Синхротрон релятивистских тяжелых ионов НУКЛОТРОН в ускорительном комплексе NICA Трубников, Григорий Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Выбор и оптимизация параметров базовых элементов комплекса NIC А 12

1.1. Ускорительный комплекс ЛФВЭ ОИЯИ 12

1.2. Проект NICA 21

1.3. Основные режимы работы комплекса NICA 36

ГЛАВА 2. Применение методов охлаждения пучков в проекте NICA 43

2.1. Система электронного охлаждения Бустера. Режимы работы 43

2.2. Структура Коллайдера NICA. Режимы работы 51

2.3. Параметры сгустков и светимость коллайдера 56

2.4. Концепция системы стохастического охлаждения в коллайдере 66

2.5. Концепция системы электронного охлаждения в коллайдере 70

2.6. Сценарий охлаждения пучков в коллайдере 72

2.7. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки по 74

системам охлаждения пучков в коллайдере

ГЛАВА 3. Результаты модернизации сверхпроводящего быстроциклирующего синхротрона Нуклотрон для ускорения тяжелых ионов

3.1 Проект «Нуклотрон-М»: развитие и результаты 76

3.2. Ускорение тяжелых ионов в Нуклотроне 82

3.3. Общие принципы выбора параметров системы электропитания и защиты в сверхпроводящих синхротронах. Система питания комплекса Нуклотрон .

3.4. Технический проект системы последовательного питания 114

3.5. Ввод системы в эксплуатацию. Методика поэтапной реализации 126

ГЛАВА 4. Развитие сверхпроводящего синхротрона Нуклотрон для экспериментального исследования режимов работы Коллайдера NICA

4.1 Постановка задачи 134

4.2 Концепция постановки эксперимента по стохастическому охлаждению пучка в Нуклотроне

4.3 Моделирование процесса стохастического охлаждения в Нуклотроне с помощью уравнения Фоккера-Планка

4.4 Подготовка эксперимента 151

4.5 Экспериментальные измерения 158

ГЛАВА 5. Проект Бустера комплекса NICA 167

5.1. Обзор разработанных вариантов структуры 167

5.2. Бустер проекта NICA 169

5.3. Магнитная система 172

5.4. Конструкция структурных магнитов и линз 176

5.5. Система коррекции погрешностей магнитного поля 179

5.6. Системы инжекции и вывода пучка 187

5.7. Вакуумная система 189

5.8. Проект систем питания Бустера 193

Заключение 198

Список литературы

• Проект NICA
• Параметры сгустков и светимость коллайдера
• Общие принципы выбора параметров системы электропитания и защиты в сверхпроводящих синхротронах. Система питания комплекса Нуклотрон
• Моделирование процесса стохастического охлаждения в Нуклотроне с помощью уравнения Фоккера-Планка

Введение к работе

Актуальность темы.

NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) - новый ускорительный комплекс, создаваемый в ОИЯИ, основной задачей которого является обеспечение экспериментов на встречных пучках тяжелых ионов вплоть до золота с кинетическими энергиями до 4.5x4.5 ГэВ/н для изучения в лабораторных условиях сильно нагретой и сжатой ядерной материи, а также исследование природы спина нуклонов. Это одни из наиболее перспективных направлений современной фундаментальной физики. Планируемая программа фундаментальных и прикладных исследований охватывает несколько научных направлений в разных областях науки: физике тяжелых ионов высоких энергий и спиновой физике, физике низких температур, ядерной физике, физике частиц, физике конденсированных сред, биофизике и радиобиологии, медицине. Выполнение этой программы требует новых решений в физике и технике ускорителей, применения новых математических методов для численного моделирования.

При проектировании накопителей заряженных частиц на встречных кольцах необходимо обеспечить сверхвысокие вакуумные условия, чтобы влияние рассеяния пучка на остаточном газе было незначительным и было возможно накопление высокоинтенсивных пучков тяжелых ионов. Одним из важнейших вопросов является создание и оптимизация систем питания сверхпроводящих ускорительных комплексов. Актуальным является развитие и модернизация сверхпроводящего ускорительного комплекса Нуклотрон для ускорения в нем пучков тяжелых ионов до релятивистских энергий, поскольку этот синхротрон используется также для отработки режимов будущего коллайдерного комплекса. Одним из важнейших элементов нового ускорительного проекта ОИЯИ - NICA/MPD является сверхпроводящий синхротрон Бустер, поэтому разработка его концептуального проекта также актуальна. Бустер будет использоваться не только для фундаментальных исследований, параллельно основной физической программе, на выведенных пучках будет проводиться широкий спектр прикладных исследований (медицина, радиобиология, материаловедение, включая исследование радиационной стойкости материалов).

Для получения максимальной светимости в экспериментах на встречных пучках необходимо обеспечить устойчивость пучков высокой плотности циркулирующих и сталкивающихся в накопителе, подавив действие внутрипучкового рассеяния и различного рода неустойчивостей, влияние нелинейностей магнитной системы и пространственного заряда пучков. Особенно эти проблемы крайне важны для адронных коллайдеров низких энергий. Теоретические и экспериментальные исследования всех этих процессов и эффектов требуются для создания подобных ускорительных комплексов. Для того, чтобы при столкновениях тяжелых ионов регистрировать адронные компоненты, включая мультистранные гипероны, их распределение в фазовом пространстве и коллективные потоки, а также наблюдать отдельные события, требуется средняя светимость в коллайдере в диапазоне между 10²⁶ и

10 см^- сек^- . Для обеспечения и поддержания высокой светимости при низкой энергии ионов необходимо применять методы охлаждения пучков, как электронного так и стохастического. В комплексе NICA применение охлаждения необходимо и в кольцах коллайдера и в Бустере. Создание систем охлаждения частиц - стохастического и электронного - для обеспечения долговременной устойчивости высокоинтенсивных ионных пучков является крайне актуальным направлением.

