Как строили ускоритель для изучения Вселенной: сгоревшие платы и «ведро» для электронной пушки

Если оказаться в Дубне случайно и ничего не знать о городе, то и не скажешь, что здесь что-то ускоряют. Результаты работы Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) стороннему наблюдателю не всегда заметны. А вот физики из самых разных точек планеты с интересом следят за происходящим здесь.

В Дубне ускорители частиц строят с 1950-х. Стартовым этапом был синхрофазотрон — ускоритель, на котором впервые в мире получили пучок протонов с энергией 10 ГэВ. Цифра означала, что каждый протон получал энергию, в десять раз превышающую его собственную массовую, и двигался почти со скоростью света. Физики говорят: «релятивистски».

Магнит у первого синхрофазотрона был под стать амбициозным задачам — 36 тысяч тонн, крупнейший в мире на тот момент. В 2000-х ускоритель решили отправить на пенсию и начали разбирать, но быстро выяснилось, что с некоторыми элементами малой кровью не справиться.

Ярмо магнита — гигантскую металлическую основу, которая удерживает магнитную систему, — демонтировать оказалось настолько сложно и дорого, что его решили сохранить на месте. И, как позже выяснилось, не напрасно.

В 1990-х, в разгар общего упадка в науке и промышленности, в Дубне сумели построить еще один уникальный ускоритель — «Нуклотрон». Его создали на разработанной здесь, в ОИЯИ, технологии сверхпроводящих магнитов, и какое-то время он функционировал вместе с синхрофазотроном.

В конце концов старую установку окончательно законсервировали, а энтузиазм и опыт ученых направили на создание ускорителя нового поколения. Так к середине 2000-х начал оформляться проект NICA — коллайдера на базе того самого «Нуклотрона». Тогда-то и пригодилось старое ярмо синхрофазотрона: гигантское кольцо послужило «каркасом» для «Бустера», одного из ключевых ускорителей NICA.

Таким образом в новейшем комплексе сосуществуют три эпохи ускорительной физики. Снаружи сохранилось ярмо синхрофазотрона из 1960-х, рядом по-прежнему работает «Нуклотрон» из 1990-х, а внутри старой конструкции разместился уже современный «Бустер» NICA. Такой вот инженерный «слоеный пирог» из разных поколений мегасайенса.

Каждая из этих установок выполняет свою задачу в общей цепочке:

— «Бустер» разгоняет частицы, накапливает их до требуемого количества и доводит ионы до нужного зарядового состояния перед инжекцией в Нуклотрон;

— «Нуклотрон» выводит пучок на рабочие энергии для последующей передачи в кольца коллайдера;

— коллайдер NICA не ускоряет частицы, а накапливает и сталкивает встречные пучки.

Еще одно неоспоримое инженерное достижение Дубны — электронно-лучевые источники ионов. Физик-экспериментатор Евгений Денисович Донец сделал первый такой источник — криогенный ионизатор «Крион-1» — еще для синхрофазотрона. Со временем направление переросло в самостоятельный проект, а затем оформилось в отдельную технологию мирового масштаба.

В чем, собственно, достижение? Тяжелые ионы и ранее умели получать, но оборудование было громоздким, дорогим и плохо тиражируемым. Донец показал, как можно эффективно управлять временем ионизации и выводом ионов из ловушки. Процесс стал контролируемым и позволил удобно и изящно управлять процессом глубокой ионизации тяжелых элементов.

Почему тяжелые ионы вообще настолько важны? Если совсем грубо, то это «тяжелая артиллерия» среди пучков частиц. Не протоны-одиночки, а массивные высокозарядные ионы тяжелых элементов — аргона, криптона, ксенона, золота, висмута. Внутри у них много протонов и нейтронов, большая масса и совсем другая физика взаимодействия.

«Потребители пучков», как мы шутя между собой называем физиков-экспериментаторов, рады, а вот инженерам за это приходится расплачиваться сложностью задач: такие пучки трудно получать, удерживать и разгонять.

Для NICA теоретически могла бы подойти реплика источника, созданного еще в 1980-х, поскольку физическая идея за десятилетия почти не изменилась. Но требования к установке стали совсем другими: выросла точность, усложнились режимы работы, появились новые параметры стабильности пучка, диагностики и автоматизации.

То, что раньше можно было подстраивать вручную буквально «на слух и по приборам», теперь должно работать как тонко откалиброванная цифровая система.

