Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Модернизация высоковакуумной системы Нуклотрона I
1.1. Вакуумная система Нуклотрона 11
1.2. Уровень вакуума в камере Нуклотрона до модернизации
1.3. Модернизация высоковакуумной системы Нуклотрона и ее результаты
Глава 2. Ускорение тяжелых ионов на Нуклотроне 37
2.1. Оптимизация режима работы источника «Крион-2» 41
2.2. Доработка систем канала транспортировки из Лу-20 в 43 Нуклотрон.
2.3. Подготовка Лу-20 к ускорению ионов с q/A = 1/3 45
2.4. Подготовка систем диагностики пучка. 47
2.5. Настройка режима ускорения ионов ксенона на 48
Нуклотроне.
Глава 3. Проект Бустера Нуклотрона 57
3.1. Обзор разработанных вариантов структуры 57
3.2. Бустер проекта NIC А 65
3.3. Магнитная система 69
3.4. Конструкция структурных магнитов и линз 73
3.5. Система коррекции погрешностей магнитного поля 76
3.6. Системы инжекции и вывода пучка 84
3.7. Вакуумная система 87
Заключение
Список литературы
- Уровень вакуума в камере Нуклотрона до модернизации
- Модернизация высоковакуумной системы Нуклотрона и ее результаты
- Подготовка Лу-20 к ускорению ионов с q/A = 1/3
- Конструкция структурных магнитов и линз
Введение к работе
Актуальность
Развитие существующего ускорительного комплекса Нуклотрон (проект Нуклотрон-М) рассматривается как ключевая часть первой стадии реализации нового ускорительного проекта ОИЯИ - проекта NICA/MPD (Nuclotron-based Ion Collider fAcility and Multi Рифове Detector). Целью проекта NICA является проведение в ближайшие 5-7 лет экспериментов по изучению сильного взаимодействия в горячей и плотной кварк-глюонной материи, поиск возможного образования "смешанной фазы" такой материи, а также критических точек. Основным элементом инжекционной цепочки коллайдера, работающего в режиме накопителя, является синхротрон Нуклотрон, который должен обеспечивать ускорение пучков ионов до энергии эксперимента. Главной задачей проекта Нуклотрон-М являлись развитие и адаптация основных систем ускорителя для его надежной эксплуатации в составе проектируемого ускорительного комплекса NICA.
Важной частью проекта Нуклотрон-М являлась модернизация вакуумной системы синхротрона, необходимая для обеспечения возможности ускорения тяжелых ионов, с минимальными потерями. Для этого требовалось уменьшить концентрацию молекул остаточного газа в объеме пучковой камеры до величины пНе < 1-108 см "3, т.е. улучшить вакуум примерно на два порядка. Эта задача была успешно решена.
Для ускорения ядер тяжелых элементов до максимальной энергии Нуклотрон планируется использовать в качестве конечного каскада в инжекционной цепочке колец коллайдера, включающей в себя новый линейный ускоритель и бустерный синхротрон - Бустер, который является важнейшим элементом комплекса NICA. Задачами Бустера являются: накопление ионов 197Аи32+ до 2-Ю9 ионов; ускорение до энергии 600 МэВ/н, которой достаточно для полной обдирки ионов при выводе; снижение требований к вакуумным условиям в Нуклотроне; формирование необходимого эмиттанса пучка с помощью системы электронного охлаждения. В материалах диссертации приводятся результаты концептуального проектирования Бустера и его основных систем.
Основные цели работы
Данная работа имела целью развитие и модернизацию сверхпроводящего ускорительного комплекса Нуклотрон для получения пучков тяжелых ионов. Доведение вакуумной системы ускорителя до параметров необходимых для работы Нуклотрона в составе создаваемого комплекса NICA.
Разработка концептуального проекта сверхпроводящего синхротрона Бустера, являющегося одним из важнейших элементов нового ускорительного проекта ОИЯИ - NICA/MPD.
На защиту выносятся:
-
Комплекс реализованных технических решений по модернизации системы откачки пучковой камеры Нуклотрона.
-
Результаты уменьшения концентрации молекул остаточного газа в объеме пучковой камеры Нуклотрона.
-
Методика настройки циркуляции и ускорения пучков тяжелых ионов на примере проведенного эксперимента по ускорению ионов ксенона на Нуклотроне.