Цели диссертационной работы:

Основными задачами диссертационной работы являлись:

- модернизация ускорительного комплекса ЛФВЭ с целью создания на его основе ускорителя тяжелых ионов нового поколения для релятивистской ядерной физики и инновационных ядерно-энергетических технологий,

разработка концепции построения сверхпроводящего ускорительного комплекса на встречных пучках тяжелых ионов с энергией несколько ГэВ/н, разработка проекта такого комплекса на основе синхротрона Нуклотрон,

развитие синхротрона Нуклотрон в качестве базовой установки для отработки различных режимов работы коллайдера NICA.

Главные направления работ:

1. 1. Теоретические и экспериментальные исследования режимов накопления и охлаждения интенсивных ионных пучков в накопительных кольцах (ESR, GSI, Darmstadt, COSY, FZ Juelich, Германия, RHIC, BNL, США), применение полученного опыта и отработанных методик для проектирования рабочего цикла комплекса NICA. Выбор режимов работы, обеспечивающих максимальную светимость физического эксперимента в диапазоне энергий коллайдера от 1 до 4.5 ГэВ/н.

   2. Модернизация и развитие сверхпроводящего синхротрона Нуклотрон для экспериментального исследования на нем различных режимов работы коллайдера NICA.

   3. Модернизация вакуумной системы Нуклотрона. Улучшение вакуумных условий в пучковой камере до уровня, необходимого для ускорения в Нуклотроне ионов с массовым числом более 100 до релятивистских энергий. Модернизация системы питания и эвакуации энергии структурных магнитов Нуклотрона, обеспечение надежной и безопасной эксплуатации магнитной системы при максимальном проектном уровне магнитного поля 2 Тл.

   4. Выбор и оптимизация параметров базовых элементов комплекса NICA: схема подготовки высокоинтенсивного пучка тяжелых ионов в инжекционной цепочке, выбор конфигурации сверхпроводящих накопительных колец на встречных пучках, оптимизация их размещения в существующей инфраструктуре технической площадки ЛФВЭ.

   5. Разработка проекта сверхпроводящего бустера Нуклотрона, предназначенного для повышения интенсивности пучков тяжелых ионов и

   ускорения их в Нуклотроне до максимальной энергии. Разработка проекта фокусирующей системы бустерного синхротрона, схемы ее питания и защиты.

   Личный вклад автора

   Личное участие автора в работах, составляющих основу диссертации, является определяющим. Под его руководством и при его определяющем участии проведена модернизация ускорительного комплекса ЛФВЭ, успешное завершение которой открыло возможность создания на базе синхротрона Нуклотрон нового сверхпроводящего ускорительно-коллайдерного комплекса NICA. Им лично проведены теоретические исследования, положенные в основу концепции комплекса на встречных пучках тяжелых ионов в диапазоне рекордно низких энергий. При его определяющем участии оптимизированы и выбраны параметры комплекса NICA, созданы концептуальные проекты основных подсистем и элементов. Автор предложил постановку экспериментов на Нуклотроне, имевших целью проверку ключевых решений и проведенных при его определяющем участии.

   Научная новизна и практическая ценность работы

   1. Впервые разработана концепция сверхпроводящего комплекса на

   встречных пучках тяжелых ионов в диапазоне рекордно низких энергий (127

   4.5 ГэВ/н), обеспечивающая максимальную светимость на уровне 1-10

   -2 -1 -п

   см сек . В этом диапазоне энергий светимость ограничена в первую очередь эффектами пространственного заряда сгустка, а не эффектами встречи, как в коллайдерах высоких энергий, и это требует минимизации периметра накопителя. Схема формирования интенсивных сгустков основана на первоначальном накоплении в кольцах коллайдера распущенного пучка с его последующей группировкой. Длительное поддержания высокого уровня светимости обеспечивается за счет подавления роста фазового объема сгустка, требующего эффективного применение двух методов охлаждения.

   1. 5. 1. Предложен и обоснован сценарий использования охлаждения пучка в коллайдере NICA: в диапазоне энергий от 1 до 3 ГэВ/н система электронного охлаждения пучка обеспечивает сравнительно короткие времена охлаждения и режим работы коллайдера с доминированием пространственного зарядом сгустка. В диапазоне энергии ионного пучка от 3 до 4.5 ГэВ/н наиболее эффективно использование системы стохастического охлаждения, при этом

         27 —2 —1

         уровень светимости в этом диапазоне не ниже 1-10 см сек достигается в режиме доминирования процесса внутрипучкового рассеяния.

         1. 5. 2. В результате модернизации ускорительного комплекса ЛФВЭ ОИЯИ создана установка нового поколения для релятивистской ядерной физики и инновационных ядерно-энергетических технологий. В Нуклотроне впервые ускорены до релятивистских энергий 1.5 ГэВ/н и использованы для проведения ряда экспериментов ионы ксенона ¹²⁴Хе⁴²⁺. Обеспечена надежная эксплуатация магнитно-криостатной системы Нуклотрона при проектной величине магнитного поля 2Тл.

