Белорусские конструкторы создали уникальное усилительное устройство для большого адронного коллайдера

В последние годы многие страны работают над созданием адронных коллайдеров — комплексов, с помощью которых ученые воссоздадут и изучат физические процессы, протекавшие в нашей Вселенной в первые мгновения ее возникновения после Большого взрыва.

Сотрудники белорусского НПО «ОКБ ТСП» приняли участие в разработке широкополосного усилителя мощности («ШиУМ») для управления магнитным полем коллайдера. Корреспондент «Рэспублікі» попыталась разобраться, в чем уникальность проекта.


С третьей попытки

— Это небольшой, но повод для национальной гордости, — считает Константин Костюкевич, начальник сектора СВЧ НПООО «ОКБ ТСП», главный конструктор проекта.

Константин Костюкевич, главный конструктор проекта.
ФОТО ЮРИЯ МОЗОЛЕВСКОГО

В конструкторском бюро над заказом работали полтора года. Треть этого времени ушла на математическое обоснование и моделирование, подбор элементов, около года изготавливали платы и модули. Усилитель, отвечающий уникальным и предельным требованиям заказчика, получился только с третьей итерации.

Примерная схема одного из адронных коллайдеров.
ФОТО SBRAS.INFO

— Сложность создания этого изделия в том, что требования к нему были практически взаимоисключающие, — говорит Константин. – Это как, например, от огромного джипа на больших колесах требовать, чтобы он развивал скорость 300 км/час.

С чем же столкнулись наши разработчики? Всякий усилитель мощности допускает искажения. Так, голос собеседника в телефонной трубке всегда звучит чуть иначе – а усилитель в сотовом телефоне в сотни раз слабее, чем созданный в НПО. Правда, для нас это не имеет особенного значения. А вот адронный коллайдер – пользователь гораздо более строгий. Малейшее искажение информации совершенно недопустимо, так как может поставить под угрозу весь эксперимент.

В проектах стоимостью в миллиарды долларов задействованы десятки стран.

картинка

Подхватить, усилить, передать другому

Чтобы понять, как предстоит работать усилителю, нужно попробовать уяснить, что будет происходить в адронном коллайдере. Разумеется, процессы эти крайне сложны, но Константин попробует объяснить проще:

— Идея заключается в столкновении пучков элементарных частиц и наблюдении за результатом. Пучки разгоняются до околосветовой скорости при помощи мощных фокусирующих магнитов. Поле, которое создастся ускорителем, в сотни раз превысит магнитное поле Земли. Но магнитами тоже надо управлять. Создание систем, которые способны за ничтожно малое время управлять электронным потоком, – чрезвычайно сложная задача, которая требует масштабирования, то есть увеличения некоторых сигналов управления. Этим и будут заниматься наши усилители. В зоне действия одного усилителя, который управляет магнитным потоком, электроны находятся наносекунды. Если хоть один управляющий сигнал претерпит искажения, эксперимент потерпит неудачу. Фокусирующее магнитное поле будет нарушено, электрон полетит неизвестно куда. Никаких последствий это иметь не будет, коллайдер не развалится, но и корректных данных эксперимента не получат. Отсюда жесткие требования к точности, качеству, надежности всех систем.

Над выполнением этого, на первый взгляд, скромного усилителя команда работала полтора года.

Искажения недопустимы

Диапазон усилителя сверхвысокой частотной энергии более 2 Гигагерц. Он может решать широкий спектр задач.

— Поступающий к нему широкополосный сигнал аппарат должен усилить в 10 тысяч раз и при этом не внести никаких искажений. Гладкость характеристик — это было краеугольное требование к усилителю. И мы сумели его выполнить — «ШиУМ» масштабирует, то есть, усиливает широкополосные сигналы практически идеально, без искажений, — утверждает Константин.

Изделия готовы к испытаниям.
ФОТО ЮРИЯ МОЗОЛЕВСКОГО

Любой усилитель имеет фазочастотную характеристику. Это значит, что при усилении мощности на различных частотах он вносит свою фазовую задержку. И чаще всего она не линейная, то есть, если частота увеличивается в два раза, то фазовая задержка – например, в 2,2 раза. Обычно для получения большей мощности приходится жертвовать гладкостью характеристик. Но наши разработчики должны были добиться не только линейности, но и точности: при большой для сверхвысокой частотной энергии мощности, искажение допускалось в сотые доли процента. И это при том, что усилителю предстоит работать в мощных магнитных полях.

Над созданием «ШиУМа» трудились около десятка человек. Механика, электроника, корпус, блок питания – абсолютно все создавалось здесь, в Минске. При изготовлении деталей особой сложности исключался даже человеческий фактор: из компьютера 3D-модель отправлялась прямо на станок с численным программным управлением, а буквально через два-три дня разработчики уже получали сложную деталь с многомерной проекцией, выполненную без единой ошибки.

Пока что адронный коллайдер создается в интересах чистой науки, чтобы изучить физические свойства времени и пространства. Но несомненно, такой масштабный эксперимент даст толчок для новых теорий, открытий, изобретений.

Читайте нас в Google News

ТОП-3 О МИНСКЕ