-
Концептуальный проект магнитной оптической структуры Бустера Нуклотрона.
Научная новизна
Отличительной особенностью сверхпроводящей быстроциклирующей магнитной системы Нуклотрона является использование магнитов с ярмом типа «оконной рамы» и обмоткой из «трубчатого» сверхпроводящего кабеля разработанных и изготовленных в ЛВЭ ОИЯИ. Использование сверхпроводящих магнитов с обмотками, охлаждаемыми потоком кипящего гелия, предъявляет определенные требования к вакуумной системе ускорителя состоящей из двух подсистем: изоляционной вакуумной системы криостата и высоковакуумной системы пучковой камеры.
В качестве предпроектных мероприятий по модернизации вакуумной системы на Нуклотроне был проведен ряд экспериментов по измерению интегрального значения вакуума в пучковой камере. Оценка производилась путем измерения темпа потерь ионов различных сортов в процессе циркуляции или ускорения. В результате этих работ был разработан комплекс технических мер по улучшению вакуумных условий в пучковой камере ускорителя.
В ходе модернизации вакуумной системы давление остаточного газа в пучковой камере Нуклотрона удалось уменьшить примерно на два порядка, что позволило ускорять тяжелые ионы с массовым числом больше 100.
Предложена и экспериментально опробована на примере ионов ксенона методика настройки режимов циркуляции (легкие ионы аналогичной кратности) и ускорения пучков низкой интенсивности. Впервые в быстро циклирующем СП синхротроне ионы ксенона были ускорены до релятивистских энергий.
Разработана оптическая структура, системы ввода, вывода и коррекции ошибок магнитного поля Бустера, вписанного в инфраструктуру комплекса, позволяющая осуществить ускорение ионов золота до энергии, достаточной для эффективной обдирки и инжекции в Нуклотрон.
Практическая ценность работы
Разработка и реализация комплекса мер по модернизации вакуумной системы позволили впервые осуществлять ускорение в Нуклотроне тяжелых
ионов с массовым числом более 100 с частично заполненными электронными оболочками.
Введение в строй системы автоматизированного контроля и управления вакуумным оборудованием дало оператору удобный инструментарий для измерения параметров, давления и состава остаточного газа в пучковой камере и изоляционном объеме магнитно-криостатной системы (МКС) Нуклотрона, оперативного контроля и управления средствами откачки с возможностью ведения протокола в течение всего ускорительного сеанса.
В ускорительном сеансе № 41 (март 2010 года) в Нуклотроне впервые были ускорены до релятивистских энергий (1.5 ГэВ/нуклон) и использованы для проведения ряда стартовых экспериментов ионы ксенона 124Хе54+. Была продемонстрирована принципиальная возможность ускорения тяжелых ионов и работы Нуклотрона в составе комплекса NICA.
Важнейшим элементом проектируемого комплекса NICA является Бустер Нуклотрона. В разработанном проекте Бустера учтены все основные требования к системам инжекции, ускорения, электронного охлаждения, вывода и перевода пучка в кольцо Нуклотрона, выполнение которых позволит получать и накапливать в кольцах коллайдера пучки ионов золота требуемой интенсивности с энергией до 4,5 ГэВ/нуклон.
Публикации
Результаты исследований, составивших основу диссертации, опубликованы в 26 печатных работах, в том числе в четырех реферируемых изданиях по списку ВАК.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на российских и международных конференциях по ускорителям заряженных частиц: ЕР АС 2000 (Vienna, Austria), РАС 2001 (Chicago, USA), ЕР AC 2002 (Paris, France), EUCAS 2003 (Sorrento, Italy), EPAC 2006 (Edinburgh, Scotland), EPAC 2008 (Genova, Italy), RuPAC'08 (2008 г., Звенигород), RuPAC'10 (2010 г., Протвино), IPAC'2010 (Kyoto, Japan), IP AC 11 (San Sebastian, Spain), международных научных семинарах по проблемам ускорения заряженных частиц (Алушта, Украина 2007, 2009, 2011 г.г.), Nuclotron Workshop 2001 (Varna, Bulgaria), 7th International Workshop, 2003 (Stara Lesna, Slovak Republic), неоднократно обсуждались на научных семинарах в Объединенном Институте Ядерных Исследований.
