Коллектив и его дело

АТЛАС: началась сборка мюонных камер

В канун 2001 года в Лаборатории ядерных проблем состоялось торжественное открытие участка по производству высокоточных трековых детекторов. Сегодня на вопросы редакции отвечает руководитель работ, начальник отдела встречных пучков ЛЯП Георгий Александрович Шелков.

В 1997 году вы подробно познакомили читателей газеты с целями и задачами проекта АТЛАС и обязательствами дубненской группы. Что сегодня происходит на этом направлении?

Сегодня мы можем говорить об итогах четырехлетнего этапа работ нескольких десятков людей. Завершены начавшиеся в 1996 году работы по сооружению современного участка по производству координатных детекторов. Необходимость создания подобного участка связана с обязательствами ОИЯИ в рамках большого (на сегодняшний день самого большого в истории науки!) проекта физики высоких энергий – сооружение универсального детектора АТЛАС для проведения исследований на строящемся в настоящее время в ЦЕРН крупнейшем в мире ускорителе со встречными пучками частиц – коллайдере LHC.

Поскольку сегодня мне хотелось поговорить в основном о том, что и кем именно было сделано, не вполне уместно пускаться в пространные объяснения о том, какую особую роль играет в физике высоких энергий элементарная частица мюон, почему в составе практически любой современной установки создается “персональная” система выделения и регистрации мюонов – мюонная система и чем мюонная система установки АТЛАС уникальна по сравнению со всеми ранее созданными или создающимися мюонными системами. Но некоторые вещи я все же вынужден напомнить.

Из-за высокой стоимости современных суперускорителей практически исчезла возможность проведения узкоспециализированных исследований, а, значит, и создания небольших специализированных установок. Событие, исследуемое в современных исследованиях, столь редко и дорого (в том числе и в прямом смысле), что исследователи вынуждены сооружать сложные универсальные установки, которые призваны зарегистрировать одновременно как можно больше параметров найденного события. Именно поэтому все установки для ускорителей со встречными пучками (коллайдеров) сооружаются в виде “матрешек”, с целым набором (до пяти и более) детектирующих систем разной направленности, как бы вложенных друг в друга. По ряду причин мюонная система должна быть последней внешней системой универсальной установки и, следовательно, самой “большеразмерной” по сравнению со всеми другими подсистемами, находящимися “внутри” мюонной системы.

Конкретно в установке АТЛАС мюонная система представляет из себя три слоя координатных детекторов (мюонных камер), которые должны плотно закрыть всю поверхность вокруг места столкновения пучков частиц на расстоянии 5, 7,5 и 10 метров соответственно. Более наглядно, возможно, следующее сравнение – общая площадь координатных детекторов установки АТЛАС 5600 кв. метров, что равно площади футбольного поля, а точность измерения координаты прошедшего мюона в любой точке этого футбольного поля должна быть не хуже 30 микрон (толщина человеческого волоса). Дополнительные сложности возникают из-за того, что детектор АТЛАС будет установлен в шахте на глубине 100 метров, и возможности как доступа к нему, так и, соответственно, ремонта после сборки в течение всего периода работы LHC, крайне ограничены. Другими словами – детекторы после сборки должны работать с очень высокой надежностью (в идеале стопроцентной!) в течение 10 лет. Набор этих (подчас противоречащих друг другу) требований к конструкции мюонных камер оказался столь сложным, что на выбор окончательной конструкции и методики сборки и испытания детекторов международное сотрудничество, взявшее на себя ответственность за разработку и изготовление мюонной системы, потратило почти три года.

Какие центры, кроме ОИЯИ, входят в мюонную группу проекта АТЛАС?

Мюонное сотрудничество объединяет усилия групп специалистов из 23 институтов 8 стран мира. Среди участников группы такие известные центры, как ЦЕРН, NIKHEF (Амстердам), MPI (Мюнхен), ИФВЭ (Протвино), LNP (Фраскати), шесть известных университетов США, среди которых UoW (Сиэтл), Бостон, и ряд других.

Каковы наиболее значимые результаты работы мюонной группы АТЛАС в прошедшем году?

