800 тонн специальной стали произведено на ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ММК). Из этого материала специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) изготовят три магнита для международного проекта по изучению элементарных частиц FAIR (Германия). Магниты создают поле, которое поворачивает заряженные частицы в ускорителе FAIR, а также оно используется в детекторах для определения энергии и типа рождающихся частиц. Сталь для магнитов обладает уникальными магнитными характеристиками, позволяющими получать высокое магнитное поле (до 2 Тл) и высоким пределом текучести – 240 МПа, то есть выдерживает давление 2000 кг на 1 см2. Это критически важно, ведь магнит должен на протяжении десятков лет выдерживать огромную нагрузку – собственный вес, который в случае одного из магнитов составляет 240 тонн, а также давление магнитного поля.
Европейский исследовательский центр ионов и антипротонов – FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) – крупнейший международный ускорительный комплекс по исследованию современной ядерной и субъядерной физики, создаваемый в Германии. FAIR – многоплановый проект по исследованию физики элементарных частиц, ядерной физики, физики конденсированного состояния вещества при больших плотностях.
Россия является одной из 17 стран-участников проекта FAIR, вторым после Германии партнером по объему вложений в создание установки.
«Это беспрецедентный проект, стоимость которого оценивается примерно в 1,5 миллиарда долларов. Вклад России составляет порядка 20% от этой суммы», – отметил научный руководитель направления физики элементарных частиц ИЯФ СО РАН член-корреспондент РАН Юрий Тихонов.
«Россия – ключевой партнер не только из-за больших финансовых вложений, но и из-за большого интеллектуального потенциала. Вот причина, почему мы здесь», – заявил в 2017 году на пресс-подходе в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН доктор Клаус Петерс, руководитель эксперимента PANDA.
ИЯФ СО РАН – один из главных российских участников. Экспериментальный комплекс FAIR будет состоять из пяти крупных частей. Институт ядерной физики отвечает за разработку одной из них – накопительного кольца Collector Ring, в котором накапливаются интенсивные пучки антипротонов для экспериментов с детектором PANDA. Создание установки предусматривает разработку, изготовление и запуск системы электронного охлаждения, сверхпроводящих элементов, магнитных систем, вакуумных камер, системы диагностики пучка и др.
ИЯФ СО РАН участвует в разработке и создании трех систем проекта PANDA, в том числе – центрального соленоидального сверхпроводящего магнита, с помощью которого будет производиться измерение импульсов заряженных частиц, а также 240-тонного дипольного магнита переднего спектрометра, который предназначен для измерения импульса частиц, вылетающих из мишени вперед.
«В детекторах частиц, в том числе в детекторе PANDA, – прокомментировал Юрий Тихонов, – магнит служит для анализа импульса частиц. Частица в магнитном поле движется по окружности. Координаты этой окружности измеряются, и таким образом определяется энергия частиц, по которой мы можем идентифицировать ее вид. Основная функция магнита в детекторе – анализ продуктов реакции, и ИЯФ СО РАН – один из мировых лидеров по разработке и изготовлению таких магнитных систем под ключ».
Основным материалом для изготовления магнита является сталь. Как правило, это специфическая сталь с особыми магнитными свойствами, отметил Юрий Тихонов.
«Сталь, подходящую для производства магнитных систем для проекта FAIR, оперативно и в нужном количестве способны изготовить только специалисты Магнитогорского металлургического комбината, с которым нас связывает многолетнее сотрудничество», – подчеркнул он.
Сталь для магнитов FAIR обладает высокими магнитными свойствами (максимальной магнитной проницаемостью 1700 и индукцией насыщения 2 Тесла) при сохранении хороших механических свойств – 240 МПа, что эквивалентно воздействию 2000 кг на 1 см2. Специальная технология плавки и проката стали позволяет сохранить однородность материала во всех 800 тоннах. Особенностью этой стали является высокая магнитная проницаемость, которая достигается её предельной чистотой, то есть отсутствием примесей. А также высокие механические характеристики, которые достигаются введением специальной легирующей добавки – сверхчистого алюминия.
ИЯФ СО РАН изготовит из этого материала три магнита для проекта FAIR, два из них предназначены для ускорителя, один – для детектора PANDA.
«Большой 240-тонный дипольный магнит является составной частью детектора PANDA и будет оборудован дрейфовыми камерами для отслеживания частиц и сцинтилляционными счетчиками для измерения времени прохождения излучения внутри апертуры магнита. Дополнительно система детектирования частиц, установленная внутри магнита, будет охватывать углы до 5 и 10 градусов в вертикальной и горизонтальной плоскостях», – пояснил руководитель проекта, старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Евгений Антохин.
Он также отметил, что особенностью этого магнита является необходимость получения большого интеграла магнитного поля при его ограниченной длине, а также очень большая апертура. Также имеется ограничение по допустимой мощности питания электрических обмоток магнита – 400 кВт.
«Поэтому нам нужна сталь для магнитопровода с очень высокой кривой намагниченности и индукцией насыщения. Высокая намагниченность позволяет создать необходимую структуру поля, которая обеспечивает движение пучка антипротонов по определенной траектории. Индукция насыщения влияет на силу поля – чем она выше, тем более точно детектируются частицы» – подчеркнул Евгений Антохин.
Два других магнита, которые изготовят специалисты ИЯФ СО РАН, предназначены для ускорителя.
«Один из них очень специфический, поскольку ему предстоит работать в условиях огромной радиационной нагрузки, и обычные материалы ее не выдерживают. Поэтому мы планируем применить специальную технологию производства на основе сплава с магнием и изоляцию из особых материалов. 10 лет назад мы уже изготавливали подобный магнит, и он надежно работает в эксперименте», – прокомментировал Юрий Тихонов.
В настоящий момент магниты находятся в начальной стадии изготовления. Для них уже разработаны и создаются электроника, источники питания и электрические обмотки. С помощью обмотки в магнитопроводе создается магнитное поле. Мощный источник питания предназначен для питания этой обмотки. Следующие этапы – производство магнитопровода, сборка полного магнита, его тестирование, измерение карты магнитного поля и отправка в Германию.