Структура и объем диссертации
Уровень вакуума в камере Нуклотрона до модернизации
Конструктивные особенности структурных магнитных элементов Нуклотрона, в которых находится камера, не позволяют нагревать её выше 340 К. Поэтому традиционный подход к получению высокого вакуума в «теплых» вакуумных объемах путем предварительного прогрева и обезгаживания был в данном случае невозможен.
К началу реализации проекта Нуклотрон-М восемь магниторазрядных насосов, которые были установлены на Нуклотроне в 1990-х для откачки пучковой камеры, нуждались в ревизии, ремонте и замене источников питания. Система измерения давления в пучковой камере практически отсутствовала. Вакуум в пучковой камере достигался в основном за счет криогенной откачки поверхностями элементов камеры, находящимися при гелиевой температуре.
При эксплуатации комплекса NICA в режиме столкновений пучков тяжелых ионов, в Нуклотроне планируется осуществлять ускорение полностью ободранных ионов от энергии инжекции примерно равной 600 МэВ/нуклон. В этом режиме при давлении остаточного газа р и 10 "7 Па (азотный эквивалент при комнатной температуре) потери частиц в течение цикла ускорения составят менее 1% [20].
Наиболее жесткие требования к вакуумным условиям соответствуют режиму ускорения частично ободранных ионов при инжекции непосредственно из линейного ускорителя (такой режим будет реализован до ввода в эксплуатацию Бустера). При этом основным механизмом потерь частиц является изменение их зарядового состояния при взаимодействии с атомами остаточного газа. Требования к вакуумным условиям в таком режиме оценивались при проектировании Бустера, и было показано, что для ограничения потерь на начальном участке ускорения в пределах нескольких процентов необходимо уменьшение давления до уровня примерно р« 1,3-10 "9 Па [21, 63]. При современном состоянии камеры Нуклотрона выполнение такой задачи не представляется реальным. Поэтому, одной из основных задач Бустера является ускорение ионов с оптимальной зарядностью до энергии, обеспечивающей их полную обдирку с эффективностью, близкой к 100%, перед инжекцией в Нуклотрон. Это практически снимет проблему потерь частиц на остаточном газе в Нуклотроне.
Поэтому, в качестве основной задачи по модернизации вакуумной системы выдвигалось требование обеспечить ее надежную эксплуатацию при давлении остаточного газа в пучковой камере не выше р 1-10 " Па [7].
Поскольку в Нуклотроне оценивается вакуум в холодном объеме, а измерения производятся «на тепле», то есть при Т = 300 К, теряет смысл однозначная оценка плотности остаточного газа по давлению. С точки зрения потерь пучка на остаточном газе имеет значение именно плотность остаточного газа, а не его давление на стенки камеры. Поэтому в дальнейшем под понятием «вакуум в камере Нуклотрона» подразумевается средняя по кольцу ускорителя величина эквивалентного давления по азоту на тепле, соответствующая плотности остаточного газа на холоде, то есть при Т = 4,5 К.
Следует заметить, что корректное измерение давления в объеме, стенки которого имеют температуру 5 - 10 К само по себе представляет отдельную экспериментальную задачу. Если учесть, что в конечном итоге необходимо получить среднее по кольцу значение концентрации молекул, то наиболее адекватным методом измерения в данном случае будет измерение декремента интенсивности пучка, циркулирующего в камере ускорителя при заданных и известных начальных условиях [22].