               3. Выбрана и оптимизирована фокусирующая структура Бустера Нуклотрона с учетом размещения систем ввода, однооборотного и медленного вывода, ВЧ станций и других устройств, вписанная в инфраструктуру комплекса и позволяющая осуществить накопление и ускорение интенсивных пучков тяжелых ионов до энергии, достаточной для эффективной обдирки и инжекции в Нуклотрон.

               4. Создан современной комплекс оборудования, обеспечивший развитие сверхпроводящего синхротрона Нуклотрон для экспериментального исследования на нем различных режимов работы коллайдера NICA: измерение параметров ускоренного пучка, исследование работы сверхпроводящей магнитной системы при длинных (тысячи секунд) плато магнитного поля, исследование различных методов стохастического охлаждения.

               Основные положения, выносимые на защиту

               1. Концепция получения высокой светимости в адронном коллайдере с низкой энергией сталкивающихся пучков, основанная на накоплении распущенного пучка в кольцах коллайдера с использованием методов охлаждения пучка, его последующей группировке и поддержании требуемого уровня светимости с применением двух методов охлаждения пучков - электронного и стохастического.

               1. 5. 4. 1. Основные параметры базовых элементов ускорительного комплекса NICA: оптимальная схема подготовки пучка тяжелых ионов в инжекционной цепочке, оптимальная схема сверхпроводящих накопительных колец на встречных пучках и их размещение в существующей инфраструктуре технической площадки ЛФВЭ ОИЯИ. Концепции системы электронного охлаждения и системы стохастического охлаждения в коллайдере NICA, рабочие параметры и схема их оптимального расположения.

                        2. Результаты модернизации вакуумной системы сверхпроводящего быстроциклирующего синхротрона Нуклотрон. Ускорение ионов ксенона (¹²⁴Хе⁴²⁺) до энергии 1.5 ГэВ/н.

                        3. Технический проект системы последовательного питания магнитов и линз и системы эвакуации энергии сверхпроводящего быстроциклирующего синхротрона Нуклотрон, методика поэтапного ввода этих систем в эксплуатацию. Результаты эксплуатации системы питания Нуклотрона с достигнутой величиной магнитного поля, равной 2 Тл.

                        4. Создание современного комплекса оборудования обеспечившего развитие сверхпроводящего синхротрона Нуклотрон для экспериментального исследования на нем различных режимов работы коллайдера NICA: измерения параметров ускоренного пучка, исследования работы сверхпроводящей магнитной системы при длинных (тысячи секунд) плато магнитного поля, исследования различных методов стохастического охлаждения.

                        5. Концептуальный проект сверхпроводящей магнитной фокусирующей структуры синхротрона Бустер комплекса NICA, системы ее питания и защиты.

                        Апробация диссертационной работы

                        Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на международных конференциях "Workshop on Beam Cooling and Related Topics" - COOL (Galena, IL, США, 2005 г.; Bad Kreuznach, Германия, 2007г.; Алушта, Украина, 2011г.), "European Particle Accelerator Conference" - EPAC (Paris, Франция, 2003; Lucerne, Швейцария, 2004 г.; Genoa, Италия, 2008 г.), "International Particle Accelerator Conference" - IPAC (Kyoto, Япония, 2010 г.; San Sebastian, Испания, 2011 г.), "ICFA Advanced Beam Dynamics Workshop on High- Intensity and High-Brightness Hadron Beams" - HB (Bensheim, Германия, 2004; Tsukuba, Япония, 2006 г.), "International Computational Accelerator Physics Conference" - ICAP (Санкт-Петербург, 2004 г.), "Beam dynamics and Optimisation Conference" - BDO (Санкт-Петербург, 2010 г.) на Всероссийских конференциях по ускорителям заряженных частиц - RuPAC (Обнинск, 2002г.; Дубна, 2004г.; Новосибирск, 2006г.; Звенигород, 2008г.; Протвино, 2010г) и др. А также обсуждались на научных семинарах Объединенного Института ядерных исследований (г.Дубна), Института теоретической и экспериментальной физики (г.Москва), Института физики высоких энергий (г.Протвино), Институт Ядерной Физики СО РАН (г.Новосибирск), Европейского центра ядерных исследований ЦЕРН (CERN, Швейцария).

                        По теме диссертации опубликовано 57 работ, из них в реферируемых журналах 23 работы.

                        Текст диссертации изложен на 212 страницах, включает 92 рисунка, 18 таблиц и список литературы из 111 наименований.