2000 год стал для всего сотрудничества этапным, так как именно в этом году один за другим вступали в строй специализированные участки по массовому производству мюонных камер установки ATLAS. И среди них наш, дубненский.

А что, участок созданный в Дубне, не единственный?

Нет, конечно. Для выполнения такого объема работ пришлось бы создать целую фабрику, а не участок, что плохо по ряду очевидных причин. Поэтому было принято решение разделить работу между 11 наиболее крупными центрами. Наш участок относится к достаточно редким в этом списке участкам с “полным циклом” производства и испытаний. В Дубну поступают материалы и компоненты, а “на выходе” мы имеем готовые и тщательно проверенные детекторы и мюонные камеры, полностью готовые к работе.

В лабораториях ОИЯИ уже создавались и действуют до сих пор другие специализированные подразделения для сборки и испытания координатных детекторов. Зачем надо было создавать еще одно?

Вы правы. В Дубне было создано несколько таких участков. Исторически первыми были замечательные участки для сборки координатных детекторов в рамках проектов NA-4 и ДЕЛФИ. Но дело в том, что детекторов (и соответственно оборудования) отвечающим двум таких противоречащим требованиям – большая площадь (до 6 квадратных метров) и высокая (порядка 20 микрон) механическая точность сборки как отдельного детектора, так и блока детекторов, - в Дубне не существовало. Если добавить еще высокое требование на производительность (средняя скорость производства должна быть около 100 детекторов в день и одна мюонная камера за две недели), а также необычайно строгие критерии проверки готовых детекторов, то станет очевидно, что ни один из существовавших участков на годился для выполнения наших задач.

Необходимо было создать новый участок, оснастить его современным оборудованием, выйти на новый уровень как по точности, так и по производительности и качеству проверки и обеспечить конкурентоспособность ОИЯИ в этой области еще лет на десять (исходя из опыта эксплуатации предыдущих участков).

Что же именно происходит на вашем участке?

С учетом совокупности требований, предъявляемых к детектору мюонной системы АТЛАС было, принято решение организовать двухступенчатую схему сборки камер. Сначала из трех основных элементов: - собственно тонкостенной алюминиевой трубки диаметром 30 мм и длиной до 4 метров; двух “пробок”, закрывающих концы трубки, и тонкой специальной проволоки диаметром 50 микрон, натягиваемой вдоль центра трубки, собирается и тщательно испытывается отдельный детектор. Из 200-400 (в зависимости от типа и размера камеры) отдельных детекторов собирается (склеивается) высокоточная мюонная камера, представляющая из себя шесть слоев детекторов, разделенных в середине специальной несущей фермой. При такой схеме (в отличие от схемы многопроволочной камеры) все детекторы абсолютно независимы друг от друга, и выход из строя одного из них (типичная причина – обрыв проволоки в процессе работы) не сможет вывести из строя соседние каналы.

Вы сказали, что создавали участок “с нуля”. Может быть, интересно именно сегодня вспомнить о “нулевом” цикле?

Ключевой момент всей истории, начавшейся еще в 1995 году, состоял в выборе стратегического пути – переоборудовать один из имеющихся в ОИЯИ участков или создавать новый? Понимая реальное состояние дел как в России в целом, так и в ОИЯИ, в частности, (особенно в 95-97-м годах), и не желая рушить то, что еще может работать, мы выбирали, как нам показалось, наиболее надежный в такой ситуации путь, когда основной упор делается на использование своих собственных сил.

И видно мы были правы, не разрушив, например, участок ДЕЛФИ. В последние два года на этом участке были произведены детекторы для эксперимента D0, о чем не так давно сообщала ваша газета.