В качестве предпроектных работ с целью измерения интегрального значения вакуума в пучковой камере Нуклотрона был проведен ряд экспериментов. Измерения проводились по темпу потерь циркулирующих ионов Н2 , а также по потерям частиц в течение всего цикла ускорения ядерных пучков С +, Mg +, Аг и Fe с известной начальной энергией и известным темпом роста поля [23]. До начала работ по модернизации высоковакуумной системы характерное время жизни пучка ионов ti2 , циркулирующих в постоянном магнитном поле, составляла ти 0,7-10 "3 секунд. Основным процессом, определяющим потери этих ионов, является их диссоциация при столкновениях с атомами остаточного газа. Зная сечения взаимодействия и время жизни пучка ионов Н\ , можно произвести прямую оценку вакуума в камере Нуклотрона. Потери пучка на газовой мишени с плотностью пмиш равны: N(T) = NQ- ехр(-плшшсфт) , где: N(z) и N0- текущая и начальная интенсивность ионов; с — 3 10 см/сек - скорость света ; 7= 1,5-10 "16 см2 сечение потерь Я2+1 по азоту при энергии 5 Мэв/н; /?= 0,1 - относительная скорость ионов при энергии 5 Мэв/н; т - время жизни ионов в режиме циркуляции при постоянном поле, в нашем случае т= 0,7-10"3 сек. Отсюда получаем эквивалентную плотность газа в камере Нуклотрона по азоту пмиш и 7,3-109 \/см3, что соответствует вакууму в камере Нуклотрона 2,2 10 7 мм.рт.ст. или 2,9-10 5 Па. (р = пкТ= 0,73-10101/см 1,38-10"16 эрг/град -290 К = 2,92-Ю-4дин/см2 -7,5-10"4 MM.pm.cm. «2,2-10 мм.рт.ст.). ионов (С6+, Mg12+, Аг16+ и Fe24+) , из-за потерь на остаточном газе [24] можно Декремент интенсивности, ускоряемых в синхротронах пучков тяжелых эв (С6+, Mg12+, А оценить по формуле: N = Nn-e а о е , где: p - давление в камере (Па), т - время ускорения (с), Еь Еинж, Е0 - конечная энергия, энергия инжекции и энергия покоя нуклона (МэВ/нуклон), л. va(v)dv 2пЗ/2 ЫпОтС [l-(v/c)z] v - скорость иона (см/с), а- полное сечение перезарядки иона (см ). Величина интеграла R для ионов, представляющих интерес для программы работ на Нуклотроне, рассчитана в работе [25] и приведена в таблице 1.1.
Модернизация высоковакуумной системы Нуклотрона и ее результаты
Демонстрация возможности ускорения тяжелых ионов с атомной массой более 100 в Нуклотроне рассматривалась как комплексная проверка всех основных систем ускорительного комплекса подвергавшихся коренной модернизации и подготовке к работе в составе комплекса NICA.
Основными проблемами, которые необходимо было решить для успешного ускорения тяжелых ионов, являлись обеспечение интенсивности пучка при инжекции, достаточной для настройки режимов циркуляции пучка и захвата в процесс ускорения, и минимизация потерь ионов в процессе их ускорения. Величина отношения заряда к массе ионов в источнике электронно-струнного типа Крион-2 [50], используемом на ускорительном комплексе для получения тяжелых ионов в высоком зарядовом состоянии, ограничена максимально возможной энергией электронов в струне, и для ионов с А 100 в данном варианте источника она не может существенно превышать 1/3. Линейный ускоритель ЛУ-20 (изначально построенный для ускорения протонов) ранее был модернизирован с целью обеспечения возможности ускорения ионов с отношением заряда к массе q/A 1/3, однако ни ЛУ-20, ни канал транспортировки пучка в кольцо, ни сам Нуклотрон никогда ранее не использовались для ускорения ионов с таким отношением. Поэтапная подготовка всех элементов и систем ускорительного комплекса к решению этой задачи проводилась с начала 2008 года в промежутках между проведением сеансов на Нуклотроне и была завершена в 41-ом сеансе [11]. Она включала в себя следующие, относительно независимые направления: - модернизация высоковакуумной системы кольца для уменьшения потерь тяжелых ионов на остаточном газе; - оптимизация режимов работы источника Крион-2 для получения многозарядных тяжелых ионов; - модернизация источников питания элементов канала транспортировки от ЛУ-20 до Нуклотрона; - подготовка ЛУ-20 к работе с ионами с q/A =1/3; - отработка режимов работы кольца Нуклотрона при ускорении ионов с q/A =1/3.
Основные потери тяжелых ионов в процессе ускорения определяются взаимодействием с атомами остаточного газа, приводящим к изменению зарядового состояния ионов. Для тяжелых ионов на начальном участке ускорения превалирует процесс захвата электрона, а при высокой энергии -процесс обдирки.
Сечения потерь и подхвата электронов при взаимодействии ускоряемого пучка с молекулами остаточного газа в камере ускорителя можно определить по эмпирическим формулам В. Franzke [29]:
Однако, согласно [29] сечение перезарядки U падает после 90 МэВ/нуклон как Е 5, что несколько расходится с экспериментальными данными, приведенными в работах [30, 31], в соответствии с которыми сечение падает как Е 0,77 на азоте и Е 0,97 на водороде при энергиях больше 10 - 20 МэВ/нуклон. На рис. 2.1 приведены две кривые: первая соответствует сечениям, рассчитанным по методике [29], а вторая кривая рассчитана с учетом экспериментальных данных [30].
