Na prostej drodze do właściwego wyrównania komponentów akceleratora
Akceleratory cząstek, takie jak znajdujący się w ośrodku CERN Wielki Zderzacz Hadronów (LHC, Large Hadron Collider), to szczytowe osiągnięcie naszej nauki, jednak wymagają niezwykle zaawansowanych i precyzyjnych prac inżynieryjnych. Obecnie CERN prowadzi badania nad nowym akceleratorem – Kompaktowym Zderzaczem Liniowym (CLIC, Compact Linear Collider) – i w ramach tych badań stworzył, dzięki finansowaniu ze strony UE, program szkoleń doktoranckich PACMAN, którego celem jest rozwiązanie problemów techniczno-metrologicznych związanych z właściwym wyrównywaniem komponentów akceleratora z mikrometryczną precyzją. Akcelerator CLIC będzie kontynuować pracę LHC i umożliwi naukowcom z CERN analizować kolizje elektronów i pozytronów w energiach sięgających kilku TeV. W końcowej konfiguracji wiązki elektronów i pozytronów emitowane z przeciwnych kierunków będą przyspieszane na odcinku około 25 km. Od momentu rozpoczęcia projektowania nowego zderzacza było jasne, że największym problemem będzie właściwe wyrównane 20 000 modułów i powiązanych z nimi systemów technicznych w tunelu akceleratora. Wyrównanie tych komponentów na odcinku setek metrów, tak aby możliwe było wygenerowanie i utrzymanie najmniejszej możliwej wiązki elektronów pozwalającej wywołać maksymalną liczbę kolizji, jest poważnym wyzwaniem technicznym. W przypadku zderzacza CLIC wiązka w punkcie kolizji będzie miała wielkość rzędu jednego nanometra w pionie i 40 nanometrów w poziomie (kształt wstążki). „Celem projektu PACMAN jest poprawa dokładności wyrównania komponentów akceleratora, a to wymaga interdyscyplinarnych badań z zakresu metrologii, wysoko precyzyjnej obróbki maszynowej, technologii mikrofalowych i pomiarów magnetycznych” – mówi dr Helene Mainaud Durand, koordynator projektu i naukowiec zatrudniony w CERN. W ramach sieci, finansowanej ze środków unijnych przez cztery lata, udało się przeszkolić dziesięciu doktorantów i zbliżyć do siebie środowiska akademickie i przemysłowe. Podczas eksperymentalnych testów nowych metod opracowanych w każdym z projektów wiązkę elektronów zastąpiono rozciągniętym drutem poprowadzonym przez wszystkie komponenty akceleratora. Następnie za pomocą czujników magnetycznych i elektromagnetycznych zmierzono, czy drut znajduje się idealnie w środku każdego komponentu. „Przygotowania zajęły nam cały rok: studenci musieli najpierw wybrać drut, który będzie odpowiedni do wszystkich pomiarów jednocześnie, a następnie wspólnie uzgodnić, z jakiego oprogramowania i sprzętu będą korzystać” – wylicza dr Durand. Stworzone metody dowodzą, że dla każdego rodzaju komponentów da się w sposób powtarzalny umieścić rozciągnięty drut precyzyjnie w środku każdego komponentu, z dokładnością do jednego mikrometra. „Nigdy dotąd nie udało się uzyskać takiego poziomu dokładności. Teraz będziemy mogli szybciej wyrównywać komponenty, a dodatkowo oszczędzać czas dzięki możliwości wykorzystania zautomatyzowanych technologii” – wyjaśnia dr Durand. Szablony do pozycjonowania pozwolą automatycznie wyrównywać elementy podczas montażu jeszcze w zakładzie produkcyjnym lub po przewiezieniu ich na miejsce, w tunelu akceleratora, z dokładnością poniżej pięciu mikrometrów. CERN ma zamiar wykorzystać niektóre metody opracowane przez zespół PACMAN do regulacji komponentów LHC podczas modernizacji zaplanowanej na 2024 rok (projekt HL-LHC), co powinno zwiększyć liczbę zderzeń obserwowanych w LHC. Metody te zainteresowały również społeczność zajmującą się akceleratorami medycznymi, w których do prowadzenia radioterapii przeciwnowotworowej wymagane są podobne rygorystyczne tolerancje wyrównania. „Nowe techniki mogą przynieść korzyści również w lotnictwie czy motoryzacji, a także przy produkcji teleskopów i satelitów” – dodaje dr Durand. Grupa CERN-owskich naukowców zajmujących się gromadzeniem i przekazywaniem wiedzy już złożyła wniosek o dofinansowanie projektu badającego te możliwości.
Słowa kluczowe
PACMAN, budowa akceleratora cząstek, Wielki Zderzacz Hadronów, Kompaktowy Zderzacz Liniowy, metrologia, komponenty akceleratora, wyrównywanie
