В Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ продолжаются работы по сборке магнита детектора MPD (Multi-Purpose Detector – многоцелевой детектор). Это один из двух основных детекторов ускорительного комплекса NICA.
Он предназначен для изучения горячей и плотной барионной материи в столкновениях тяжелых ионов в коллайдере.
В текущем году была проведена модернизация узла соединения магнита MPD с контрольным сосудом Дьюара, собраны корректирующие катушки магнита и выполнены многие другие задачи. В срок до конца декабря на MPD планируется осуществить пробное захолаживание.
Этот тот самый сверхпроводящий магнит детектора MPD диаметром 4,6 м и длиной 7,5 м, который переваозили в ОИЯИ из речного порта на реке Дубне в ноябре 2020 года. В 2021 году его установили в частично собранный магнитопровод. В 2022 году продолжаются частичная сборка соленоида и поэтапные испытания.
В декабре 2021 года начались испытания соленоида на прочность и герметичность: проверялись целостность контура азотного экрана, объема соленоида и контура гелиевой полости охлаждения сверхпроводящего кабеля. В результате была выявлена течь в контуре экрана, которую локализовали и устранили специалисты ЛФВЭ при участии представителей завода-изготовителя соленоида ASG Superconductors (Генуя, Италия).
Сложные решения
После этих тестов должен был начаться монтаж узла, соединяющего соленоид с контрольным сосудом Дьюара – составной частью криогенной системы соленоида, работающим по принципу термоса. Через него подается хладагент для охлаждения азотного экрана соленоида, необходимого для того, чтобы предотвратить испарение более дорогостоящего и холодного гелия, и сверхпроводящего кабеля до сверхнизких температур, близких к абсолютному нулю. Рабочая температура соленоида будет составлять 4,5 К – именно при такой температуре кабель соленоида приобретает сверхпроводящие свойства.
Модернизация соединительного узла
Завод-изготовитель при доставке соленоида в Дубну не поставил некоторые элементы узла, соединяющего соленоид с контрольным Дьюаром: сильфоны-компенсаторы, адаптеры и биметаллические переходники. Сама конструкция узла не предусматривала доступа в эту область без разборки всей системы, включая демонтаж контрольного Дьюара, а значит, при необходимости у сотрудников MPD не было бы возможности доступа для ремонта. Поэтому инженеры Конструкторского бюро ЛФВЭ приняли непростое решение и полностью переработали конструкцию узла, в том числе переделав сами трубопроводы и подрезав верхнюю балку. После подрезания балки специалисты команды MPD провели компьютерное моделирование магнитных полей и убедились, что эта доработка не повлияет на конечную однородность магнитного поля. Несмотря на это, отрезанная, целиковая часть будет заменена на сегментарную. Это позволит заполнить пустую область даже более плотно, чем это предполагалось ранее, повторив форму плиты с обратного конца.
Компоненты для обновленной конструкции узла были заказаны и изготовлены. «Теперь узел имеет разборный вакуумный кожух, а элементы трубопроводов – разъемные соединения. Такая конструкция позволяет добраться до любого элемента трубопровода без демонтажа криогенного оборудования на платформе», — пояснил заместитель главного инженера ЛФВЭ Константин Мухин, руководитель работ на MPD.
К настоящему времени проведена частичная сборка узла и его локальная проверка на герметичность. После этого был полностью собран магнитопровод, на нем были установлены опорные кольца, а сверху соленоида поставлена часть верхней платформы MPD. Сейчас контрольный Дьюар находится в своем рабочем положении на платформе; программисты Лаборатории пишут необходимое для его функционирования программное обеспечение. В сентябре была полностью изменена идеология соединения Дьюара с соленоидом, и в срок до конца октября планируется закончить его монтаж, а также провести испытания с подключением к системе контроля и управления магнитом.
Сборка корректирующих катушек
Помимо самого соленоида со сверхпроводящим кабелем и стального кожуха (магнитопровода), в состав соленоидного магнита MPD входят также две корректирующие катушки, замыкающие магнитное поле на торцах. Их установке была посвящена другая крупная часть работы в июне-июле 2022 года.
Этапы установки катушки в полюс
Корректирующие катушки необходимы для того, чтобы поправить магнитное поле в том случае, если в нем будет наблюдаться неоднородность. Они являются «теплыми», т. е. их охлаждение производится дистиллированной водой.
Катушки весом по 2 тонны каждая были помещены в 40-тонные стальные полюса по чертежам завода-изготовителя ASG и разработанной в КБ ЛФВЭ технологии, а затем были кантованы на подвижные стапели, которые обеспечат в дальнейшем размещение катушек в опорных кольцах соленоида.
