Чтение онлайн

Александр Ерохин

– Александр Иванович, чем вы занимаетесь в CERN?

– Моя работа вот уже тринадцать лет связана с CERN. Функционально и административно весь проект разделен на две части, за создание и обеспечение работы которых отвечают абсолютно разные департаменты CERN. Первая часть – это сам Большой адронный коллайдер, кольцо в 27 километров, вторая - детекторы, расположенные в точках столкновений пучков. Physics Department занимается анализом результатов столкновений, то есть это – чистая физика. Если брать историю, до сегодняшнего дня была эра строителей LHC, а с сегодняшнего дня и дальше идет эра сотрудников детекторов (ATLAS, CMS, ALICE и LHCb). LHC и детекторы строили независимо друг от друга. На LHC работают "ускорительщики", их задача - обеспечить инструмент для физиков, которые работают на детекторах. То есть LHC - это всего лишь инструмент, который обеспечивает столкновения пучков протонов в экспериментальных точках, открывая путь для физиков. И я отношусь как раз к тем, кто строил, запускал и испытывал коллайдер. Я научный сотрудник, у меня физическое образование, но моя работа сопряжена с инженерными задачами, в частности - системы защиты сверхпроводящих магнитов.

Все 27 километров кольца состоят из сверхпроводящих магнитов, есть только один небольшой прямолинейный участок без магнитов, где частицы ускоряются. Одни магниты нужны для того, чтобы задавать траекторию движения пучка по окружности, другие - чтобы фокусировать пучок, делать его "тонким". Наш институт поставлял в CERN обычные, так называемые "теплые" магниты, не сверхпроводящие, но и много деталей для сверхпроводящих. Иначе говоря, было очень много железа, сделанного в нашем институте для CERN.

В начале двухтысячных мы начали поставлять оборудование в Женеву и возить туда наших монтажников. А в 2006 году, поскольку испытания сводились к испытаниям магнитной системы, где одной из самых важных задач была именно защита магнитов, они позвали меня туда на несколько лет на процедуру запуска (commissioning). Commissioning - это устоявшийся термин для больших установок - процедура запуска, которая длится несколько лет. Запуск - это не просто нажать кнопку, а полный процесс отладки всей работы установки step by step, чтобы запустить ускоритель. Я пробыл там на позиции "team leader" по системам защиты магнитов до осени 2008 года, уехав за неделю до аварии.

Так получилось, что из нескольких человек из России, которых CERN приглашал участвовать в commissioning, смог приехать только я. В итоге в команде из примерно ста человек оказался всего один русский. Хотя, надо сказать, что в строительстве коллайдера и детекторов участвовали сотни россиян. Да и сейчас в CERN находятся несколько сотен физиков из России (детекторщиков, программистов и т.д.)

Сontrol center - пультовая коллайдера. Стол в центре – рабочее место team leaders (3 человека, ответственные за свои бригады: по магнитам, по системам питания и по системам защиты магнитов) во время commissioning. По большому кругу за мониторами – операторы.

– Почему так много российских сотрудников занимается подобной работой? Каков вклад ИЯФ СО РАН в работах в CERN?

– Во-первых, большинство западных институтов ничего не производят, они имеют штат либо физиков, либо эксплуатационщиков, но у них нет штата разработчиков и производственных мощностей. А ИЯФ в свое время, обзаведясь экспериментальным производством, заводом, где станочников в лучшие времена было порядка тысячи человек, производил для себя все сам. На заре физики высоких энергий, являясь одним из пионеров в этой науке, именно ИЯФ предложил сталкивать между собой пучки в циклических машинах. Это была идея Г.И. Будкера, и впервые её реализовали в 1963 году. Через несколько месяцев подобная маленькая машина, периметр которой составлял несколько метров, независимо была создана в Стэнфорде, в Штатах. Все основные принципы были заложены Г. И. Будкером, А. Н. Скринским, В. В. Пархомчуком, нашими физиками. Сейчас ими пользуется весь мир, в том числе и системами фокусировки и охлаждения протонных и ионных пучков. На сегодняшний день к институту прислушиваются в ускорительном сообществе. Он поставляет свои разработки во многие научные центры. К примеру, для LHC Россия поставила в CERN оборудования примерно на 150 миллионов швейцарских франков, из них на 130 миллионов поставил ИЯФ, то есть примерно 80% от всего российского вклада в LHC. А что касается детекторов, здесь уже поставлял оборудование и ИЯФ, и Дубна, и Курчатовский институт (у них нет своих детекторов, но они туда отправляли физиков), и Протвино, и Гатчина. Сюда же и Белоруссия что-то вложила, и Украина понемножку. Нельзя сказать о большем вкладе ИЯФ в части детекторов, но с точки зрения вклада в LHC - почти 5% его построено Россией, из которых бóльшая часть - ИЯФ'ом. Это довольно заметный вклад.

– До какой энергии сейчас разгоняют пучки? Собираются ли её повышать?

– Проектная энергия LHC 7 ТэВ - это энергия, до которой возможно разогнать частицы в коллайдере, но на неё в ближайшее время выходить не будут. Сейчас работают на 3,5 ТэВ на пучок. В будущем, примерно к 2015 году, будет 7 ТэВ на пучок, и, соответственно, 14 ТэВ в месте встречи.

