Создание дочерними предприятиями НИКИЭТ уникального оборудования и технологии производства сверхчистых криптона и ксенона, аккуратная, в соответствии с контрактами, поставка криптона в ЦЕРН — Европейскую организацию ядерных исследований — крупнейший в мире научно-исследовательский центр в области физики высоких энергий — стали первыми, но достаточно уверенными шагами института на пути сотрудничества с этим центром, разработки для него новых видов техники, необходимой для проведения исследований в этой области.
В течение двух лет в ЦЕРН было поставлено 45 т сверхчистого (99,9999 %) Кг, что позволило создать жидкокриптоновый калориметр и обеспечить проведение экспериментов проекта ΝΑ-48 по определению несимметричности взаимодействия вещества и антивещества. В рамках этого же проекта в НИКИЭТ были разработаны конструкции юстировочных колец (кольца изготавливались на Московском заводе им. М.В. Хруничева), технология монтажа оборудования калориметра и изготовлена специальная монтажная оснастка.
Следующий шаг — участие, наряду с другими организациями Минатома РФ, РАН, Минпромнауки РФ, Центра высокотемпературной техники (ЦВТТ) НИКИЭТ в проекте детектора CMS для большого адронного коллайдера.
Несколько слов об этих устройствах.
Сооружаемый в ЦЕРН большой адронный коллайдер (БАК) — ускоритель на встречных пучках (напомним, что первый из них был построен в 1960-х годах в Новосибирском академгородке) — один из самых крупных и технически сложных международных научных проектов конца XX — начала XXI века. С его помощью ученые надеются в лабораторных условиях получить кварк-глюонную плазму, ставшую, по их представлениям, формой существования вещества в начальные мгновения после “большого взрыва”, когда образовалась Вселенная. Возможно, вещество в этой форме существует и сегодня в центрах нейтронных звезд, имеющих фантастическую плотность. Столкновение частиц в БАК будет подобно “большому взрыву” в миниатюре с температурой в 105 раз большей, чем в центре Солнца. БАК — это 1792 мощных сверхпроводящих магнита, размещенных на кольцевом тоннеле, это энергия столкновения двух пучков протонов в 14 ТэВ, это 4 детектора (каждый размером с многоэтажный дом) для регистрации информации о столкновениях и образовании новых частиц. Один из этих детекторов — CMS — многослойная, охватывающая пространство, где сталкиваются пучки, конструкция с 15 млн. детекторных каналов, контролируемых мощными компьютерами.
В проекте CMS принимают участие более 2000 специалистов из 33 стран. Шестнадцать российских организаций являются коллабораторами этого проекта, в том числе 6 организаций Минатома РФ, включая ЦВТТ НИКИЭТ, который стал официальным членом коллаборации CMS в июне 1999 г.
Надо сказать, что еще в 1997 г. специалисты университета штата Висконсин (США) представили на рабочем совещании в ЦЕРН предложения по системе механики торцевых адронных калориметров детектора CMS. Экспертами тогда выступили специалисты ЦВТТ и Инженерного центра прочности (ИЦП) НИКИЭТ. Был выявлен ряд существенных недостатков в предлагаемой американцами конструкции и обнаружены ошибки в прочностных расчетах. На основании представленного заключения техническим координатором проекта CMS было предложено специалистам НИКИЭТ разработать и дать свои предложения по конструкции калориметров.
Сложность задачи заключалась в том, что система механики калориметров должна обеспечивать высочайшую точность изготовления и монтажа конструкции весом 300 т с учетом деформаций под действием как веса, так и больших сил, создаваемых магнитным полем напряженностью 4 Тесла. Образно говоря, во время включения и выключения магнитов детектор CMS как бы “дышит”: при включении сжимается — “выдыхает”, при выключении — “вдыхает”. Габариты (диаметр — 15,0 м, длина — 21,6 м) и вес (12500 т) детектора, а также то, что при действии магнитного поля вся физическая аппаратура, размещенная в детекторе, должна позиционироваться с точностью до десятка микрон, усугубляли трудности и ответственность выбора правильных технических решений при проектировании его механических конструкций.
