Валерий Попов
Записки эмигранта
Проект КАТРИН
КАТРИН – это сокращённое название от слов:
Карлсруе Тритиум Нейтрино Эксперимент.
Многие помнят известное изречение «Атом неисчерпаем». Когда то эта фраза и модель атома были символом города физики Протвино, моего родного города, где до сих пор работает один из крупнейших ускорителей элементарных частиц У-70 и где были сделаны многие научные открытия. Сегодня известно всем, и не только физикам, что атомное ядро состоит из «кирпичиков», таких элементарных частиц, как нейтроны и протоны. Нейтрон нейтрален. Не имеет электрического заряда и поэтому получил такое название.
Известный швейцарский физик Вольфганг Паули ещё в 1931 году пришёл к выводу, что в природе существует ещё одна нейтральная частица с массой много меньшей, чем у нейтрона.
По предложению итальянского физика Энрико Ферми эту частицу, этот «маленький нейтрончик» назвали нейтрино. Через каждый квадратный сантиметр нашего тела ежесекундно проходит несколько миллиардов нейтрино, однако это не заметно и непонятно, какую роль играют в нашей жизни эти частицы. Но без нейтрино не существовало бы солнце и звёзды, не было бы окружающего мира и нас самих.
Масса нейтрино, определение массы нейтрино – это центральный вопрос физики. Физики выяснили, как взаимодействуют между собой элементарные частицы, как устроено сильное ядерное взаимодействие, слабое и электромагнитное. Что остаётся загадкой до сих пор, это как возникают массы у этих частиц. И чтобы понять это, исключительно важно знать массу нейтрино. Спектр масс фундаментальных частиц очень широк и физикам неясно, чем это обусловлено. Электрон примерно в 2000 раз, а нейтрино в 1 миллиард раз легче, чем протон.
Для понимания, как устроен этот мир, строятся гигантские суперколайдеры, например LHC в Швейцарии, с помощью которого учёные нашли частицу, называемую Бозон Хиггса. По мнению учёных, благодаря взаимодействию с Бозоном Хиггса и возникают массы у других частиц.
Исследованиями российских физиков установлено, что плотность нейтрино меньше, чем 10 % полной плотности вещества во Вселенной, т. е. 90 % вещества не нейтрино. Плотность же других известных частиц – протонов и нейтронов во Вселенной небольшая, меньше 5 %. Это означает, что более 85 % процентов вещества во Вселенной составляют неизвестные сегодня нам частицы, т. е. Вселенная состоит из чего-то совершенно неизвестного. Открытие этих неизвестных частиц, выяснение их свойств будоражит умы учёных всего мира.
На международной конференции «Нейтрино 98» в Японии 5 июня 1998 года на основании результатов эксперимента на детекторе «Супер-Камиоканде» японскими физиками было объявлено, что у нейтрино есть масса. Чтобы заметить крайне малую массу нейтрино, был построен этот детектор, стоимостью в 100 миллионов долларов. Он размещен в старой шахте по добыче цинка на глубине больше километра под горой Икена в Японских Альпах. Детектор, в виде огромного цилиндра, содержит 12.5 миллионов галлонов сверхчистой воды, окруженной тысячами специальных приборов-фотоумножителей, способных регистрировать свет. Возникает он, когда нейтрино летящие с огромной энергией, налетают на атомы воды и выбивают из них тоже весьма «энергичные» электроны, пронизывающие воду и испускающие излучение, регистрируемое фотоумножителями. В гигантском цилиндре за день наблюдается 5–6 нейтринных взаимодействий. Нейтрино прилетали как сверху так и из под земли, поскольку из-за слабости взаимодействия с веществом, толща нашей планеты для большинства частиц из потока нейтрино не преграда. Физики обнаружили превращение одного сорта нейтрино в другое, для потока снизу, а это возможно только если нейтрино имеет массу. Это открытие имеет беспрецедентное значение для физики и для космологии. Здесь следует сказать, что поиск массы нейтрино ведёт начало с гипотезы В. Паули и первая оценка её массы была сделана в 30-х годах, когда обнаружили тяжёлый изотоп водорода тритий с периодом полураспада 12 лет и малой энергией распада.