Поэтому источник ионов для комплекса NICA пришлось буквально переизобретать заново: проектировать новые системы вакуума, термометрии и питания, измерительную электронику, управление и схему блокировок при аварийных ситуациях.

В моей зоне ответственности оказались три ключевые подсистемы: управление ионной ловушкой, электронная пушка и диагностика пучка. О том, с какими вызовами я столкнулся на пути их разработки, поделюсь ниже.

Когда я пришел в проект, времени на онбординг в духе современного ИТ не было — меня почти сразу бросили «в бой». Работу в NICA я начал не с электронной пушки и не с диагностики, хотя по логике формирования пучка они стоят раньше, а с управления ионной ловушкой — просто потому, что именно она была самым проблемным участком.

Конструктивно система выглядела как небольшой серверный шкаф. Открываешь дверцу — внутри набор высоковольтных модулей, формирующих миллисекундные импульсы высокого напряжения: положительные и отрицательные, до 3 тысяч вольт.

Для включения нужной секции напряжения по оптоволокну подается сигнал синхронизации от общей системы управления комплексом, и в определенный момент система выдает строго заданную последовательность импульсов.

Внутри источника стоят 25 электродов — небольших секций цилиндрической формы с отверстием внутри, в котором в процессе ионизации и дрейфуют ионы. На каждую трубочку дрейфа система в нужный момент подает свой потенциал.

К моему приходу эта схема уже существовала — ее унаследовали от источника предыдущего поколения «Крион-2», но ограничений было сразу несколько, а именно:

• потолок напряжения: около одного киловольта вместо нужных трех-четырех;
• устаревший протокол управления;
• почти полное отсутствие нормальной диагностики и обратной связи.

Все это пришлось переделывать.

Для меня это был первый большой проект в ОИЯИ, и как назло в нем сошлись, кажется, все инженерные сложности: высокое напряжение, импульсная электроника, транзисторные ключи, импульсные трансформаторы, микроконтроллеры, алгоритмы, софт управления для компьютера и так далее.

По сути, именно тогда я впервые собрал весь стек электроники целиком — от схемы и платы, пайки и сборки до программирования и интерфейсов управления. Стоит ли уточнять, что процесс оказался не из легких?

В системе были модули трех типов. Один отвечал за высоковольтную часть, другой — за вспомогательные функции, третий связывал их между собой. Все они работали в общей сети, и чтобы оператор мог управлять этим как единой системой, сначала пришлось разобраться, как модули вообще взаимодействуют друг с другом, а потом привести к единому виду весь интерфейс.

Проблемы возникали постоянно — и программные, и схемотехнические. С программной частью всё выглядело примерно так: внутри микроконтроллера одновременно «крутилось» несколько процессов. Один держал напряжение через регулятор, второй принимал команды с компьютера, третий занимался обменом данными, четвертый — измерениями. Всё это начинало мешать друг другу, и модуль периодически просто «умирал».

Пришлось выстраивать новую архитектуру кода, синхронизировать процессы и учить этот маленький «мозг» не конфликтовать с самим собой.

Но настоящая боль ждала меня в схемотехнике. Дело в том, что когда я только пришел в ОИЯИ, мне было чуть больше двадцати, и высоковольтная физика для меня была почти новым миром. Я даже не представлял себе, что в этой сфере другая культура проектирования и даже другой инструмент. Токи маленькие — миллиамперы, но напряжение в несколько киловольт ощущается очень хорошо.

Я прочувствовал это на себе, потому что первые платы проектировал по привычным правилам низковольтной электроники — расстояния между дорожками оставлял примерно такими же. Получаю плату, на которую уже потратили тысячи рублей, запаиваю, включаю — и высоковольтная часть начинает пробивать: замыкания, вспышки. Ничего не работает.

А причина лежала на поверхности, ведь в высоковольтной технике платы нужно проектировать по особым правилам: увеличивать расстояния между дорожками, делать запилы, покрывать поверхность лаком, учитывать влажность, загрязнения, геометрию проводников. Это десятки нюансов, о которых в обычной электронике можно вообще не думать.

Осознав свои недочеты, я основательно погрузился в изучение вопроса: книги, форумы, документация, статьи. И со временем именно высоковольтная схемотехника стала моей основной специализацией.

Что же пришлось мне сделать тогда? Несколько важных шагов:

1. поднять выходное напряжение модулей в несколько раз;
2. унифицировать цифровой протокол управления;
3. спроектировать новые платы;
4. написать прошивки микроконтроллеров и верхнее ПО.

