Istraživanje FER-ova doc. dr. sc. Marinka Kovačića na CERN-u
LHC je najveći kružni akcelerator u CERN-ovom kompleksu opsega 27 km i nalazi se na 175 m ispod zemlje. Izgradnja akceleratora trajala je od 1998. do 2008. godine te je na njoj sudjelovalo preko 10 000 znanstvenika i inženjera iz više od 100 zemalja
ocent dr. sc. Marinko Kovačić sa Zavoda za elektrostrojarstvo i automatizaciju Fakulteta elektrotehnike i računarstva Sveučilišta u Zagrebu već drugu godinu boravi u CERN-u, najznačajnijoj svjetskoj instituciji za nuklearna istraživanja, gdje sudjeluje u radu grupe za energetske pretvarače (CERN-SY-EPC).
Početak ove zanimljive priče kreće još 2015. godine kada je docent Kovačić, tada još asistent na FER-u, započeo suradnju s profesorom Mirkom Planinićem s Fizičkog odsjeka PMF-a, s kojim je razvio uređaj za mjerenje struja u pikoamperskom području na naponu do 5 kV. Uređaj je prvenstveno razvijen za potrebe provođenja ispitivanja na detektoru GEM (Gaseous Electron Multiplier) koja su rađena u okviru PMF-ovog projekta “Study of the momentum correlations in high energy collisions using event structure criteria and ALICE detector at LHC”. Prvi prototip s 24 mjerna kanala isporučen je u Fizički institut u Helsinkiju kao testna jedinica, a zbog pozitivnih iskustava grupe iz Helsinkija uređaj su naručile i grupe iz CERN-a.
– Ono čime se trenutačno na CERN-u bavim je izrada novog uređaja za kalibraciju mjernih kanala struje koji će zadovoljavati zahtjeve postavljene projektom HL-LHC (High Luminosity Hadron Colider). Izazov zadatka je u tome što je postojeći sustav za kalibraciju na razini trenutnog stanja tehnike što značajno komplicira i smanjuje mogućnosti daljnjeg poboljšanja.
Prvi dio svog rada na projektu sam posvetio detaljnoj analizi postojećeg rješenja s naglaskom na pronalazak dominantnih izvora nestabilnosti koji utječu na dugotrajnu preciznost uređaja. U ovoj fazi identificirao sam niz mogućih poboljšanja u arhitekturi kalibracijskog sustava, u pripadnom sklopovlju i načinu upravljanja“, ukratko pojašnjava docent Kovačić.
Možete li nam uvodno dati malo širi kontekst istraživanja koja se provode na CERN-u?
Većina od nas koji se direktno ne bave fizikom čestica ima predodžbu o CERN-u koju su stekli iz medija. Potraga za Higgsovim bozonom i medijska pokrivenost popularizirala je akceleratorski kompleks na granici Švicarske i Francuske na razinu svemirske utrke iz 60-ih godina 20. stoljeća tako da većina od nas zna značenje kratice LHC (Large Hadron Colider – Veliki Sudarivač Hadrona). Možemo reći da je ovakva popularnost opravdana jer se definitivno radi o najkompleksnijem proizvodu naše civilizacije.
FER-ovcima interesantne činjenice su da dok je akcelerator aktivan CERN ima potrošnju od 200 MW od čega 120 MW otpada na LHC gdje stotine raznih energetskih pretvarača napaja više od 1500 supravodljivih magneta potrebnih za pravilan rad akceleratora. Tijekom svakog dana rada pohrani se 140 TB podataka.
LHC je najveći kružni akcelerator u CERN-ovom kompleksu opsega 27 km i nalazi se na 175 m ispod zemlje. Izgradnja akceleratora trajala je od 1998. do 2008. godine te je na njoj sudjelovalo preko 10 000 znanstvenika i inženjera iz više od 100 zemalja. S radom je započeo 2010. godine i svoju primarnu svrhu ispunio otkrićem Higgsovog bozona 2012. godine. Od 2010. godine energije sudara su povećane s 7TeV na 13TeV, a luminozitet (frekvencija sudara) na dvostruko veću od projektom predviđene.
Opišite nam konkretnije područje istraživanja koje provodite u timu znanstvenika koji se bavi energetskim pretvaračima.
U okviru projekta HL-LHC (High Luminosity Hadron Colider) planira se povećati performanse postojećeg akceleratora kako bi se ostvarila nova otkrića u fizici elementarnih čestica nakon 2027. godine. Glavni cilj projekta je povećati luminozitet akceleratora 5 puta u odnosu na trenutačno stanje. Luminozitet je vrlo bitan indikator performansi akceleratora jer je proporcionalan s brojem mogućih sudara u jedinici vremena. Veći luminozitet znači da eksperimenti koji su raspoređeni po opsegu akceleratora (CMS, ALICE, LHCb, ATLAS) mogu prikupiti značajno veću količinu podataka koja će fizičarima omogućiti otkriće tzv. rijetkih procesa. Primjerice, HL-LHC će proizvesti najmanje 15 milijuna Higgsovih bozona godišnje u usporedbi s tri milijuna koje je LHC proizvodio 2017.
Naravno, s povećanjem performansi akceleratora, nužno dolazi i do povećanja zahtjeva na sustave koji osiguravaju rad pa tako i na energetske pretvarače i na njihovu preciznost. Ovoga puta se ne radi od dipolnim magnetima, već o kvadripolnim magnetima koji se koriste za fokusiranje snopa prije točaka interakcije (mjesta gdje se snopovi sudaraju). LHC je specifičan zbog toga što ima dvije akceleratorske cijevi u kojima se čestice putuju u suprotnom smjeru brzinom nešto nižom od brzine svjetlosti te na točkama interakcije sudaraju. S obzirom da se radi o snopovima mikronskog promjera potrebno je vrlo precizno fokusirati oba snopa prije sudara. U tu svrhu se koriste spomenuti kvadripolni magneti koji se napajaju iz energetskog pretvarača izlazne struje 20 kA. Kod HL-LHC-a zahtjevi za preciznošću upravljanja strujom su tri puta veći nego što je postignuto na dipolnim magnetima LHC akceleratora. Npr. 12-satna stabilnost upravljanja u LHC-u definirana je na 2 ppm-a. dok se u slučaju HL-LHC-a ta vrijednost spušta na 0,7 ppm-a.
Uz izazove projektiranja mjernog sustava struje za pretvarače pojavio se problem nepostojanja adekvatne kalibracijske opreme. Naime, postojeći kalibracijski sustav (CERN Current Calibrator), koji je razvijen za LHC parametre ne zadovoljava potrebe projekta HL-LHC.
Više o boravku i radu dr. sc. Marinka Kovačića u CERN-u te planovima o povratku u Zagreb pročitajte OVDJE.