По окончании этих мероприятий специалисты ЛФВЭ провели измерения координат оси катушка – полюс лазерным трекером. Измерения показали, что отклонение от соосности для катушки W (West) составило всего 0,7 мм, а для катушки E (East) – 1,2 мм при допустимом отклонении в 2 мм. «Было проверено положение этих катушек как в горизонтальном, так и в вертикальном положении. Теоретически катушка могла просесть под таким большим весом при установке в вертикальное положение, но не просела: смещение составило десятые доли миллиметра», — прокомментировал Константин Мухин.
Другие успехи
Еще одна задача, которую смогла решить команда в течение лета, — доработка системы MFS – нагревателя, который обеспечивает поддержание температуры при захолаживании азотного экрана соленоида. «Там наблюдался ряд проблем: не действовал датчик уровня, а также не выяснена зависимость мощности нагревательных элементов (их 3) от выходной температуры. Между тем его точность должна быть очень высокой: скорость захолаживания соленоида должна составлять 1 К в час при перепаде на входе-выходе самого соленоида не более 20 К. Это очень жесткие условия, и сотрудники команды MPD провели большую работу по тестированию этого устройства и подбору его оптимальных режимов работы. Сейчас он как составная часть криогенной системы готов к работе в ручном режиме. Но мы планируем продолжить работу в этом направлении и проведя ряд экспериментов прописать алгоритм захолаживания с учетом поправочных коэффициентов, переведя MFS на работу в автоматическом режиме», — рассказал он.
20 сентября со склада ОИЯИ в экспериментальный зал MPD была перевезена еще одна значимая деталь криогенной системы – сателлитный рефрижератор. Ведется сборка рефрижератора, а также шкафов электроники системы питания и контроля соленоида, после чего планируется провести локальные испытания.
Внешняя система электропитания дорабатывается под требования соленоида. Генеральный подрядчик строительства комплекса NICA компания Strabag установила узлы внешней системы водяного охлаждения и провела их в здание коллайдера, а также установила трубопроводы и узлы в павильон MPD. Ведется монтаж баков для дистиллированной воды в здании коллайдера.
Задачи «со звездочкой»
При выполнении указанных работ существуют определенные трудности, связанные с приостановкой работы компании-производителя соленоида ASG Superconductors в рамках проекта по шефмонтажу соленоида. Компания ссылается на санкции введение в адрес РФ. Несмотря на международный статус ОИЯИ в настоящее время договориться о продолжении их участия не удалось. На неопределенный срок было приостановлено сотрудничество с другими фирмами-поставщиками оборудования из стран ЕС: Германии, Польши, Чехии. Большая часть криогенного оборудования (трубопроводы, обечайки нагревателей, азотные танки и др.) была заказана в ЕС, где в настоящее время его производство заморожено, а уже готовое оборудование не может быть отгружено.
С учетом обстоятельств часть специалистов проекта MPD сосредоточила усилия на анализе документации уже поставленных деталей различных систем соленоида. Часть возникающих вопросов удается решить своими силами, некоторое оборудование – перезаказать в России или других странах.
Общий вид основных элементов сборки магнита
Принимая во внимание задержку, которая возникнет при перезаказе части оборудования на предприятиях РФ, была разработана временная схема охлаждения соленоида: согласно ей, будут использоваться передвижные азотные и гелиевые емкости взамен стационарных.
Западными партнерами поставлялось не только все криогенное оборудование, они отвечали и за систему электропитания, контроля и управления магнита. В отсутствие связи с ASG, а также сложностями с использованием исходной системы (запрет доступа), как альтернативный вариант, команда рассматривает возможность собрать эту систему самостоятельно.
«На каждый шаг у нас будет документация о том, что мы делали все по технологии и не выходили за допустимые параметры отклонений. В случае улучшения ситуации и возвращении ASG, как завода изготовителя и ответственного за получение поля, эти документы позволят подтвердить выполнение работ без нарушения технологического процесса сборки, особенно для скрытых работ», — отметил Константин Мухин.
Команда MPD планирует провести первичное захолаживание соленоида по временной схеме, начиная с декабря. При благоприятных условиях в декабре 2022 – январе 2023 также будет проведен тестовый пуск системы питания с использованием имеющегося оригинального ПО.
До начала 2023 года команда MPD планирует:
- установить 3 оставшиеся балки магнитопровода с измерением положения всех элементов магнита в сборе;
- разместить верхнюю платформу с установкой криогенного и вакуумного оборудования в рабочее положение;
- собрать криогенную систему на платформе с испытаниями на герметичность;
- смонтировать трубопроводы от зала MPD до нового криогенного участка;
- разработать временное программное обеспечение для контроля и регулирования параметров работы криогенной системы, не входящей с систему контроля MPD.
Тем не менее, специалистам ЛФВЭ приходится принимать в расчет возможные сдвиги сроков. Причин тому масса: это изменение схемы поставок, отсутствие документации с критически важными схемами и алгоритмами, отсутствие доступа в программное обеспечение системы управления магнитом и другие обстоятельства.