Для начала необходимо было найти подходящее помещение, лучше всего в непосредственной близости от наших рабочих мест в ЛЯП. И здесь нам первый раз крупно повезло. Как раз к этому времени ЛВТА полностью переехала в новое здание, а две замечательные вычислительные машины ОИЯИ – “бабушки компьютерной техники” БЭСМ-6 и CDC были демонтированы. Дирекция ЛЯП передала эти помещения (общей площадью свыше 400 кв. м) нам. Два года ушло на переоборудование. Пришлось пробить стену в зале и сделать ворота, установить в помещении два небольших крана и, самое главное, а) создать чистое производственное помещение (с системой кондиционирования и воздухоочистки) размером 65 кв. метров б) приобрести во Франции и установить (разобрав и собрав для этого часть стены здания) уникальную высокоточную гранитную плиту размером 3,5х2,6х0,5 метра. Эти работы выполнялись, конечно, специалистами. Мы же занимались финансированием и “проталкиванием” этих работ, выполненных силами ППО, ОП и БИМ ОИЯИ, рядом технических служб и отделов ЛЯП и дубненскими фирмами “Дубнапласт” и “Монтажспецстрой”. Еще два года ушли на оборудование участка разнообразными, подчас уникальными устройствами и стендами.

Какие операции выполняются сегодня на участке?

Весь процесс начинается с разгрузки ящиков с деталями и комплектующими. Главный принцип всей работы – постоянный контроль качества как исходных материалов и компонент, так и результатов всех промежуточных этапов. Перечислю только основные операции, не вдаваясь в подробности.

Качество труб (размеры с точностью несколько микрон) проверяется на специализированном стенде, затем на полуавтоматической линии происходит цепочка операций (наибольший эффект на визитеров производит протаскивание пятидесятимикронной проволочки через четырехметровую трубу, и - что наиболее впечатляет - через оба концевика с помощью потока воздуха). В результате за три минуты полностью собирается детектор. Тут же (все это происходит в “чистом” помещении, дабы не допустить попадания пыли вовнутрь детектора) проверяется (с точностью в несколько грамм) величина натяжения проволоки. Затем готовые детекторы вывозятся из чистого помещения и поступают на стенд, в котором с помощью рентгеновских лучей (от рентгеновского источника, используемого в зубоврачебной практике) бесфильмовым способом проверяется правильность установки (с обоих концов детектора) проволоки внутри трубки. Допустимая величина отклонения проволоки от оси трубки 20 микрон. Трубки с большей ошибкой выбраковываются.

Детекторы, прошедшие эту проверку, поступают на стенд для контроля герметичности. Требования к уровню допустимой течи крайне жесткие и определяются правилами для подземных помещений (шахт). Уровень течи для детектора объемом около двух литров при наполнении рабочим газом до давления в три атмосферы не должен превышать одного кубического сантиметра газа в сутки (!). Прошедшие это испытание детекторы поступают на последний стенд – проверки работоспособности собранного детектора. Для этого трубку надо наполнить рабочим газом, подключить к выходам проволочки из трубки соответствующую электронику и подать (медленно!) высокое напряжение на проволочку.

Трубки, у которых темп счета естественного космического излучения в течение нескольких часов соответствует норме, “получают право” быть использованными при сборке мюонной камеры. Ну, а подробности сборки собственно мюонных камер - эта тема, по мне, достойна отдельного степенного рассказа. Не хочется комкать! Поэтому предлагаю отложить этот разговор до следующего раза.

Далее - приблизительно половина готовых и аттестованных детекторов отправляется в Германию, в Институт имени Макса Планка (Мюнхен), а половина поступает на сборку мюонных камер, за производство которых отвечает ОИЯИ. Здесь самое время отметить, что хранить в голове или даже в рабочих журналах такую уйму информации, получаемой в ходе производства и испытаний детекторов, совершенно невозможно. Поэтому весь процесс компьютеризирован настолько, насколько это возможно. Каждый детектор имеет свой персональный номер, нанесенный на трубку в виде штрих-кода (мы все знакомы с таким способом маркировки по этикеткам и ценникам в современных магазинах), который автоматически считывается при каждой операции на участке (включая упаковку в ящики) и вместе с результатами операции заносится сначала в компьютер, управляющий данной операцией, а затем по сети передается на центральный компьютер, в котором формируется и накапливается база данных обо всем происходившем на участке. Для этого на участке используется восемь современных персональных компьютеров. Данные о работе участка по сети Интернет ежемесячно передаются в центральную базу данных мюонной группы АТЛАС, хранящуюся в Римском университете.