                        Структура и объем диссертации

                        Проект NICA

                        Предложение создания сверхпроводящего жесткофокусирующего ускорителя релятивистских тяжелых ядер ОИЯИ - Нуклотрона в начале 70-х годов было мотивировано постановкой проблем релятивистской ядерной физики и квантовой хромо динамики. Для их экспериментального изучения в релятивистских ядерных взаимодействиях необходимы были соответствующие пучки ускоренных частиц, которые не могли быть обеспечены действующим в то время Синхрофазотроном без создания нового ускорительного комплекса в Лаборатории высоких энергий ОИЯИ [2]. В результате проведенных научно-исследовательских работ с использованием пучков Синхрофазотрона и теоретического анализа процессов множественного рождения частиц было показано, что режим предельной фрагментации ядер наступает при кинетической энергии налетающего ядра больше 3.5 ГэВ/нуклон. Это определило минимальную кинетическую энергию пучков проектируемого Нуклотрона. Если для размещения магнитной системы нового ускорителя использовать технологический тоннель периметром около 250 м, окружающий фундамент Синхрофазотрона, то это позволяет обеспечить получение максимальной энергии легких ядер (отношение заряда к атомной массе 1/2) на уровне 6 ГэВ/нуклон, а тяжелых (золото, уран) - 4,5 - 4,2 ГэВ/нуклон, что вполне удовлетворяло указанное выше условие по энергии ускоренных частиц. При этом магнитное поле в структурных дипольных магнитах синхротрона могло быть ограничено величиной 2 Тл.

                        В начале 70-х годов во многих исследовательских центрах мира, занимающихся изучением вопросов фундаментальной физики ядра и строением ядерной материи, начался этап разработки и освоения новых магнитных и ускорительных технологий, базирующихся на технике сверхпроводимости. Наиболее притягательным с точки зрения исследователей была реализация возможности использования эффекта сверхпроводимости для создания магнитов протонных синхротронов с амплитудой магнитного поля, существенно превышающей 2 Тл, то есть тот предел, который может быть достигнут с использованием «теплых» магнитов. В этом направлении первой крупной сверхпроводящей магнитной системой явилась магнитная система "Тэватрон" (Батавия, США) с амплитудой поля в рабочей апертуре до 4,7 Тл, установленная в имеющемся тоннеле "теплого" синхротрона на энергию 500 ГэВ. Сверхпроводящие магниты этого типа в несколько модернизированном виде были применены в проектах других ускорителей и получили название магнитов типа "cosG". Охлаждение магнитов осуществляется последовательно, затраты времени на захолаживание магнитной системы от комнатной до рабочей температуры измеряются неделями. Таким образом, с учетом всех необходимых элементов: криостата, подвесок, гелиевого сосуда образовалась чрезвычайно сложная в изготовлении, дорогостоящая и металлоемкая конструкция криогенно-магнитной системы с очень сложной системой эвакуации энергии в аварийных режимах. С целью решения проблемы принципиального упрощения применения сверхпроводимости в ускорительной технике и применения её в каналах транспортировки частиц в ОИЯИ в были разработаны сверхпроводящие магниты нового типа [3]. Принципиальным отличием дубненского подхода от «традиционного», принятого в американских и западно-европейских центрах явилось то, что эффект сверхпроводимости в нашем случае используется для достижения максимальной плотности тока в проводнике, что в свою очередь делает возможным максимальную миниатюризацию поперечного сечения магнита, а следовательно экономию материалов, мощности питания, упрощение внешней инфраструктуры. В Лаборатории были созданы сверхпроводящие магниты с требуемыми уровнями полей 1.8 4- 2 Тл и, более того, способные работать с частотой повторения циклов 1 Гц. В период с 1987 по 1992 г. были запущены в серию, изготовлены и прошли комплексные испытания более чем 100 дипольных и 66 квадрупольных криогенно-магнитных модулей его магнитной системы. Монтаж Нуклотрона был завершен в январе 1993 г. и в марте того же года проведен первый сеанс охлаждения и работы с пучком [4].

                        Оригинальные магниты, разработанные и серийно изготовленные для Нуклотрона (Рис. 1.1) - это быстроциклирующие сверхпроводящие (частота повторения циклов до 1 Гц.) дипольные и квадрупольные магниты с железными магнитопроводами традиционной конструкции. В них обмотка возбуждения выполняется из специально разработанного трубчатого сверхпроводящего кабеля [5]. Фундаментальный подход к проблеме создания магнитов для Нуклотрона обеспечил возможность дальнейшего развития технологии и совершенствования магнитов «типа Нуклотрон». В частности, создание новых образцов магнитов с экстремально высокой динамической магнитной жесткостью, что обуславливает их уникальность в сфере применения для создания магнитных систем протонных и ионных синхротронов с универсальным рабочим циклом - от быстроциклирующего режима с частотой повторения до 1 Гц, при нарастании и спаде магнитного поля с крутизной 4 Тл/с и без «стола» магнитного поля, до квазипостоянного цикла, при котором длительность «стола» магнитного поля гораздо больше, чем время его нарастания и спада (например, при амплитуде магнитного поля 2 Тл время нарастания и спада поля суммарно занимает 1 секунду, а длительность стола поля гораздо больше: 5-10 с).

                        Параметры сгустков и светимость коллайдера

                        Для каждого из них инжекционная цепочка имеет свой специфический состав. При ускорении тяжелых ионов инжекционная цепочка состоит из элементов 1, 3, 7 перечисленных выше (Рис. 1.8). В этом режиме инжектор тяжелых ионов состоит из источника КРИОН и линейного ускорителя HILac. Бустер используется для накопления ионов при инжекции и ускорении их до энергии, необходимой для их эффективной обдирки на тонкой (углеродной) мишени. Полностью ободранные ионы (ядра) ускоряются затем в Нуклотроне в форме одиночного сгустка интенсивностью до уровня 10 частиц от энергии 600 МэВ/н до энергии от 1 до 3.5 ГэВ/н. Схема рабочего цикла всех элементов ускорительного комплекса показана на Рис. 1.12.

