстановить трехмерную картину разлета «осколков» с помощью дубненского суперкомпьютера «Говорун».

Однако вся эта машинерия будет бесполезной, если не будет выполнено главное условие: в камере детектора должно было постоянное магнитное поле определенной конфигурации. Магнитное поле играет роль той «руководящей и направляющей силы», благодаря которой заряженные частицы летят не в случайных направлениях, а по траекториям, которые определяются их скоростью и массой.

TPC-камера в процессе сборки

В однородном магнитном поле заряженные частицы летят по криволинейной траектории, поворачивая поперек силовых линий. На этом эффекте построен принцип действия масс-спектрометров: чем круче поворачивает частица в магнитном поле, тем меньше ее масса.

«По радиусу траектории и величине магнитного поля можно однозначно определить импульс частицы. Если вы знаете импульс, вы можете измерить ее массу. Если у вас будет время пролета, оно даст вам скорость. Зная скорость и импульс, вы можете посчитать массу и восстановить всю кинематику миллионов рожденных при столкновении частиц», — говорит Кекелидзе.

Чтобы эта восстановленная картина была достаточно точной, нужно, чтобы магнитное поле было очень, очень однородным. «Перед разработчиками магнита была поставлена задача, чтобы во всем объеме TPC-камеры — 2,6 метра на 3,4 метра — поле было идеально, чтобы силовые линии были точно параллельны оси. Мы потребовали такой однородности, которой еще ни в одном эксперименте я не помню», — говорит ученый. Магнитное поле MPD не слишком велико — 0,5 теслы, максимум — 0,65 теслы. Похожий соленоид детектора CMS рассчитан на поле 4 теслы. Однако здесь самое важное не «сила» магнита, а его «точность».

Конфигурация магнитного поля в детекторе MPD

Отношение поперечной составляющей поля к осевой должно быть не более, чем 3*10⁻⁴ Любое отклонение будет означать, что вся установка будет бесполезна для ученых. Если поле будет неоднородным, у вас будет ошибка измерений параметров, а значит научный результат вы получить не сможете.

Как строили магнит

Итальянская компания ASG Superconductors специализируется на производстве мощных сверхпроводящих магнитов, именно здесь делали значительную часть магнитов как для Большого адронного коллайдера и его детекторов CMS и ATLAS, так и для его предшественника — электрон-позитронного коллайдера LEP.

Магнит для детектора MPD устроен примерно так же, как магнит детектора CMS. Это два вложенных друг в друга цилиндра из нержавеющей стали диаметром 5,4 метра и 4,6 метра. Торцы закрыты фланцами. В пространстве между ними — катушка с намотанным на нее сверхпроводящим кабелем общей длиной 27 километров и массой 6,4 тонны, и трубки системы охлаждения. В пространстве между цилиндрами должен поддерживаться вакуум (10−5 торр — примерно одна десятитысячная доля миллиметра ртутного столба).

Несмотря на сходство с магнитами для Большого адронного коллайдера, магнит для MPD — штучное изделие. По словам Кекелидзе, только для того, чтобы создать инструменты и оснастку для постройки, понадобилось два года. Пришлось повозиться и со сверхпроводящим кабелем. Первоначально планировалось заказать его компании из Бразилии, но кабель был забракован, потом из Америки — тоже не пошел. В конце концов японский вариант подошел. Только работа с кабелем заняла полтора года.

Сверхпроводящий кабель сделан из собственно сверхпроводящего провода (сплав ниобия и титана), и матрицы из сверхчистого алюминия, в которую он внедрен. Для того, чтобы намотать получившийся кабель на катушку, потребовалась построить намоточную машину высотой с трехэтажный дом, — сложное инженерное сооружение, с электромоторами, точной подачей, с контролем намотки. После намотки катушку залили густой жидкостью на базе эпоксидной смолы и запекли в специально построенной печи. Нельзя было допустить, чтобы даже один пузырек воздуха остался в этой смоле. Пришлось бы все делать заново.

Соленоид с системой труб системы охлаждения поместили в вакуумный криостат и примерно год испытывали и проверяли. Затем магнит уложили в специально построенный семиметровый саркофаг, оснащенный датчиками ускорений, и 18 сентября отправили морем из Генуи в Петербург. Всего постройка магнита заняла почти пять лет — переговоры российских физиков с подрядчиками начались еще в 2014 году, а формальный контракт подписан в 2016 году.

Пока саркофаг будет стоять на специальных опорах в экспериментальном зале детектора MPD. Вскроют его только после того, как в Дубну приедут итальянские специалисты. Те должны будут, в частности, проверить датчики ускорений: нужно убедиться, что в процессе перевозки магнит нигде не «приложили». «Надеюсь, что пандемия не задержит их приезд», — говорит Кекелидзе.

После того, как саркофаг будет вскрыт, криостат установят в железное «ярмо» детектора. Оно собрано пока что лишь наполовину и стоит в экспериментальном зале на рельсах, в стороне от линии, по которой в будущем будет лететь поток тяжелых ионов. Когда коллайдер начнет работать, детектор нужно будет просто подкатить к этой линии.

Сборка ярма детектора MPD