Как же так – вы сначала говорите о трудности экономического положения в России и ОИЯИ, а потом рассказываете о современнейшем производстве, оснащенном по последнему слову техники. Откуда такие средства?

Вы правы - без правильно организованной международной кооперации нам бы такой участок “не поднять”. Общая стоимость оборудования, сосредоточенного сейчас на участке, превышает 250 тысяч долларов. Из них вклад ОИЯИ около половины. Причем, значительная часть вклада была выполнена в виде участия наших румынских коллег в разработке и изготовлении оборудования и поступила в виде долевого взноса Румынии в ОИЯИ. Остальные средства поступили из Российского фонда поддержки проекта LHC, ЦЕРН и Германии. Это первая удача.

Второй нашей крупной удачей была организация тесного сотрудничества с МПИ в Мюнхене. Этот институт, так же как и ОИЯИ, взял на себя обязательства по изготовлению для мюонной установки АТЛАС 36 тысяч отдельных детекторов, которые будут собраны в 86 мюонных камер. У ОИЯИ подобные обязательства – 25 тыс. детекторов, или 84 камеры. В ходе подготовительного этапа всего проекта мы пришли к выводу, что наши два центра могут удачно дополнить друг друга и результат будет взаимовыгоден. В чем специфика МПИ? – Достаточные финансовые ресурсы, свободный доступ к современной технике для работ на “микронном” уровне и... дефицит производственных площадей и квалифицированного персонала. У нас в ОИЯИ ситуация почти зеркальная. Поэтому родилась идея (закрепленная в виде соглашения МПИ-ОИЯИ в 1998 году и развитая во время недавнего (декабрь 2000 года) визита директора ЛЯП Н.А.Русаковича в МПИ) о создании в Дубне общими усилиями участка, на котором силами дубненской группы будут производится и проверяться отдельные детекторы как для ОИЯИ, так и для МПИ, а окончательная сборка камер будет вестись независимо как в Дубне, так и в Мюнхене из детекторов полученных из ОИЯИ. Без участия такого мощного партнера нам вряд ли удалось бы собрать на участке такое количество современного оборудования.

И последний вопрос – о том коллективе, который работает над этими задачами.

Итак, мы подошли к третьей и, видимо, самой главной удаче - за последние четыре года нам удалось создать отличный и высокопрофессиональный коллектив. Если в начале работ по теме АТЛАС в Дубне реально работало не более 10 человек, то сейчас у нас активно трудится 34 сотрудника. Я бы мог выделить несколько основных (подчас неформальных) групп. Во-первых, у нас очень сильная группа специалистов из Грузии. Есть тенденции к возникновению группы из Белоруссии. Важно также, что в коллективе очень много молодежи, в основном, выпускников, нашей дубненской кафедры МФТИ. Несмотря на наличие достаточного количества ветеранов (и это еще одна группа, составляющих костяк коллектива), средний возраст в коллективе – всего 36 лет. Кроме того, важно отметить нашу замечательную “слабую” половину. Кроме своих непосредственных производственных задач им удается существенно способствовать поддержанию рабочего, доброжелательного климата в коллективе. Все наши “внеслужебные мероприятия” (семейные пикники на природе и даже сама “презентация” по поводу запуска участка в декабре прошлого года) без них были бы просто невозможны.

И, наконец, я должен от всей нашей группы выразить благодарность дирекции ЛЯП и ОИЯИ, всем подразделениям и службам, помогавшим нам в последние годы. Не могу сказать, что мы когда-либо имели реальный статус работы первого приоритета (который я помню по времени создания участка ДЕЛФИ), но было бы неправильно не отметить, что нам всегда удавалось в конце концов убедить (у меня есть целая коллекция наших прошений с замечательной резолюцией “сожалею, но в Институте денег нет”), что дело, которое мы делаем, правильное, и его надо поддержать. Еще раз огромное спасибо всем – без этой поддержки мы бы не устояли.