Позже мы перешли на новую схему индивидуальной подачи потенциалов и резко улучшили структуру пучка во времени. Раньше он был «размазан» примерно на 20 микросекунд, теперь — около четырех.

Это критично, потому что пучок нужно точно вписать в тайминг инжекции цепочки ускорителей. Если он слишком «длинный», частицы просто теряются между элементами ускорительного комплекса при транспортировке пучка.

В итоге переработка ионной ловушки сделала процесс формирования и инжекции пучка ионов NICA намного стабильнее и эффективнее. А это первая ступень всей ускорительной цепочки: от того, насколько хорошо она работает, зависит качество работы всех остальных систем.

На момент выхода этой статьи новая электроника ионной ловушки проработала 18 месяцев без сбоев, обеспечив пучками сеанс технологического запуска коллайдера NICA.

Электронная пушка — это первое звено всей цепочки получения тяжелых ионов, но для меня она стала второй историей. Как она работает? Прежде чем тяжелый ион вообще появится, нужно бомбардировать атомы рабочего вещества пучком электронов и постепенно выбивать с их внешних оболочек собственные электроны, увеличивая заряд иона.

Но чтобы было чем бомбардировать, нужен плотный поток частиц, который и создает электронная пушка. В нашей конструкции электроны рождаются в катодном узле, а сам катод сделан из сплава иридия и церия.

Диаметр катода — 2−5 мм. Через него пропускают ток, он нагревается и начинается термоэлектронная эмиссия: поверхность буквально испускает электроны. Затем разность потенциалов затягивает их внутрь источника, где они разгоняются до энергии порядка 5−8 килоэлектронвольт. При этом ток электронов может достигать десятков миллиампер. По меркам ускорительной физики это сравнительно небольшой пучок, но для ионизации рабочего газа в источнике ионов «Крион» его вполне хватает.

Происходит это всё импульсно. Каждый цикл занимает десятки миллисекунд. И сложность в том, что именно в нужное мгновение система должна на короткое время открыть электронному пучку путь в область ионизации. До этого электроны удерживаются запирающим потенциалом, потом напряжение снимается — и пучок «выстреливает» внутрь источника.

Конструктивно вся эта электроника помещается в очень маленький объем — примерно как две двухлитровые банки, поставленные рядом. Мы между собой называем эту сборку «ведром».

Внутри у такого устройства пять-шесть плат: одна отвечает за накал катода, другая формирует запирающее напряжение, третья снимает его в нужный момент и так далее.

Отсюда и требования: вся электроника должна работать в условиях электромагнитных помех и быстро обслуживаться без полной разборки системы.

Сама схема досталась мне от старшего коллеги, который разработал ее еще в начале 2000-х. Сделано это было надежно, но функционировало почти без обратной связи — не было возможности контролировать ключевые параметры. Оператор фактически крутил ручку и смотрел, что происходит «где-то дальше» по пучку. Подал он 20 вольт или 25 — напрямую увидеть было нельзя.

Я решил начать с основы: добавить нормальную диагностику параметров внутри системы. Если выставлено 20 вольт, оператор должен видеть именно эти 20 вольт, а не догадываться о них косвенно. Для этого пришлось вводить схемы измерения тока, напряжения и температуры.

Конструктив мы прорабатывали вместе с механиком: токовводы, оптоволоконные линии управления, индикацию, модульную сборку. Перед любым схемотехническим решением я прогонял систему через SPICE-моделирование — виртуально собирал схему и смотрел, как она ведет себя во времени. Параллельно изучал готовые решения, документацию, доступность компонентов и удобство обслуживания.

В итоге я серьезно переработал два ключевых узла.

Первый узел — схема накала катода. Старая версия была построена на линейном регуляторе: минимум шумов, высокая стабильность, хорошие измерения, но сильный нагрев. Можно было перейти на импульсный преобразователь, однако он дал бы высокочастотные помехи, а для нас качество измерений критично, ведь помехи влияют на низковольтные измерения.

Поэтому линейную схему я сохранил, а проблему тепла решил отдельно — радиатором и вентиляцией. Заодно обновил измерительную часть: вместо 8-битного аналого-цифрового преобразователя поставил 12-битный. Точность выросла в разы.

Второй узел — система формирования запирающего высокого напряжения. Раньше там стоял повышающий трансформатор с громоздкой обвязкой, но я заменил его на управляемый высоковольтный источник. Система стала проще, компактнее и удобнее.