Для физиков тритий оказался аналогом дрозофилы в генетике, так как он обладает уникальными свойствами: малой энергией перехода, простотой получения, большой надёжностью при вычислении атомарных эффектов. При распаде радиоактивнного ядра энергия распада делится между новым ядром, электроном и нейтрино. Физики многих стран работают с тритием и создают всё более совершенные установки. Это известные эксперименты в Цюрихе, Лос-Аламосе, Токио, Троицке и Майнце.
Общий вид эксперимента КАТРИН и схема ядерного распада трития
КАТРИН это эксперимент, который создаётся в настоящее время для прямого измерения массы «электрон-нейтрино» с чувствительностью 0,2 еV. Это следующий шаг в экспериментах с бета распадом трития. В эксперименте участвуют несколько европейских и американских институтов, около 100 учёных, инженеров. Установка КАТРИН будет построена в немецком исследовательском центре в Карлсруе, где есть необходимая техническая инфраструктура и тритиевая лаборатория. Руководит лабораторией относительно молодая дама невысокого роста, очень деловая и активная. Она же и ведёт проект КАТРИН как технический менеджер. Для меня это было неожиданно, что именно женщина ведёт такой сложный проект, но это факт.
Наша фирма выиграла тендер на создание одной из основных частей эксперимента КАТРИН, именуемой WGTS, во многом благодаря меньшей заявленной стоимости. Однако в процессе проектирования выяснилось, что необходимы большие затраты на конструкторскую работу по проекту, поскольку требуются научно-исследовательские работы.
Мне было интересно работать, проект исключительно сложный и о такой работе можно только мечтать. Я люблю свою работу и мне интересно, иду на работу, на обед, а в голове прокручиваются решения и это иногда очень помогает. Но бывают моменты, не могу найти решения и какое-то время тратится впустую, переключаешься на другую задачу, проходит время и вдруг приходит решение. И ничего не сделаешь, это творческий процесс и родить невозможно раньше чем решение созреет.
Мы на фирме работали над проектом в небольшом составе: это главнокомандующий или менеджер проекта, доктор Кройц, его заместитель и главный криогенщик Ахим Нобл, это мой начальник, Михаэль Пойер или Миша, основной технический игрок в этом проекте, это я, как ведущий конструктор проекта, ещё два конструктора со стороны, Марк Экеленц и Мюллер. Также участвовал Вольфганг Зюнхольд, он и технолог и снабженец и ответственный за производство.
Другая команда со стороны заказчика, в ней около десятка специалистов по всем направлениям. Есть в этой команде и физик из Троицка. Раз в месяц проходят совместные обсуждения отдельных деталей проекта, причём повестка совещания, вопросы для обсуждения предварительно готовятся двумя сторонами. Все с ноутбуками и в режиме реального времени всё фиксируется до мелочей.
Всё начиналось с тендера, я готовил все первые наши предложения и, мы получили этот многомиллионный проект. Далее по прошествии 6 месяцев, мы должны были представить «Техникал Дизайн Репорт» или технический проект, где должны быть зафиксированы все решения по всем ключевым моментам. Невозможно просто описать, насколько сложным оказался этот проект. Это и криогеника, это и сверхпроводящая магнитная система, это и радиоактивный тритий, впрыскиваемый в пучковую трубу, это и пучковая труба, температуру которой нужно стабилизировать с помощью жидкого неона с невероятной точностью и для решения этой задачи были подключен криогенный институт из Дрездена. И, представьте, нужно было за короткий срок все технические решения представить заказчикам.
Имея определённый опыт работы я понимал, что это может быть только предварительные решения и далее, в процессе работы, они будут уточняться и изменяться, но как я позднее понял, другое мнение у заказчика или у отдельных его представителей. В итоге мы долго не могли завершить этот этап, шла постоянная доработка, всё уточнялось, менялось и параллельно мы уже делали рабочий проект.
