Коллайдер вызовет революцию в металлургии

Статья, посвященная неожиданной связи физики высоких энергий с металлургией, вышла в журнале Physical Review Special Topics – Accelerators and Beams. На первый взгляд она посвящена узкоспециальному вопросу – изготовлению ниобиевых резонаторов для разгона заряженных частиц. Но на самом деле созданные специально для уникальных установок технологии могут существенно повлиять на металлургическую промышленность.

От физики высоких энергий к металлу

Технология, по которой изготовлен питающие магниты сверхпроводящие кабели - разработка Всероссийского научно-исследовательского, проектно-конструкторского и технологического института кабельной промышленности. Сверхпроводящие кабели для другого научного мегапроекта, термоядерного реактора ITER - тоже продукция российского Чепецкого металлургического завода. Источник: LHC

Сверхпроводящие свойства металла ниобия нужны физикам, работающим над созданием ускорителей заряженных частиц, неспроста. Ведь чем быстрее движется частица и чем большую она имеет энергию, тем более мощное магнитное поле необходимо для ее отклонения. А чем больше магнитное поле, тем больше ток через обмотки электромагнитов.

В Большом адронном коллайдере (LHC) эти обмотки изготовлены из сверхпроводящего кабеля как раз на основе ниобия. В будущем суперускорителе, Международном линейном коллайдере, тоже будут именно ниобиевые резонаторы, специальные полости для ускорения заряженных частиц. Однако требования к качеству их изготовления вырастут из-за увеличения плотности тока, да и в отличие от кабеля для них потребуются уже цельные металлические детали вместо проволоки из ниобий-титанового сплава.

Микроскопическая структура ниобиевых листов. Видно, что структура листа различается вблизи поверхности (верхняя и нижняя части рисунка) и в центре. Источник: Physical and mechanical metallurgy of high purity Nb for accelerator cavities

Изготовление ниобиевых деталей с высокой степенью чистоты и безупречным качеством сварных швов — задача, лежащая уже далеко не в области сложных моделей квантовой хромодинамики или единой теории поля. Но в работе исследователей из нескольких научных центров США, от Мичиганского университета до Аргоннских национальных лабораторий, металлургические и производственные процессы рассматриваются именно с точки зрения физиков, которых волнует один вопрос: как именно следует обрабатывать металл, чтобы получить наиболее качественные резонаторы для коллайдера? Да еще и по цене, которая позволит уложиться в бюджет.

Анализ поведения металлических листов при остывании после отливки и прокатки показал, что свойства ниобия (механические и электрические) очень сильно меняются с глубиной. Расчеты показали, что эффективность разгоняющих частицы резонаторов (то есть способность переводить подводимую к резонатору электроэнергию в кинетическую энергию пучка частиц) из-за неоднородности падает, и лучше бы найти какой-то иной способ получения необходимых заготовок. Например, штамповка, по оценкам авторов, даст гораздо лучшие результаты.

Так выглядят электромагнитные резонаторы, при помощи которых в коллайдерах разгоняют элементарные частицы. Этот экземпляр работал в предшественнике LHC, электрон-позитронном коллайдере и сейчас стоит в музее ЦЕРН. Источник: SCZenz

Так выглядит (нажмите для просмотра анимированной схемы) получение деталей методом штамповки жидкостью. Лист металла помещают в пресс, но вместо сплошной пресс-формы используется жидкость. Источник: Luigi Chiesa

Физики-теоретики вторгаются, казалось бы, в далекую от них область металлургической промышленности. В статье вслед за отливкой и штамповкой рассматриваются операции термообработки деталей и их сварки, и к качеству сварных швов требования у ученых ничуть не меньше, чем к материалу самой детали. Чтобы изучить влияние нагрева при сварке на микроструктуру соседних участков, был проведен отдельный ряд исследований и их результаты показали, что число нарушающих структуру металла неоднородностей возрастает, поэтому от сварки ...лучше бы избавиться вовсе. Сложной формы поверхности резонаторов надо не сваривать, а штамповать жидкостью под давлением, такой вывод содержится в работе ученых.

И все-таки зачем?

Серебристо-серого цвета в чистом виде и с желтоватой пленкой окисла, достаточно тяжелый (8,57 г на кубический см),ниобий не поражает своим внешним видом. Цену в полторы сотни долларов США (на конец 2009 года) инженеры, которым, может быть, и не нужна такая сверхпроводимость, готовы заплатить за сочетание других качеств – тугоплавкости, химической стойкости и гипоаллергенности.

Кристаллы ниобия. Источник: Артём Топчий

Что же касается получения однородных деталей, то это тоже может пригодиться не только специалистам по проектированию ускорителей. Понимание физических процессов, лежащих в основе таких технологических операций, как сварка, прокат, штамповка и закалка металла, способно повысить надежность и вполне обыденных изделий, снизить риск поломки важных деталей машин и конструкций.