                        В экспериментах со встречными пучками тяжелых ионов и протонов (легких ионов) необходимо быстрое (в течение нескольких секунд) переключение инжекционной цепочки с ускорения ионов одного сорта на ускорение ионов другого сорта. Это достигается за счет изменения режимов работы инжекционной цепочки. При заполнении одного из колец Коллайдера тяжелыми ионами используется та же инжекционная цепочка, что и в предыдущем режиме. Заполнение второго кольца Коллайдера легкими ионами производится инжекционной цепочкой из элементов 2, 3, 8 (Рис. 1.8). Инжектор легких ионов состоит из источника "дуоплазмотрон" и линейного ускорителя ЛУ-20. Бустер и его каналы в этом случае не используются, т. к. интенсивность пучка легких ионов достаточно высока. В Нуклотроне ионы ускоряются на 5-й гармонике ВЧ напряжения до энергии эксперимента и на "столе" магнитного поля переводятся по сгусткам в кольца Коллайдера. При необходимости увеличить интенсивность сгустка пучок после ускорения может быть перегруппирован в одиночный сгусток.

                        В экспериментах на пучках поляризованных частиц используется та же цепочка из элементов 2, 3, 7, с той лишь разницей, что источник "Дуоплазмотрон" заменен на источник поляризованных протонов (дейтронов) [40]. В планируемых экспериментах энергия сталкивающихся протонов лежит в диапазоне от 5 до 12,6 ГэВ (2,5-5,9 ГэВ/н для дейтронов). В качестве инжектора планируется использовать существующий линейный ускоритель ЛУ-20, из которого пучок инжектируется непосредственно в Нуклотрон и ускоряется до конечной энергии (от 5 до 12,6 ГэВ для поляризованных протонов). Для получения требуемой светимости столкновений интенсивность сталкивающихся пучков должна достигать до 1011 частиц. Использование Бустера для ускорения поляризованных частиц не требуется по той же причине, что и в предыдущем режиме. 1.3.2 Столкновения ядер тяжелых ионов

                        Одной из главных задач комплекса NICA является осуществление столкновений пучков тяжелых ядер - таких, как Аи, РЬ ИЛИ U, в интервале энергий частиц 1 -4,5 ГэВ/н со светимостью не менее 1-Ю27 см"2 с-1 при энергии 3,0 ГэВ/н и выше [41]. В данном проекте в качестве "реперного" иона, для которого оптимизирована работа инжекционной цепочки комплекса, выбран ион золота Аи32+.

                        Для достижения максимальной проектной энергии пучка необходимо ускорять в Нуклотроне полностью ободранные ионы. Эффективная обдирка ионов возможна перед .32+ инжекцией в Нуклотрон, когда ионы Аи ускорены до энергии в несколько сотен МэВ/н. Для этой цели и используется Бустер. Количество ионов, генерируемых за один импульс (характерная длительность импульса от 15 до 25 микросекунд) источника КРИОН практически не зависит от длительности импульса. Многооборотная инжекция в этом случае не приводит к увеличению интенсивности пучка в Бустере. Поэтому, в случае малого тока сгустка из ионного источника, может быть использована в качестве резервной схема с использованием нескольких последовательных импульсов однооборотной инжекции для накопления пучка в фазовой плоскости горизонтальных бетатронных колебаний. Рабочий цикл Бустера (рис. 1.13) состоит из следующих стадий: - импульс инжекции на столе магнитного поля (2-3 оборотная, однократная); - электронное охлаждение в течение нескольких сотен миллисекунд (если требуется); - адиабатическая группировка пучка на четвертой гармонике частоты обращения; - ускорение до энергии примерно 100 МэВ/н и «выход» на стол магнитного поля; - электронное охлаждение в течение примерно 1 сек (если требуется); - группировка пучка на первой гармонике частоты обращения; - ускорение до конечной энергии и «выход» на стол магнитного поля для перевода сгустка в Нуклотрон. t. сек 4.02 5. Рис. 1.13. Рабочий цикл (временная диаграмма) для Бустера. Темп роста поля в Бустере принят равным 1 Тл/с. При этом полный цикл изменения поля в нем составляет примерно 4,02 с, из которых 1 с может приходиться на охлаждение пучка на столе поля при энергии ионов около 100 МэВ/н. Конструкция магнитов позволяет получать темп роста поля до 4 Тл/с, однако его увеличение требует пропорционального увеличения мощности источника электропитания магнитов и амплитуды напряжения ВЧ станций. При принятом темпе роста мощность источника тока составляет примерно 2.5 МВт, требуемая амплитуда ускоряющего напряжения равна 7 кВ. Максимальная амплитуда напряжения, обеспечиваемая ВЧ станциями, выбрана равной 10 кВ, что обеспечивает возможность управления параметрами сгустка перед его переводом в Нуклотрон.

                        В Нуклотроне ускорение сгустка осуществляется на первой гармонике частоты обращения. Инжекция сгустка производится на столе поля при включенной ВЧ системе, после чего осуществляется переход к линейному росту поля и ускорению пучка до энергии эксперимента. Темп роста поля в Нуклотроне принят также равным 1 Тл/с. Полный цикл изменения магнитного поля при ускорениии ионов до 4.5 ГэВ/н составляет, как в Бустере, 4.02 с. Из них 2.82 с приходятся на ускорение пучка. Требуемая мощность источника электропитания составляет 3.6 МВт, амплитуда ВЧ напряжения - ИкВ. Полное время подготовки сгустка при таком режиме работы инжекционной цепочки составляет 4.5 с. Время заполнения обоих колец коллайдера (при 24 сгустках в каждом из них) не превышает 4-х минут. Динамика параметров сгустка в инжекционной цепочке представлена в таблице 1.5.