Да, забыл отметить одну важную особенность этого проекта. Поскольку заказчик придает огромное значение системе стабилизации температуры пучковой трубы, они в техническом задании отдельным этапом работы включили так называемый «Демонстратор». По их мнению необходимо показать практически в процессе создания всей установки работоспособность системы стабилизации температуры пучковой трубы. Как это сделать? Было много разговоров, но никто толком не понимал с чего начать. В итоге мне неожиданно пришла, как потом оказалось, спасительная мысль, а что если максимально использовать все элементы установки и в упрощённом варианте собрать как бы часть её без магнитов, без жидкого гелия а с криокулерами – специальными охлаждающими устройствами? И неожиданно всем эта идея понравилась, так как была очевидна большая экономия и стало ясно, что нужно делать. Практически было найдено великолепное решение и можно было параллельно делать как бы две установки, одну для испытаний пучковой трубы и другую, основную, причём после испытаний пучковая труба будет полностью использована в основной установке.
Все основные идеи проекта приходилось постепенно в течение многих обсуждений воплощать в виде конкретных решений. Обсуждение или «митинг» это такая процедура принятия технических решений, когда определяется и уточняется область конкретной работы и конкретные задачи. Интересно сравнить эти митинги здесь и в России.
Первое, что нужно отметить, это внешнее поведение людей. Независимо от должности и от проблем, все ведут себя абсолютно корректно. Ни при каких ситуациях не повышается голос и не присутствуют эмоции. Это способствует достаточно дружеским отношениям и помогает в работе. Хотя, конечно, присутствуют и конкуренция и антипатии, но это не препятствует работе.
По результатам обсуждения обязательно есть протокол, который всем рассылается и в котором чётко и конкретно записаны все решения, сроки и ответственные за выполнение. Система простая и эффективная. Только одна проблема, слишком много бумаги. Если зайти в комнату любого сотрудника, то первое, что бросается в глаза, это стеллажи с папками. Все стены уставлены стеллажами. Для примера, у меня было только по этому проекту около десятка папок.
Очевидно, что необходимо очень аккуратно вести всю документацию, к чему я не привык и никак не могу себя заставить. Но ничто человеческое не чуждо и здесь. Есть люди, которые по знаниям, может по складу характера «тащат воз», а есть которые едут за компанию, тем не менее дело движется. Проект сложный, очень много проблемных и сугубо технических вопросов, но постепенно все они находят своё решение.
Сверхпроводящий циклотрон протонной терапии в клинике Мюнхена, квадрупольные магниты в Церне, ускорительная техника в Англии и на Тайване, и в Израиле, это далеко не полный перечень выполненных работ в последние годы. Конструкторский отдел фирмы небольшой, менее 15 человек, из них ведущих специалистов не более 5. В области сверхпроводящей техники и криогеники нас трое, не считая начальника. Михаил Пойер хороший парень, цепкий, знающий и на своём месте. Остальные работают в области механики и точной механики. Хенни Смит из южной Африки, после выхода на пенсию, решил посмотреть на мир и приехал в Германию, классный спец, очень аккуратный и спокойный. Его младший сын заканчивает здесь школу и будет поступать в университет. Поступать это не то слово, после гимназии можно выбирать где учиться и не надо сдавать экзамены, есть только определённая процедура приёма при наличии мест, но в университет только после гимназии, а это 13 лет. Хенни Смит мне говорил, что они и приехали в Германию из-за сына, чтобы он получил здесь образование. Его семья протестантской религии и посещают церковь. Я был немало удивлен их набожности и традиции, когда меня пригласили на ужин. Перед едой они взялись за руки, прошептали молитву и только потом приступили к еде. Их потомки – голландцы, более 250 лет назад покоряли Африку и нашли прекрасное место на самом краю, защищённое от зноя Африки горами и с прекрасным климатом на береговой полосе. Это район Кейптауна. Местный язык – африканос, как говорит Хенни, очень простой и красивый.
