Изготовление
резонаторов, при помощи которых будут разгоняться частицы в Большом
адронном коллайдере, потребовало разработать технологию получения
сверхчистых металлов, в частности ниобия. Ученые полагают, что это
поспособствует новому витку научно-технического прогресса 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
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.
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.
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.
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.