Соответствующие вакуумные условия в пучковой камере Нуклотрона были достигнуты по завершении первой очереди модернизации вакуумной системы [10], что явилось основной предпосылкой к проведению экспериментов по ускорению тяжелых ионов. Однако даже при оптимистичных оценках потерь ионов на разных этапах процесса ускорения ожидаемое количество ускоренных ионов не может превышать долей процента от их количества на выходе из источника, поэтому самое серьезное внимание было уделено развитию средств диагностики пучков низкой интенсивности. Решению задачи минимизации потерь тяжелых ионов в процессе ускорения также способствовали работы по вводу в опытную эксплуатацию цифровой системы управления частотой ускоряющего поля и оптимизации режима работы аппаратуры управления главным магнитным полем синхротрона [11].
2.1. Оптимизация режима работы источника «Крион-2»
В качестве кандидатов на ускорение в Нуклотроне рассматривалось несколько сортов ионов, в том числе, например, ионы йода. Основными критериями при отборе были энергия ионизации до требуемого зарядового состояния, простота инжекции атомов в электронную струну источника, возможность реализации ион-ионного охлаждения и т.д. В результате предварительных экспериментов окончательный выбор был сделан в пользу разделенного изотопа шХе, у которого в зарядовом состоянии 42+ отношение заряда к массе q/A = 42/124=0.3387 1/3, что удовлетворяет требованиям ЛУ-20, а энергия ионизации составляет 3,07 кэВ.
В течение 2009 г. на источнике Крион-2 было проведено 4 сеанса (по 5 недель каждый) с целью отработки оптимальных режимов получения высокозарядных ионов Хе. Сначала для отработки режимов инжекции и ионизации использовался разделенный изотоп криптона - 84Кг. Отношение заряда к массе равное 1/3 соответствует у этого иона зарядовому состоянию 28+, энергия ионизации для которого равна 2,95 кэВ. Идентификация ионов на выходе источника проводилась времяпролетным (TOF) методом [32].
Во времяпролетном спектре ионов криптона (рис. 2.3) наблюдается хорошее разделение по зарядовым состояниям. В дальнейшем положение линий Кг использовалось для определения зарядностей ионов ксенона (рис. 2.4), в спектре которого линии не разделяются.
Подготовка Лу-20 к ускорению ионов с q/A = 1/3
Дальнейшего улучшения качества поля можно добиться путем оптимизации формы ферромагнитного экрана. В любом случае, обеспечение требуемых для строительства синхротронов допусков на нелинейность магнитного поля в апертуре диполя может быть достигнута введением активной коррекции секступольной составляющей [45].
Работы по проектированию магнитов с полем до 4 Тл продолжались в рамках разработки концепции синхротрона SIS300 (проект FAIR [49], Дармштадт, Германия) и компактной версии коллайдера NICA.
Тем не менее, благодаря своей простоте в изготовлении и высоким эксплуатационным качествам для создания магнитной структуры Бустера проекта NICA [54] были выбраны сверхпроводящие магниты типа «оконная рама» с максимальным полем 1.8 Тл [41, 48]. Технология изготовления таких магнитов, которые также называют «магнитами типа Нуклотрон» давно отработана в ОИЯИ и возможность производства и испытания сверхпроводящих элементов для сооружения бустера в ближайшие годы без проведения длительного цикла R&D, представляется вполне реализуемой задачей [55]. 3.2. Бустер проекта NICA
Основной задачей Бустера комплекса NICA [20, 52] является ускорение 32+ її пучка ионов золота Аи до энергии, достаточной для их эффективной А 79+ гл. перезарядки в ядра с зарядовым состоянием Аи . Этим определяется величина максимальной магнитной жесткости такого синхротрона, которая должна быть не ниже 25 Тл-м [50]. Темп роста главного магнитного поля 1 Тл/с соответствует оптимальному режиму работы всех элементов инжекционной цепочки комплекса NICA [51]. После частичного демонтажа электромагнита Синхрофазотрона открылась возможность размещения синхротрона с периметром около 200 м внутри стального ярма этого магнита (рис. 3.7, 3.8). В данной главе описывается проект такого синхротрона.