Другой мой коллега, Кристоф Родемахер, физик по образованию, прекрасно знающий компьютер, имеющий хороший опыт и ответственный за установку протонной терапии. Может практически всё и мне часто приходилось обращаться к нему за советом. Два опытных конструктора, Рудольф Альбрехт и Райтель в этом году уходят на пенсию. Найти на замену хороших конструкторов не так это просто, поэтому есть и приглашаемые на определённую работу конструктора, как правило они от какой либо фирмы или имеют собственный бизнес. Все работают с 3Д-программами и уже никто всерьёз не воспринимает работу в 2Д. Более того, на нашей фирме внедрена автоматизированная система разработки документации ПРО-Файл, Миша Пойер, мой шеф, большой энтузиаст этой программы, но и надо отдать должное, это своего рода революция в разработке конструкторской документации (КД). Мы работаем с 3Д программой Инвентор и для меня переход на 3Д проектирование был новым качественным этапом. В чём преимущества? Они очевидны – это исключение возможных ошибок, так как при разработке модели все элементы как на ладони. Это так называемая контрольная сборка, которую необходимо делать, чтобы выявить возможные ошибки. Раньше это была очень трудоёмкая и кропотливая работа, а при моделировании в 3Д это просто и больше творчества.
Работа конструктора непосредственно с чертежами это как бы надводная часть айсберга, а подводная часть, это ведение заказа в производстве и, как следствие, необходимые изменения и неоправданные затраты времени, много бумаги и неизбежные ошибки. И так постепенно шаг за шагом мы приходим к истине, т. е. к готовому изделию. Качество чертежей и количество изменений зависит от квалификации конструктора, но всегда есть дефицит времени, а при выполнении сложных проектов без ошибок и изменений не обойтись. Это всегда крайне неприятная и неблагодарная работа и практически всегда вызывала конфликты между конструктором, технологом и производством.
Мне теперь не нужно думать об этих проблемах и вот почему. 3Д проектирование сводит к минимуму возможные конструкторские нестыковки, 2Д чертежи выполняются после разработки модели очень быстро и требуется только грамотно расположить все виды на чертеже и указать размеры с допусками. Далее 3Д модель и чертёж сохраняются в ПРО-Файле, получают соответствующий оригинальный номер, статус и защиту от несанкционированного доступа, если необходимо, и это как в кладовке у хорошего хозяина. Статус означает, что чертежи или в разработке, или прошли дизайн-ревю, или допускаются к производству. И в зависимости от статуса конструктор может свободно работать с чертежами или, если статус требует индекса ревизии, то конструктор делает все необходимые изменения, а чертежи сохраняются в ПРО-файле с новым индексом. Вся процедура изменений проходит внутри системы и без затрат времени на всякие подписи, согласования и т. п. Все, кому необходимо, имеют доступ к чертежам. Размножение и работа с чертежами других специалистов происходит помимо разработчиков. Все общаются с системой ПРО-файл. Кстати эта система не только для чертежей, но и для всей возможной документации.
Внедрение этой системы позволяет практически исключить разработку спецификации, т. е. перечня всех деталей, он создаётся автоматически без каких либо затрат времени, как и простановка позиций на чертеже. Если ещё приложить сюда большую библиотеку всевозможных стандартных деталей и узлов, а сейчас каждая уважающая себя фирма, выпуская продукт, параллельно создаёт 3Д модель, то станет понятно почему они так хорошо живут. Да потому что могут, благодаря таким вот революционным вещам, сокращать затраты на производство, например тех же автомобилей, и выпускать каждый год новую модель. И если этот прогресс идёт по нарастающей, то экономика страны это не только нефть и газ, а и то, что нужно для индустриально развитой страны. Это машины и оборудование, это рабочие места, это и другой уровень жизни.
А мы продолжаем работать на ворованном АКАДе и переводить бумагу. Мы всё делаем оригинальное и своё, чуть ли ни болт с гайкой. Да, да, ну ка скажите мне где взять нержавеющий болт с гайкой? А нигде, нужно точить… Вот и приехали.