                        Общие принципы выбора параметров системы электропитания и защиты в сверхпроводящих синхротронах. Система питания комплекса Нуклотрон

                        Здесь ZL - продольный импеданс связи, включающий импеданс пространственного заряда 7 С ZLsc= 2 и импеданс вакуумной камеры. Величина ZQ = 377 Ом, GL=l + 2\n— 2ру г продольный форм-фактор, а - радиус вакуумной камеры, г - радиус пучка, е - заряд электрона, fi и у - релятивистские факторы, тс1 - энергия покоя ядра, Z - заряд иона, А атомная масса иона, rj = —r—г " тн- «слип-фактор» кольца - коэффициент дисперсии частоты обращения частицы от импульса, (Fi - коэффициент, зависящий от вида функции распределения. Гауссовому распределению соответствует F/ = 1 (критерий Кайла-Шнелля). Для функции распределения с большими «хвостами» F/ может достигать значения 10. Среднеквадратичный относительный разброс по импульсу ар «сверху» ограничен аксептансом коллайдера. В случае сгруппированного пучка, этот критерий ограничивает пиковый ток в сгустке: ZeNh Cmng 1 peak rp [Z 1 rev V l Л (J Keck — TT= » W где Trev - период обращения. Пороговый пиковый ток развития поперечной когерентной неустойчивости может быть оценен в соответствии с критерием Шнелля-Зоттера [6]: A mc2yQ Z7 e\Z\ 1 I F - SQ, (7) здесь R - средний радиус кольца, Q, SQ - бетатронная частота и разброс бетатронных частот, Zt - поперечный импеданс связи, включающий импеданс пространственного заряда и импеданс вакуумной камеры:

                        Коэффициент Ft определяется аналогично коэффициенту F/ в формуле (5). Разброс бетатронных частот 8Q подавляет когерентную неустойчивость сгустка (эффект затухания Ландау) и его увеличение приводит к росту порогового тока. Эффективный разброс бетатронных частот для n-ой моды когерентных дипольных колебаний можно оценить как [49]: aQn [(Q-n)ri+tf ?l + bQl, (9) где хроматичность кольца , определяется как: ,= &Ql(j±plр). Величина AQSC -некогерентный («Ласлетовский») сдвиг частоты бетатронных колебаний. Сдвиг частоты, строго говоря, не даёт затухания Ландау. Однако, разброс частот, связанный с отклонением распределения плотности частиц в сгустке от гауссового, по порядку величины тот же, что и сдвиг частот в гауссовом пучке. Поэтому для оценок можно принять их равными.

                        В качестве компромисса между двумя противоположными требованиями -минимизация эффекта песочных часов и обеспечение устойчивости пучка, среднеквадратичная длина сгустка была выбрана равной 60 см.

                        Увеличение разброса по импульсу повышает порог развития когерентных неустойчивостей сгустка (формулы 5, 7, 9) и, с другой стороны, не приводит к снижению светимости. Поэтому для достижения максимальной светимости разброс по импульсу следует выбирать максимально возможным, исходя из ограничений по продольному аксептансу и технически достижимой амплитуды ВЧ напряжения, необходимой для согласования сгустка. Среднеквадратичный относительный разброс по импульсу на уровне ±(1-Ч.5)-10"3, что соответствует 1/6 аксептанса, представляется вполне приемлемым. При этом, за счет оптимального выбора номера гармоники, требуемая амплитуда ВЧ напряжения может быть сохранена в пределах не более 1 MB (Рис. 2.10), что представляется технически реализуемым. Номер гармоники, равный 72, обеспечивает площадь сепаратриссы, позволяющую надежно избежать потерь частиц из сгустка в продольном направлении. 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0і Амплитуда ьч напряжения, кв Л- —t- А І 2 3 4 Энергия, ГэВ/н Рис.2.10. Зависимость требуемой амплитуды напряжения ВЧ системы от энергии пучка для согласования сгустка длиной 60 см. Разброс по импульсу изменяется с энергией в соответствии с Таблицей 2.3.

                        При выбранных параметрах продольного фазового объема сгустка увеличение поперечного эмиттанса (с одновременным увеличением числа частиц) приводит к увеличению светимости (при одной и той же величине некогерентного сдвига частот бетатронных колебаний). Однако, возможности выбора эмиттанса существенно зависят от механизма нагрева сгустка, который должна компенсировать система охлаждения.

                        Основными источниками нагрева являются внутрипучковое рассеяние (ВПР) и, при большой величине сдвига бетатронных частот, нагрев за счет пересечения частицами нелинейных резонансов высокого порядка. В зависимости от того, какой из этих эффектов преобладает, различают два крайних режима работы: «доминирования пространственного заряда» и «доминирования ВПР» [50].

