15 марта 2010 г.

Металлургия и физика элементарных частиц

Меня постоянно восхищает, насколько разные области науки связаны друг с другом и оказываются друг другу нужны для своего развития. Вот сейчас на глаза попалась обзорная статья: Physical and mechanical metallurgy of high purity Nb for accelerator cavities, в которой рассказывается о связи металлургии с физикой элементарных частиц. (Статья, вроде бы, в свободном доступе).

Суть вот в чём. Вот есть сейчас Большой адронный коллайдер, в котором самый технологически сложный элемент -- это (злополучные) дипольные магниты, которые удерживают протоны на круговой орбите. Но лет через 10-15 собираются строить следующий коллайдер -- линейный электрон-позитронный, см. например проект ILC. В нем ключевым технологическим элементом будут ускорительные секции -- они тысячами будут стоять друг за другом.

Задача ускорительных секций -- ускорять частицы. Они это делают, создавая внутри резонатора хитрой формы электромагнитную волну, которая подталкивает пролетающие частицы. Ясно, что чем сильнее поле, тем лучше разгоняются частицы. Поэтому для линейного коллайдера -- в котором всю энергию надо набрать за один-единственный прогон -- требуются резонаторы, создающие как можно большее поле.

Вот тут уже возникают чисто инженерные проблемы. Во-первых, резонаторы приходится делать сверхпроводящими -- иначе нереально будет удержать огромные токи, текущие по поверхности резонатора. Во-вторых, предъявляются особые требования к качеству поверхности, к чистоте самого материала и даже к качеству сварочных швов. Мельчайшая неровность на внутренней стенке резонатора приведет к тому, что из-за этого бугорка изменится течение токов, и где-то локально потеряется сверхпроводящее состояние. Эти требования удается выполнить в резонаторах из сверхчистого ниобия, но получать его, причем в виде крупных монокристаллов -- отдельная металлургическая проблема. Кроме того, не до конца решены вопросы о том, как дислокации и сварочные швы влияют на добротность получающихся резонаторов.

Ну и наконец, вся эта технология должна быть достаточно дешевая (но не в ущерб надежности, конечно), чтобы уложиться в бюджет будущего коллайдера.

Все эти вопросы описываются в обзоре.

7 комментариев:

  1. Опасаюсь, что сверхчистые кристаллы - не лучший выбор. Для токов большой амплитуды необходим эффективный пининг вихрей, который происходит на примесях и дефектах. Таким образом, ИМХО более эффективно спекание ниобиевого порошка в форме резонатора.

    ОтветитьУдалить
  2. Хм, насколько я вижу, там люди наоборот стараются избавиться от дислокаций и примесей, более того, есть усилия в сторону того, чтоб штамповать резонаторы из монокристаллов ниобия (пластинка 7 дюймов!).

    ОтветитьУдалить
  3. Возможно пляски с пинингом нужны для низкочастотных применений, а на мегагерцах только вредят.

    ОтветитьУдалить
  4. А там кстати сотни мегегарц и даже гигагерцы.

    ОтветитьУдалить
  5. Статья в GZT.RU по мотивам данной публикации.

    ОтветитьУдалить
  6. Про революцию в металлургии -- это вы (или редактор) загнули, конечно, но в целом нормально, такая заметка не повредит. Я там в комментариях отметил пару замечаний.

    ОтветитьУдалить
  7. Спасибо большое, я исправил все, кроме заголовка. Он остался, так как есть некоторые технические причины (заголовки меняют в случае совсем уж диких ляпов).

    ОтветитьУдалить