Бустер - сверхпроводящий тяжелоионный синхротрон с периметром орбиты 211,2 м, максимальной магнитной жесткостью 25 Тл-м. При ускорении ионов золота Аи максимальная энергия составит 600 МэВ/н. Инжекция пучков в Бустер осуществляется из инжектора тяжелых ионов, размещаемого в пристройке к зданию Синхрофазотрона (корпус 1).
Магнитная система Бустера состоит из четырех квадрантов, поворотные участки которых размещаются внутри ярма магнита Синхрофазотрона, а прямолинейные промежутки совпадают с соответствующими промежутками магнита Синхрофазотрона. В центре каждого прямолинейного промежутка располагается квадрупольная линза, которая делит его на две секции длиной 4 м каждая.
Кроме структурных магнитов и линз магнитная система включает в себя мультипольные корректоры для компенсации погрешностей основного ПОЛЯ (диполи, квадруполи) и нелинейностей магнитного поля (секступоли, октуполи). Вакуумная система обеспечивает откачку пучковой вакуумной камеры до давления не выше 1,3-Ю-9 Па. В вакуумной камере Бустера размещаются коллиматоры для поглощения выбывших из ускорения ионов, изменивших зарядовое состояние при взаимодействии с остаточным газом.
Система инжекции, включает в себя септумный магнит, расположенный в первой прямолинейной секции Бустера (принята нумерация прямолинейных секций Бустера начиная от точки инжекции и далее по ходу пучка: против часовой стрелки), и три импульсных отклоняющих устройства создающих локальное смещение равновесной орбиты, расположенных в этой же секции. Система медленного вывода пучка в направлении малого экспериментального павильона (здание 1 Б) состоит из электростатического септума и септум-магнита, расположенных во второй прямолинейной секции, а также канала медленного вывода пучка. Система быстрого (однооборотного) вывода включает в себя ударный магнит и септум-магнит, расположенные в третьей прямолинейной секции. Система высокочастотного питания обеспечивает ускорение пучка от энергии инжекции до 100 МэВ/нуклон на четвертой кратности частоты обращения и от 100 МэВ/н до максимальной энергии на первой кратности частоты обращения. Она включает в себя две ускоряющие станции, расположенные в четвертом прямолинейном промежутке. Кроме того в Бустере предусмотрено размещение системы электронного охлаждения, систем диагностики пучка, управления и радиационного контроля. Основные параметры Бустера приведены в таблице 3.3, расположение элементов основных систем - на рисунке 3.8.
Конструкция структурных магнитов и линз
Вакуумная система Бустера состоит из вакуумных систем пучковой камеры и изолирующего объема криогенной части ускорителя. В пучковой камере размещаются коллиматоры для поглощения ионов, изменивших зарядовое состояние при взаимодействии с остаточным газом. Кроме того, вакуумная система содержит устройства системы диагностики и управления.
При общей длине Бустера 211,2 м, его "холодная" часть составляет 180 м, а "теплые" прямолинейные промежутки 36 м. Поверхность "холодной" части пучковой вакуумной камеры камеру).
Оценка площадей "холодной" и "теплой" поверхностей дают величины для "холодной" - 54 м и "теплой" -11м имеет температуру Т 10 К, "теплой" -комнатную, Т 300 К. Парциальный состав остаточных газов [58, 59], с высокой достоверностью будет состоять из: - "теплая" часть - Н2 90 % и 10 % - СО, СН4, С02, - "холодная" часть - водород и гелий (при наличии течей из изолирующего вакуумного объема в пучковую (поперечные размеры пучковой камеры 0,13x0,066 м). Площадь камеры на единицу длины составит 0,3 м2/м.
При выполнении современных требований подготовки поверхностей стенок пучковой камеры, изготовленной из соответствующей таким требованиям нержавеющей стали, удельная величина газовыделения для "теплых" поверхностей составляет Q 10 -10 л-Торр-см -с [52]. При Q = 10 л-Торр-см -с , для получения давления Р 1,3-10 Па потребуется скорость откачки по водороду -15000 л/с или по три насоса с производительностью 1250 л/с на каждый прямолинейный участок. Кроме того, эти участки должны иметь систему термообезгаживания на месте при температуре 300 С.
