Intervju: Istraživanje doc. dr. sc....

Doc. dr. sc. Marinko Kovačić sa Zavoda za elektrostrojarstvo i automatizaciju, već drugu godinu boravi u na 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.

Zamolili smo docenta Kovačića da nam dodatno približi područje svojega istraživanja na CERN-u, pa tako u nastavku vijesti donosimo izuzetno zanimljiv intervju našega mladog znanstvenika.

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.

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.

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.
 

Doc. dr. sc. Marinko Kovačić i dipolni magnet LHC


Kako se navedena istraživanja vežu uz Vaše područje rada?

Za potrebe ubrzanja hadronskih čestica u sinkrotronskom akceleratoru opsega 27 km potrebno je koristiti vrlo jake supravodljive magnete i napredne sustave ubrzavanja. U LHC-u zadaću pravilnog vođenja snopa kroz akcelerator imaju 1232 supravodljiva dipolna magneta. Supravodljivi magneti se napajaju iz snažnih energetskih pretvarača istosmjernom strujom do 13 kA. S obzirom na izmjere, svi magneti se ne napajaju iz jedne lokacije već su pretvarači za napajanje raspoređeni po opsegu akceleratora na osam lokacija, pri čemu svaki pretvarač napaja sekciju duljine veće od 6,5 km. Posljedica korištenja distribuiranih pretvarača za napajanje dipolnih magneta bili su do tada neviđeni zahtjevi za preciznošću upravljanja. Naime, da bi akcelerator funkcionirao efikasno bez previše gubitaka čestica potrebno je osigurati da magnetsko polje, a time i struja u svim sekcijama budu unutar 10 ppm-a, ili drugim riječima struju od 13 kA bilo potrebno je kontrolirati unutar 130 mA. Da bi energetski pretvarač mogao ostvariti ovako zahtjevnu zadaću prvi uvjet koji mora biti zadovoljen visoka je preciznost mjerenja struje. Tehnika mjerenja struje Fluxgate strujnim mjernim članovima i upotreba specijalno razvijenih sigma-delta analogno-digitalnih pretvornika bila je rješenje koje je najbliže zahtijevanim performansama. Kako bi se ostvarila zahtijevana preciznost upravljanja strujom razvijen je specijalni postupak kalibracije mjernih kanala struje koji uključuje prijenosne etalone struje od 10 mA i uređaje za pojačanje etalonske struje i injekciju u kalibracijske namote mjernih članova struje. Svaki od osam pretvarača opremljen je s takvim sustavom kalibracije. Prije svakog pokretanja akceleratora obavlja se kalibracija svih mjerenja struje te se na taj način ostvaruje slijeđenje struje u sektorima unutar 2ppm-a. Cijeli sustav za kalibraciju i mjerenje razvijen je na CERN-u unutar sekcije za precizna mjerenja i upravljene energetskih pretvarača (SY-EPC-HPM) koju trenutačno vodi Miguel Cerqueira Bastos.
 

Laboratorij za precizna mjerenja
 

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.
 

Magnetske komponente kalibratora

Ono čime se konkretno bavim je izrada novog uređaja za kalibraciju mjernih kanala struje koji će zadovoljavati zahtjeve postavljene projektom HL-LHC. 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.


Kako je došlo do Vašeg boravka na CERN-u?

Suradnja s grupom istraživača profesora Planinića s Fizičkog odsjeka PMF-a, koju ste spomenuli na početku, odnosi se na uređaj koji smo razvili za potrebe ispitivanja dijelova ALICE detektora. Na kraju je tu osnovano spin-off poduzeće, proizvedeno desetke takvih uređaja koji se koriste u institutima i laboratorijima od Japana do SAD-a. Do suradnje s grupom prof. Planinića došlo je zbog toga što je moja supruga (eksperimentalna fizičarka) voli puno pričati o problemima s kojima se sureću na poslu, a koji su često vezani za područje elektrotehnike. Tako smo u konačnici i uspjeli ostvariti jednu zanimljivu suradnju FER-a i PMF-a na njihovom projektu koja je čak rezultirala s objavom nekoliko članaka.