У меня иногда складывается мнение что в правительстве никто не понимает ситуацию. Ну не слышал я ни одного конкретного суждения в этом направлении, только говорят в общем о каком-то технологическом прорыве. Господа министры оглянитесь вокруг, поинтересуйтесь как в Европе и сделайте наконец эту задачу приоритетной, очередным национальным проектом. Без этого никуда, это как бы необходимый качественный скачок и абсолютно конкретное дело, это и есть технологический прорыв.
Мне повезло, работу по проекту разделили как бы на несколько направлений. Марк, мой коллега, занимался пучковой трубой и откачными камерами, особенно не усердствовал, он хитрый парень, работал на несколько заказчиков и понимал, что нужен, мог иногда не появляться, на работе, хотя это на грани фола. Любил работать с моделями, у него получалось, но были проблемы с рабочими чертежами.
Часть работы выполняла команда Мюллера, он делал чертежи вакуумного контейнера по нашим разработкам в своей маленькой конструкторской фирме. Собственно говоря, все основные идеи были разработаны мной в течение первого полугодия, а затем шла их последовательная реализация.
Я проектировал сверхпроводящие магниты, их было 7 в установке. Это цепочка соленоидов с дипольными обмотками на крайних магнитах. Очень сложная задача – нужно выполнить все обмотки с высокой точностью расположения на длине более 15 метров, как в радиальном, так и в осевом направлении. Кроме того, нужно учитывать все нормы и правила для сосудов давления, поскольку чертежи проверялись в технической инспекции Германии, ТЮФе.
Общий вид WGTS
Для меня эта работа понятная, уже согласован первый комплект чертежей и остальные закончены в кратчайшее время. Тут и очередная прибавка к зарплате, 3 % на бедность, не много, но приятно и за год выплатили полностью. Шеф сказал, что доволен моей работой, интересовался планами на будущее. У них, как и у нас раньше, есть регулярная аттестация, когда происходит беседа с сотрудниками и пытаются выяснить настроение у людей, вроде формальность, но соблюдается чётко.
Мой шеф Миша Пойер, когда в отпуске, то жизнь в отделе как то замирает на время. Но ведь нужно работать и успеть до своего отпуска закончить следующие магниты. Мы все вместе, семьёй, летим на Майорку на две недели. Сняли виллу, будет машина и, надеюсь, отдохнём хорошо. В прошлом году были на Канарах, остров Тенерифе. Очень понравилось, красивая необычная природа, прекрасный климат, но без приключений не обошлось, мы два дня с трудом добирались на перекладных через Мадрид и Алеканте в Москву. Поэтому решили в этом году лететь из Германии. Домой в Протвино попаду скорее всего осенью. Думаю вырвусь на пару недель.
Постоянно возникали технические проблемы с подготовкой производства магнитов. При изготовлении таких сложных изделий проблемы всегда есть и они решаются, если нет серьёзных ошибок и есть взаимопонимание в коллективе. Дело в том, что для передачи чертежей в производство, необходимо определённое время, когда тщательно изучаются все нюансы и выявляются ошибки. Также уточняются возможности изготовления и допуски. Это необходимый этап и разница только в том, что здесь нет специального отдела технологов, а эту работу ведут так называемые «абвиклеры», полностью ответственные за конкретный проект. В большей степени ответственность лежит на конструкторе и в тоже время очень много зависит от квалификации абвиклера.
Постепенно работа переходит в область конкретных решений и чертежей. Очень много бюрократии и протоколов, заказы размещаются и на стороне и у себя в производстве, но полностью закрыть такой сложный проект не так просто, да и сроки поджимают. Виноват руководитель проекта Кройц, он большой демагог и следит только за расписанием. Абсолютно не понимает той сложности, которая ложится на плечи конструкторов.