В криогенной части пучковой камеры величина газоотделения холодных поверхностей на порядки меньше приведенных выше оценок, а скорость откачки, за исключением водорода и гелия, на порядки выше. Установив для откачки гелия и водорода дополнительные криосорбционные насосы, содержащие активированный уголь, можно с уверенностью рассчитывать на давление Р 1,3- Ю-10 Па [61]. Средняя величина статического давления по кольцу в этом случае будет равна Р 4-1 (Г10 Па. Потери ускоряемых ионов Аи+32 при таком среднем вакууме составят 0,1 % [63]. В этом случае при интенсивности пучка Ninj МО10 ионов и перехвате -90% теряемых ионов специальной системой коллиматоров, стенок камеры достигнет 106 ионов [58], что при коэффициенте вторичноэмиссионной десорбции МО4 [62], приведет к динамическому вакууму Р 4,4-10 10 Па.
В середине каждого прямолинейного промежутка Бустера расположены холодные квадрупольные линзы, которые делят четыре промежутка на восемь длиной 4 м каждый, из которых только три находятся при комнатной температуре. Это обстоятельство понижает сделанную ранее оценку среднего вакуума до Р 2-Ю"10 Па.
Вакуумная система изолирующего объема криогенной части ускорителя не требует сверхвысокого вакуума, вполне достаточно давление порядка 1,3-Ю-4 Па. Для предварительной откачки этого объема до давления Р 1,3-10-2 Па необходимы турбомолекулярные насосы с безмасляными ("сухими") форвакуумными насосами. Наличие огромной криогенной поверхности обеспечит получение требуемого высокого вакуума в изолирующем объеме. Сделанные оценки определяют состав оборудования вакуумной системы (табл. 3.10) и размещение оборудования по периметру Бустера (рис. 3.16). QVP - форвакуумный насос @гар - турбомолекулярный насос fcbw - магниторазрядный насос (fj isp - титановый сублимационный насос @ АР - адсорбционный насос вакуумный датчик с горячим катодом - вакуумный датчик с холодным т !ссс катодом шибер - теплый прямолинейный участок Рис. 3.16. Схема размещения оборудования системы вакуумной откачки одного квадранта Бустера NICA.
В состав вакуумного оборудования должны войти также устройства автоматического контроля параметров и передачи информации на пульт управления элементами системы откачки. Основным процессом, приводящим к потере ионов в Бустере, является изменение их зарядового состояния при взаимодействии с атомами остаточного газа. Для уменьшения влияния динамического изменения давления в пучковой камере при ускорении, перезаряженные ионы поглощаются в специальных ловушках - коллиматорах [58]. В каждом из 4-х суперпериодов оптической структуры устанавливается по 11 коллиматоров. На рис. 3.17 показано расположение 11 коллиматоров (обозначения С1, ... С11) в структуре суперпериода, горизонтальная огибающая циркулирующего пучка после инжекции ионов Аи32+ (темный цвет) в и огибающая траекторий перезаряженных ионов Аи33ь (светло-голубой цвет), а огибающая траекторий перезаряженных ионов Аи 3+ (светло-голубой цвет), а также распределение поглощаемых ядер (в % от полной интенсивности пучка).
Огибающие траекторий ускоренных ионов Аи + (темный цвет) и перезаряженных Аи (светло-голубой цвет) и их распределение по 11 коллиматорам в суперпериоде.
Из рисунка видно, что ионы с зарядом q = +33 поглощаются на коллиматорах, расположенных с внутренней стороны камеры. При этом коллиматоры вдвигаются внутрь камеры так, что отношение радиальной координаты внутреннего края коллиматора к огибающей циркулирующего пучка (q = +32) после инжекции на азимуте коллиматора составляет 1,2. Над обозначением каждого коллиматора стоит число, показывающее, какой процент ионов с q = +33 попадает на данный коллиматор. В верхнем правом углу указан суммарный процент (s) ионов с q = +33, попадающих на все коллиматоры (в данном случае s = 100 % в пределах точности расчета). Каждый коллиматор представляет собой клиновидную пластину шириной 5г, размещенную на расстоянии 5] от оси пучковой камеры под углом а (рис. 3.18) [50].