S obzirom da je istraživanje koje je moja supruga radila na PMF-u za potrebe svoje doktorske disertacije napravilo veliki odjek u njeziom području (fizika plinskih detektora čestica), dobila je mogućnost odlaska na Fellowship poziciju na CERN. Kako se takva prilika za usavršavanjem i napredovanjem dobiva jednom u životu, naravno da sam joj bio podrška. Nekoliko stvari se tu poklopilo, a jedna je i ulazak Hrvatske u CERN. Time je značajno olakšano dobivanje Fellowship pozicija našim istraživačima, a moja je supruga postala prvi hrvatski Fellow nakon pristupa CERN-u. Nekako sam u isto vrijeme dobio informaciju da CERN-ova grupa EPC (grupa za energetske pretvarače) već duže vremena traži osobu koja bi mogla preuzeti istraživanje na izrazito multidisciplinarnom kalibracijskom sustavu za kojeg su potrebna ekspertna znanja o magnetskim komponentama, analognoj i energetskoj elektronici te iskustvo iz područja mjeriteljstva. S obzirom da je energetska elektronika multidisciplinarno područje koje obuhvaća većinu navedenih znanja vrlo sam se dobro uklopio. Naravno, ovdje mi je iznimno pomoglo iskustvo koje sam stekao na raznim projektima s privredom.

 

 

Ove ste godine produljili svoj boravak na CERN-u - koji je razlog tome?

CERN je zaista jedinstveno mjesto za nas istraživače. Osim toga, zbog COVID-19, svi projekti su nešto usporeni pa tako i rad na kalibracijskom sustavu na kojem radim. U fazu proizvodnje prototipa smo krenuli prije nešto više od mjesec dana, a planirano je da ispitivanja krenu najesen te s obzirom da sam odradio većinu dizajna novog sustava, htio sam ostati dok se ne dokaže da sve radi kako treba.
 

Kako istraživanje na kojem radite doprinosi Hrvatskoj, a kako FER-u?

Istraživanje kao istraživanje ne može značajno doprinijeti Hrvatskoj jer se takva tehnologija zahtijeva samo na velikim akceleratorima čestica. Ali, tu postoji jedna puno bitnija komponenta. Grupa u kojoj radim (EPC - Energy Power Converters) zaslužna je za razvoj energetskih pretvarača za cijeli CERN-ov kompleks. Naravno, pretvarači se ne proizvode na CERN-u već u poduzećima država članica. S obzirom da u Hrvatskoj imamo tradiciju proizvodnje takvih uređaja, te da sam kroz dosadašnje projekte s lokalnim poduzećima stekao brojna poznanstva, radim na tome da se u Hrvatskoj počnu proizvoditi dijelovi za CERN. Barem jedna uspješna poveznica bila bi izniman uspjeh!

Što se tiče doprinosa za FER, vidim ih nekoliko. Kako dolazim sa Zavoda za elektrostrojarstvo i automatizaciju, koji je značajno naslonjen na industriju, većina istraživanja koja smo radili bila su motivirana industrijskim potrebama i industrijskim zahtjevima. Boravak na CERN-u otvorio mi je neke nove poglede na probleme koje je potrebno rješavati. Naime, zahtjevi na performanse uređaja energetske elektronike koji se koriste unutar akceleratorskog sustava ne mogu se usporediti s industrijskim. Mišljenja sam da bi suradnja na takvim projektima bila vrlo plodonosna u znanstvenom smislu.

Također, vrlo je bitno što sam imao priliku upoznati strukturu i organizaciju CERN-a kao institucije te na taj način svojim savjetima mogu pomoći našim studentima, doktorandima i zaposlenicima pri eventualnom odlasku na usavršavanje.

Koji su Vaši planovi po povratku u Zagreb?

Iako sam otišao na CERN, i dalje sam dosta aktivan na projektima i manjem dijelu nastave na FER-u, tako da zapravo u tom smislu nisam otišao pa ću, nadam se, nastaviti projekte i istraživanja koja smo započeli prije odlaska na CERN. Osim toga, ideja je nastaviti suradnju s grupom EPC, u smislu zajedničkog projekta, usavršavanja doktoranada ili nešto slično.

Autor: Petra Škaberna
Popis obavijesti