После этого установка наконец начала «разговаривать» с оператором: ученые теперь не крутят ручки наугад, а видят на экране, как растет напряжение, как выходит на режим ток и стабилизируются параметры.

Последняя история — хороший повод вернуться к мысли из начала статьи: Дубна давно живет не в масштабе одной страны. Идеи, технологии и люди здесь постоянно перемещаются между лабораториями, университетами и ускорительными центрами всего мира.

Однажды к нам приехал аспирант из Кейптауна — Мэтью. У него была собственная экспериментальная установка, подключенная к нашему источнику ионов, и он занимался внешней инжекцией однозарядных ионов галлия — задачей довольно узкой, со своей отдельной физикой.

У него довольно быстро возникла проблема: пучок есть, а увидеть его нечем. То есть установка работает, частицы куда-то летят, но где именно проходит пучок, какого он размера и не ушел ли он вообще в сторону — непонятно. Готовые решения существовали, но купить их быстро тогда не получилось. Ответ на такой вызов у инженера один: разработать свое.

Мне и моим коллегам предложили посодействовать Мэтью. За основу я взял класс устройств, который называется проволочным профилометром. Принцип у него довольно наглядный. Чтобы его понять, достаточно представить ряд тонких струн — как на грифе гитары или скрипки — только вместо звука они ловят частицы.

Пучок проходит через проволочки, часть заряда осаждается на каждой из них, и по распределению сигналов можно восстановить форму и положение пучка в пространстве. Получается своего рода разрез пучка, только в одной плоскости.

Чтобы сделать такой «разрез» с нуля, мне пришлось одновременно решить несколько задач:

• разработать схему;
• разработать платы;
• написать программу для микроконтроллера и ПЛИС;
• прописать алгоритмы для обмена информацией с компьютером;
• сделать верхний софт и продумать визуализацию для отображения физики пучка в понятном виде.

Работали мы с Мэтью следующим образом: он отвечал за физический смысл эксперимента и формулировал, что именно нужно видеть на выходе, а я занимался железом, электроникой и программной частью. Также у нас в команде был специалист по вакууму и еще один физик-экспериментатор. Так систему и «вытянули» вчетвером — физики и инженеры в одной связке.

Этот путь тоже был непростым. Для инжектора комплекса потребовалось более высокое пространственное разрешение. Пришлось переделывать подключение к вакуумному фланцу, улучшать схему измерений, дорабатывать аналоговую часть.

На длинных ускорительных трактах даже небольшие помехи легко «съедают» полезный сигнал, поэтому дальше начинается уже довольно тонкая инженерия.

Но теперь эти профилометры работают на инжекторе NICA как штатная диагностическая система. Их задача — буквально показывать физикам, что происходит с пучком внутри комплекса. Профилометры становятся чем-то вроде контрольных точек на железной дороге: здесь пучок появился, здесь прошел дальше, здесь изменил форму.

• Подтверждают, что пучок дошел до нужного участка тракта. Если сигнал последовательно появился на нескольких профилометрах, значит, вся цепочка сработала правильно.
• Показывают размер и положение пучка. Он может оказаться слишком широким, сместиться вверх или уйти в сторону — и это конкретная измеряемая геометрия.
• Профилометры позволяют настраивать ионную оптику почти в реальном времени. Ученый меняет параметры магнитной линзы (ток, напряжение) и сразу видит, как пучок сместился на миллиметр или, наоборот, сфокусировался.

От себя добавлю: этот кейс, наверное, лучшим образом иллюстрирует, как большая наука устроена на практике. Система, которую изначально делали под локальный эксперимент аспиранта из ЮАР, в итоге становится частью инфраструктуры мегасайенс-комплекса в России, а технологии, зародившиеся в Дубне, мигрируют в американский Брукхейвен.

А еще инженерные компетенции мигрируют из поколения в поколение. И в Дубне этому способствуют — при поддержке ОИЯИ в Государственном университете «Дубна» создана Международная инженерная школа, где студенты с первых курсов обучения участвую в проектах лабораторий ОИЯИ.

Думаю, в этом и заключается главная ценность таких установок, как NICA. Они строятся не только из тонн бетона, магнитов, кабелей и электроники, но прежде всего из накопленного инженерного опыта — идей, ошибок, сгоревших плат, старых советских изобретений и новых цифровых решений.