Я сразу поясню, почему остановились на вдвое меньшей энергии. Два года назад была авария. Что произошло? Все кольцо поделено на восемь секторов; один сектор это 154 дипольных магнита, соединенных последовательно между собой и работающих на токе в 12000 А. Это колоссальный ток, при этом энергия, которая запасается в магнитном поле, - 1,33 ГДж, что эквивалентно 200 кг тротила. Между всеми магнитами есть соединения сверхпроводящего кабеля – это расположенные внахлест сверхпроводящие шины, спаянные олово-серебряным припоем, которые находятся там же, в криостате при 2 К.

Причиной аварии стал человеческий фактор: одно из соединений оказалось плохо пропаяно. Чтобы никто не обижался, не буду говорить, из какой страны была бригада монтажников (это были не российские монтажники), но они пропаяли в некоторых местах очень плохо. И на момент до запуска LHC считалось, что пайка – это очень простая вещь по сравнению с самими магнитами, к тому же, это та область, в которой хорошо отработаны технологии.

Место аварии: видно, как расплавились и испарились токоведущие шины (сверхпроводящие в медной рубашке)

Место аварии: видно, как расплавились и испарились вакуумные камеры, по которым проводятся пучки

– Как же допустили такую оплошность?

– Это оплошность только с точки зрения человеческого фактора. Проблема-то в чем? Это то, с чем мы сейчас и в России сталкиваемся. Любая организация, чтобы провести дорогостоящие работы (услуги) или купить дорогое оборудование, устраивает конкурс либо на работы, либо на оборудование. По этим же законам живут бюджетные организации за рубежом. Наш ИЯФ, кстати, тоже предлагал свое участие в этих работах. ИЯФ доверяли очень сложные вещи, но соединения между магнитами - это настолько большой объём ручного труда, что эту работу решили отдать в страну, которая является членом CERN (Россия такой не является). Как только прокручивались разово большие деньги, извиняюсь за жаргон, за "тупую" работу, такие деньги предпочитали оставлять в Европе, это с одной стороны. С другой стороны, конкурс всегда выигрывает компания, попросившая меньше денег за выполнение. После этого зачастую компания-победитель начинает на всем экономить: нанимают совершенно неквалифицированный персонал, который плохо выполняет свою работу.

– Казалось бы, CERN всё-таки...

– Дело в том, что речь идет о действительно огромных объёмах работ, и примитивные вещи все же происходили. Например, было странно, когда роняли наше оборудование. На такелажные работы выиграла конкурс фирма, которая вообще нанимала марокканцев, они роняли наши магниты (и мое оборудование тоже). Потом мы получали на это страховку, восстанавливали. В данном случае дело в том, что физики и научные сотрудники CERN не могут с этим что-либо сделать. Есть мощный чиновничий аппарат, который отслеживает процесс проведения конкурсов, выбирает фирму-победителя конкурса, и какое-либо вмешательство неподвластно людям, которые стоят у истоков самой машины и систем безопасности в частности.

Сама машина продумана очень хорошо, всё оборудование, которое действительно должно было быть сделано качественно, делалось в надежных институтах и компаниях. А вот сервисные работы велись сторонними организациями, не всегда достаточно квалифицированными. В итоге 19 сентября 2008 года на последнем секторе, где шли испытания, одно из бракованных соединений стало греться, и участок сверхпроводящего кабеля вышел из состояния сверхпроводимости. Но, как оказалось, помимо брака при пайке сверхпроводника на сверхпроводник, был ещё и брак при пайке сверхпроводника на шунтирующую медную шину.

Выглядит это следующим образом: сверхпроводящая шина вставлена в медную рубашку, чтобы в случае, если состояние сверхпроводимости пропадет, порядка нескольких сотен секунд ток мог бы течь по медной рубашке, которая не успевает за это время сильно нагреться. При этом срабатывает система защиты, энергия, запасенная в магнитах, выводится за эти несколько сотен секунд во внешний балластный резистор, и все спокойно работает дальше. Системы защиты это отслеживают. В тот раз она тоже сработала и начала вывод энергии в течение нескольких сотен секунд, но кроме плохого контакта сверхпроводника на сверхпроводник оказался ещё и плохой контакт на медь в месте соединения. В итоге участок стал сильно греться, часть его расплавилась, и цепь разорвалась. А индуктивные цепи рвать под током нельзя, потому что энергия, которая запасена в магнитном поле, не может просто так исчезнуть, она должна куда-то выделиться: либо наружу вывестись, либо преобразоваться в энергию электрического поля, приведя тем самым к пробою - электрической дуге. Килограммы в тротиловом эквиваленте могли вылиться в такую дугу, но к счастью сработала система защиты, и в итоге энергию можно оценить в сотню граммов в тротиловом эквиваленте, но никак не в 200 кг. Последствия же взрыва такие, что участок метровой длины токоведущей части не просто расплавился - он испарился. Испарились в месте аварии вакуумные камеры, сильфоны. Это нарушило целостность криогенной и вакуумной систем. Произошла утечка гелия, но когда она началась, сработала система защиты и по криогенике тоже. Если оценить запас энергии в 200 кг в тротиловом эквиваленте, которые могли взорваться, а взорвалось порядка ста граммов, то это очень небольшая авария, благодаря как раз системам защиты, которые сработали. Но если бы не было такой банальной ошибки из-за человеческого фактора, не было бы и такой аварии.