На носу очередное совещание по проекту Катрин. Марк совсем избаловался, почуствовал слабинку и ходит как вздумается. Хитрый парень, нос держит по ветру и при первой возможности смывается. Видит, что я понимаю, но продолжает сачковать. Миша, наш шеф, выйдет из отпуска и будет крайне недоволен положением дел. И мне, видимо, попадёт за компанию. Постараюсь закончить всю цепочку магнитов, это необходимо, так как в производстве начали обработку бобины первого магнита.
Ахим Хобл, главный криогенщик, также в отпуске, а мне так нужно его мнение и замечания по магнитам. Всю идеологию я уже проработал и сейчас мне важно получить максимум критики и замечаний. Надеюсь, что не придётся многое менять, но придётся посылать в ТЮФ и заказчикам на экспертизу. Мне кажется сейчас, что нужно больше конструкторов задействовать на проект, иначе в сроки не уложимся. Все основные решения есть, нужно работать. Постоянно идут разговоры о больших расходах, скорее всего оценка стоимости была сильно занижена. Никак не могут определиться с изготовителем вакуумных сосудов для нашего проекта. Я уже думал связаться с Подольским машзаводом, мы делали там лет десять назад для ДЕЗИ в Гамбурге теплообменник по всем европейским правилам и с аттестацией в ТЮФе. На этом заводе много заказов для атомных станций и качество на высоком уровне. Но я уже осторожно подхожу к таким задачам, это не поощряется во первых, а во вторых ещё не факт, что будет дешевле. Один транспорт стоит около 10 тыс. евро. Здесь, в Европе, много высокотехнологичных предприятий, нужно искать.
Идёт к концу работа по 10 метровой пучковой трубе, невероятно сложные технология изготовления и требования. Все решения приняты, дело за малым, нужно изготовить. Пайку в вакууме 5 метровых труб будут производить в Гамбурге в ДЭЗИ, а заключительную сварку и сборку уже на фирме. Контроль стабилизации температуры пучковой трубы на соответствие расчётам будет проведён в так называемом «Демонстраторе», т. е. будет собрана установка, где в рабочем режиме будут проверены все заданные температурные параметры. Нам необходимо показать заказчикам, что в основной машине будут выдержаны все требования к температурному режиму пучковой трубы, работа большая и сложная. Нужно с минимальными затратами ухитрится выполнить по сути дела двойную работу и нет шанса на ошибку. Если расчёт, который длился не один месяц с привлечением учёных светил, окажется неточным, можно сказать приехали и поставить точку на проекте.
Миша Пойер вышел на работу и сразу включился в проект. Он недоволен состоянием дел, но не показывает виду. Выдержка отличная, но как мне кажется, он не оценивает реально сложность проекта и занижает трудоёмкость конструкторских работ. Может сказывается недостаток опыта и ещё то, что такой крупный проект впервые, если не считать установку протонной терапии, но моё мнение, что КАТРИН значительно сложнее.
Пришла в голову мысль – кому это надо? Пытаемся что-то делать, чтобы узнать больше о нейтрино. Нейтрино, как мало в этом слове… Большинство живущих на Земле и не подозревают о его существовании и более того, нисколько не жалеют об этом. Может вся наша работа впустую? Если ты делаешь автомобиль или что-то другое, необходимое людям, это понятно, но огромные затраты на нейтринный эксперимент? Оправдано ли это, если принять во внимание, как много людей на планете голодают…
Физики давно надеятся что-то найти и перевернуть представления людей об устройстве вселенной. Ну и что? Исчезнет голод, уйдут в небытиё войны и воцарится рай на земле? Как бы не так, похоже всё запрограммировано неизвестным нам разумом и что будет, одному Богу известно…
Мне просто хочется делать автомобиль, например. Я знаю, как сделать его и результат будет виден. Но я делаю уникальную физическую установку для одного из самых значимых экспериментов в современной физике высоких энергий.
Уже запустили Большой Коллайдер (LHC) в Европе, в котором есть и моё участие. Это грандиозное событие для всего мира, равные которому пожалуй лишь полёт в космос или полёт на Луну. Учёные всего мира получили уникальный инструмент для изучения материи. Будут новые открытия и новые частицы, а возможно и новое представление о мироздании.