                        В режиме доминирования пространственного заряда (ДПЗ) темпы роста фазового объема существенно выше, чем при доминировании ВПР, однако, природа нагрева продольной и поперечных степеней свободы различна, и эмиттанс сгустка можно выбирать независимо от разброса по импульсу. Для режима ДПЗ значение равновесного эмитттанса можно, как показывает опыт работы накопителей с электронным охлаждением, выбрать из равенства сдвига бетатронный частоты AQsc определённой величине (обычно 0,05). ВПР приводит к двум эффектам: быстрой релаксации фазового объема сгустка к состоянию, близкому к термодинамическому равновесию и, в дальнейшем, к относительно медленному одновременному росту эмиттансов и квадрата разброса по импульсу с одинаковым темпом, определяемым параметрами оптической структуры. Таким образом, в режиме доминирования ВПР, величины продольного и поперечных фазовых объемов связаны друг с другом, и, при заданной величине разброса по импульсу, минимум темпа нагрева соответствует строго определенной величине эмиттанса.

                        Компенсация нагрева пучка в режиме доминирования ВПР (ДВПР) требует существенно меньших темпов охлаждения, поэтому он представляется более предпочтительным при высоких энергиях ионов, когда заметно проще достичь проектного значения светимости, используя стохастическое охлаждение (как будет показано ниже). На малых энергиях возможность увеличения светимости связана с переходом в режим ДПЗ, а необходимый высокий темп охлаждения можно обеспечить применяя электронное охлаждение.

                        Для оценки минимально необходимых времен охлаждения достаточно рассмотреть режим ДВПР. Характерные темпы нагрева для поперечных степеней свободы, определяемые для поперечной (х, у) и продольной () степеней свободы как где форм-факторы F, 10 рассчитываются путем усреднения по периметру кольца. Одинаковым темпам нагрева по всем трем степеням свободы соответствует строго определенное соотношение между эмиттансами и разбросом по импульсу, которое, в первом приближении, соответствует термодинамическому равновесию. В данной статье характерные времена (темпы нагрева) ВПР вычислялись в соответствии с алгоритмом, предложенным в [51]. Выбранному значению разброса по импульсу соответствуют равновесные эмиттансы, близкие по величине 1 7г-мм-мрад (см. Таблицу 2.3). Такое относительно небольшое значение эмиттанса позволяет планировать работу коллайдера при малом значении бета-функции в точке встречи. Так, при величине бета-функции в точке встречи, равной 35 см, максимальная бета-функция в финальном фокусирующем триплете линз составляет примерно 200 м. При этом, при технически реализуемых величине градиента (до 30 Тл-м) и геометрической апертуре линз финального фокуса, геометрический аксептанс составляет 40 ямммрад. При среднеквадратичном размере пучка, равном 1/6 радиуса апертуры, его эмиттанс составляет 1.1 ямммрад. В дальнейших расчетах светимости предполагается, что при всех энергиях горизонтальный эмиттанс пучка равен этой максимально возможной величине. Соответствующие вертикальный эмиттанс и разброс по импульсу определяются условием равенства темпов нагрева ВПР.

                        При фиксированном фазовом объеме сгустка светимость растет пропорционально квадрату числа частиц в сгустке, которое ограничено сверху полным разрешенным некогерентным сдвигом бетатронной частоты AQsc+2 (Ласлеттовский сдвиг плюс удвоенный сдвиг на встречном пучке, поскольку в коллайдере 2 точки встречи). Для выбранной рабочей точки коллайдера, предельное значение этого параметра составляет примерно 0.05.

                        Моделирование процесса стохастического охлаждения в Нуклотроне с помощью уравнения Фоккера-Планка

                        В 2007 году в ОИЯИ начаты работы по созданию нового ускорительно-накопительного комплекса NIC А на базе синхротрона Нуклотрон. Первая стадия реализации проекта NIC А -проект «Нуклотрон-М», успешно завершенная в 2011 года, имела целью продемонстрировать возможность его длительной и надежной работы при параметрах, близких к требованиям проекта NICA.

                        Необходимость проведения коренной модернизации ускорительного комплекса ЛФВЭ объяснялась следующими причинами: из-за экономических условий начала 90-х годов, когда создавались основные системы Нуклотрона, проект комплекса был реализован не в полном объеме. Так, осталась незавершенной программа по модернизации линейного ускорителя ЛУ-20, не был сооружен бустерный синхротрон, высокочастотная система Нуклотрона была выполнена на уровне действующего макета, предназначенного на период пуско-наладочных работ, не была создана полномасштабная система диагностики циркулирующего пучка, практически отсутствовала система контроля вакуумных условий в пучковой камере, не в полной мере отвечали требованиям надежности системы питания и защиты структурных магнитов кольца, часть основных технологических систем физически и морально устарела. Первым критерием успешности проводимой модернизации была принята: демонстрация ускорения до релятивистских энергий пучка тяжелых ионов с атомным номером более 100 (например ионов Хе). До начала проекта самыми тяжелыми ионами, ускоренными на Нуклотроне, были ионы железа. А вторым критерием было выбрано обеспечение стабильной, безопасной работы магнитной системы при уровне поля в дипольных магнитах 2 Тл (максимальная ранее достигнутая величина поля была 1,2 Тл). Одновременно ставились задачи обеспечения надежной длительной работы комплекса и увеличения интенсивности ускоренного пучка (за счет снижения потерь частиц на всех стадиях ускорения).