Кинематическая схема системы механики калориметров с применением пары трения, предложенная специалистами UBTT к рассмотрению в ЦЕРН, вначале вызвала недоумение и сомнение в работоспособности. Однако прочностные расчеты конструкции, выполненные в ИЦП, и результаты экспериментов по определению фактического коэффициента трения на реальных материалах убедили технических экспертов ЦЕРН в том, что предлагаемый вариант является оптимальным из всех ранее рассматривавшихся. В конце 1997 г. на техническом совещании было окончательно одобрено Предложение специалистов НИКИЭТ по конструкции механики торцевых адронных калориметров детектора CMS, а решением руководства ЦЕРН было определено, что ответственность за разработку и изготовление этих конструкций, а также за их монтаж несет российская сторона.
Изготовленные механические конструкции торцевых адронных калориметров
К изготовлению механических конструкций торцевых адронных калориметров удалось привлечь Минский завод им. Октябрьской революции (Республика Беларусь), а к поставке материалов для них — заводы “Красный выборжец” (латунные плиты) и Ижорский (нержавеющая и другие стали). Примечательно, что шихтой для изготовления латунных плит явились гильзы утилизируемых артиллерийских боеприпасов ВМФ. Независимый входной контроль качества заготовок материалов осуществлялся специалистами И ЦП НИКИЭТ.
Второй, не менее важной задачей была разработка технологии монтажа торцевых калориметров в ЦЕРН и нестандартного монтажного оборудования. Напомним, что вес одного калориметра ~ 300 т, и эта конструкция должна подвешиваться консольно на высоте ~7,5 м с точностью размещения относительно центральной оси детектора не хуже ± 0,5 мм. Конструкция калориметров предусматривает и необходимые юстировочные технологические операции, обеспечивающие это требование. Нельзя сказать, что первый вариант технологии монтажа, представленный нами в ЦЕРН, встретит одобрение. Недостаточно выполнялось основное требование — минимизация количества и веса нестандартного монтажного оборудования. Немало творческих предложений пришлось проработать и отбросить, прежде чем технология удовлетворила технических экспертов ЦЕРН.
Детектор Е-391а
В настоящее время все нестандартное технологическое оборудование, как и ранее составные части механических конструкций самих калориметров, изготовлено Минским заводом, испытано и отгружено в ЦЕРН. Монтаж механических конструкций предполагается провести в 2002-2003 гг. Ответственной за монтаж организацией также является ЦВТТ НИКИЭТ.
В той же области создания уникального оборудования для проведения исследований по физике высоких энергий находится и осуществляемый в настоящее время для КЕК — Японской национальной организации по изучению этих проблем — проект механических частей трех детекторов для эксперимента Е-391 а и детекторной установки Е-391а в целом.
Исследования планируется проводить в два этапа: первый этап — на протонном синхротроне КЕК с энергией 12 GeV, второй — на строящемся ускорителе JHF с энергией 50 GeV. Для эксперимента Е-391а сконструирована новая пучковая линия в восточном экспериментальном зале синхротрона.
Задачи проекта — разработка и изготовление узлов и деталей установки: трех герметичных вакуумируемых до 10-3-10-7 мм рт.ст. баррелей (контейнеров) со встроенными калориметрами детекторов частиц, крышками и герметичными вводами для кабелей и вакуумных насосов; поддерживающих внутренних столов для дополнительных детекторов; основания с поддержками для всей конструкции. Проектирование механических частей включает разработку конструкторской документации с выбором материалов, проведение прочностных расчетов механической части установки, а также технологическую проработку выбранных решений по конструкции и материалам. Кроме того, проект включает в себя разработку сценария монтажа и необходимой монтажной оснастки. Также планируется изготовление баррелей установки. Сценарий вновь сложен: высокие точности (не более ± 0,5 мм) при монтаже детекторов и самой установки Е-391а относительно оси пучка плюс ограниченное пространство и лимитированное по грузоподъемности оборудование в экспериментальном зале помещения, где будет монтироваться установка.
Проектирование установки предполагается завершить в 2002 г., а к осени 2003 г. завершить ее монтаж.
Выполнение проекта нацелено не только на осуществление экспериментов с установкой Е-391а, оно открывает перспективы проведения исследований других редких физических процессов.
В.П. Сметанников, А.Н. Орлов