                        Структурно проект «Нуклотрон-М» был разбит на 10 подпроектов, соответствующих основным системам ускорительного комплекса [15]. В ходе его реализации существенно модернизированы или создан заново ряд систем ускорительного комплекса и проведено шесть сеансов работы, посвященных тестированию и вводу в эксплуатацию нового оборудования. Все это подробно представлено в публикациях [16 - 21], в данной главе приводятся лишь наиболее значимые результаты реализации проекта.

                        Основными направлениями и целями проекта «Нуклотрон-М» определены: - совершенствование источника высокозарядных тяжелых ионов КРИОН; - улучшение вакуума в кольце Нуклотрона, - доведение параметров системы питания, защит и эвакуации энергии структурных диполей и квадруполей до уровня, обеспечивающего надежный эксплуатационный режим получения магнитного поля до 2 Тл при скорости нарастания не менее 0.6 Тл/с; - модернизация аппаратуры ВЧ системы ускорителя, включая задающую электронику, систему захвата пучка в режим ускорения, контрольную и диагностическую аппаратуру; - развитие системы медленного резонансного вывода для реализации режима вывода ускоренных тяжелых ионов максимальных энергий; - совершенствование автоматизированной системы управления, диагностики и контроля параметров пучков и систем ускорительного комплекса; - модернизация каналов транспортировки выведенных пучков и систем радиационной защиты; - повышение экономичности системы криогенного обеспечения; - последовательная модернизация комплекса инжектора (предускоритель и основной линейный ускоритель) для ускорения тяжелых ионов . - исследование динамики пучка, минимизации потерь частиц на всех этапах цикла от инжекции, ускорения и вывода пучков.

                        В ходе осуществления проекта «Нуклотрон-М» было проведено шесть сеансов работы Нуклотрона: № 37 - 42, общей продолжительностью около 3200 часов. В первую очередь в ходе сеансов решались задачи по вводу в эксплуатацию, исследованию и оптимизации режимов работы модернизированного и вновь установленного оборудования. Физические эксперименты на ускоренных пучках планировались в случае успешного вьшолнения «ускорительных» задач. В общей сложности по программе физических исследований было отработано около 500 часов, что составило примерно 15% времени сеансов. В ходе сеансов использовались дуоплазматрон, лазерный источник и источник «Крион-2». Ускорялись дейтроны, ядра лития, ионы С4+, 124Хе42+. Для оценки величины давления в пучковой камере Нуклотрона использовались ионы Нг от дуоплазматрона. Подробная статистика сеансов приведена на веб-сайте диспетчерской службы Нуклотрона http://nucloweb.jinr.ru/nucloserv/statist/stat-main.htm. В 2011 году проект «Нуклотрон-М» успешно завершен проведением сеанса №43 (февраль-март 2011 года). Примерно 40% времени этого сеанса составили работы по программе физических экспериментов. С 2012 года времени работы ускорительного комплекса возрастает до 2500 часов, при предоставлении 50-70% времени для физических экспериментов. Перечислим кратко задачи, решенные в ходе сеансов и результаты модернизации основных систем ускорительного комплекса.

                        Сеанс №37, проведенный с 29 октября по 16 ноября 2007 года, был посвящен комплексной ревизии состояния всех систем ускорителя накануне модернизации. Кроме того, была испытана схема электрического питания с последовательным включением дипольных и квадрупольных структурных магнитов Нуклотрона. Также были выполнены: - подготовительные работы по оценке параметров ВЧ системы, необходимых для реализации адиабатического захвата пучка на столе инжекции;

                        Похожие диссертации на Синхротрон релятивистских тяжелых ионов НУКЛОТРОН в ускорительном комплексе NICA

                        Ускорение пучков тяжелых ионов с массовым числом более 100 в сверхпроводящем синхротроне НуклотронБутенко, Андрей Валерьевич

                        

                        Исследование методом ЭПР магнитных свойств комплексов, содержащих ионы Co2+ , в монокристаллах двойных сульфатов и селенатовЖеглов Евгений Петрович

                        

                        Оптические и электрические свойства полупроводниковых структур на основе молекулярных комплексов фталоцианинов, содержащих ионы лантанидов в качестве комплексообразователяБелогорохов Иван Александрович

                        Исследование комплексов порфиринов с ионами переходных металлов в возбужденных электронных состояниях методами резонансного комбинационного рассеяния светаКруглик, Сергей Геннадьевич

                        

                        Теоретический конформационный анализ молекулы гексадека-валиномицина и его некоторых невалентных комплексов с органическими ионамиАббасов, Садай Гамид оглы

                        

                        Магнитные свойства и проводимость кристаллов группы флюорита, содержащих ЯН-теллеровские комплексы примесных d-ионовВарламов Александр Геннадьевич

                        

                        Спектры фрагментации, вызванные столкновением органических молекул и их комплексов с электронами и ионамиБерезовская Екатерина Александровна

                        

                        Влияние вибронных взаимодействий на структуру, магнитные свойства и процессы образования комплексов примесных d-ионов в кристаллах типа флюорита Уланов Владимир Андреевич

                        

                        Структура и магнитные свойства парамагнитных комплексов примесных восьмикратно координированных ионов меди и титана в кристаллах со структурой флюоритаФазлижанов Ильшат Имаметдинович

                        

                        Закономерности и механизм переноса энергии между ионами лантаноидов в биядерных комплексах в растворах Дударь Светлана Сергеевна