Комментарий к событию

Запущен линейный ускоритель тяжелых ионов

В Лаборатории физики высоких энергий в этом году состоялось важное долгожданное событие: запущен один из главных инжекторов для будущего коллайдерного комплекса NICA - линейный ускоритель тяжелых ионов.

К началу текущей семилетки физическая программа и структура будущего ускорительного комплекса NICA в общих чертах были определены. На первом этапе работы в коллайдере будут сталкиваться ядра тяжелых элементов, а второй этап будет посвящен исследованиям по физике спина на поляризованных пучках протонов и дейтронов. Для получения интенсивных пучков легких ядер существенного изменения существующего ускорительного комплекса не требуется - необходимую интенсивность пучков можно получить непосредственно в Нуклотроне. А для тяжелых ионов ситуация намного сложнее. Удалить все электроны у атома (а только при столкновениях ядер можно получить максимальную энергию и эффективность использования пучков в коллайдере) непосредственно в источнике ионов практически невозможно. Поэтому необходимо сначала ускорить ионы до некоторой промежуточной энергии, удалить у них все электроны и уже затем ускорять ядра до энергии эксперимента. Чтобы на начальном этапе ускорения избежать потерь ионов из-за перезарядки на остаточном газе, необходимо обеспечить сверхвысокий вакуум в пучковой камере циклического ускорителя.

К сожалению, технология, применявшаяся при изготовлении Нуклотрона, не позволяет получить требуемые условия. Если пучок дейтронов, захваченных в режим ускорения, ускоряется в Нуклотроне практически без потерь, то, например, при ускорении ионов ксенона потери составляли около 90 процентов. Решить эту проблему можно путем создания небольшого промежуточного ускорителя - бустера, в пучковой камере которого давление будет в 1000 раз меньше, чем у Нуклотрона, и уже предварительно ускоренный пучок переводить в Нуклотрон, где ускорять до энергии эксперимента. Но для инжекции в бустер нужен специализированный линейный ускоритель тяжелых ионов. Для получения требуемых параметров пучков в коллайдере линейный ускоритель должен обеспечивать ток ускоренного пучка до 10 миллиампер. Это не мировой рекорд, но в России никогда раньше ускорители тяжелых ионов с таким большим током не создавались.

Огромный опыт по созданию сильноточных ускорителей протонов накоплен в Институте физики высоких энергий в Протвино, где с начала 70-х годов ХХ века под руководством В.А.Теплякова было разработано и изготовлено несколько поколений линейных ускорителей для прикладных целей и для инжекции в бустер Серпуховского синхротрона. Поэтому именно в ИФВЭ мы обратились с просьбой подготовить проект линейного ускорителя тяжелых ионов для комплекса NICA. Наши коллеги из Протвино провели расчеты динамики частиц, разработали конструкцию резонаторов и генератора высокочастотной мощности. К сожалению, загрузка производственной базы ИФВЭ не позволяла изготовить еще один ускоритель. В результате долгих поисков и переговоров с ускорительными центрами в России удалось найти потенциального изготовителя ускоряющих резонаторов - им оказался ВНИИЭФ из Сарова. Проект, подготовленный совместно ОИЯИ, ИФВЭ и ВНИИЭФ, был представлен в дирекцию ОИЯИ. Стоимость такого ускорителя составляет примерно 10 миллионов долларов, поэтому было решено провести тендер на его изготовление.

В качестве второго участника тендера выступила западногерманская фирма BEVATECH. И хотя название фирмы мало что говорит специалисту по ускорителям, ее участие было совсем не случайным. В числе ее сотрудников такие известные ускорительщики, как Ульрих Ратзингер (в 1989 году он предложил новый тип линейного ускорителя тяжелых ионов для ускорительного центра в Дармштадте) и Элвин Шемп (автор оригинальной конструкции резонатора для начальной части ускорителя). Именно их разработки и были положены в основу проекта ускорителя для ОИЯИ. Еще одной оригинальной чертой немецкого проекта было использование высокочастотного генератора на транзисторах, а не на лампах. Ламповая техника во всем мире постепенно уходит в прошлое, и если смотреть на несколько десятилетий вперед, то такое решение, несмотря на отсутствие в мире опыта эксплуатации линейных ускорителей с мощными генераторами на полупроводниках, представляется наиболее перспективным.

Сделать выбор между двумя проектами был сложно: по техническим характеристикам и по цене проекты были достаточно близкими. Но, несмотря на вполне понятное желание поддержать своих коллег из России, выбор был сделан в пользу Германии. Одним из важнейших аргументов стал успешный ввод в эксплуатацию ускорителя ионов золота, изготовленного в BEVATECH для Брукхейвенской национальной лаборатории в США, - очень близкого аналога ускорителя для ОИЯИ. Таким образом было продемонстрировано наличие у коллег из Германии всех элементов технологии, тогда как для Сарова это была совершенно новая разработка. Гарантия успешного выполнения проекта в требуемые сроки фактически перевесила все остальные аргументы.

Немецкие коллеги очень ответственно и заинтересованно подошли к выполнению этой работы. Кроме изготовления резонаторов и других элементов ускорителя, кропотливая работа была проведена по поиску изготовителя высокочастотного генератора, в результате которой заказ был передан фирме TOMCO из Австралии. В Германии был организован краткий курс обучения молодых сотрудников ОИЯИ - будущих хозяев установки. На всех этапах ввода оборудования в эксплуатацию эксперты из Германии приезжали к нам в Институт и не жалея времени работали в пультовой совместно с сотрудниками лаборатории.

Но было бы неправильно решить, будто ускоритель привезли из Германии, включили и сразу получили пучок. Для пуска ускорителя в ОИЯИ были проделаны работы не меньшего объема, чем потребовало его изготовление. Чтобы разместить ускоритель, была проведена реконструкция трех этажей здания, на первом этаже установлена специальная жесткая стальная рама для установки всех секций ускорителя, на втором этаже возведено новое помещение для усилителей мощности, которые после поставки были испытаны на эквивалентной нагрузке. В здании были полностью заменены все инженерные системы, спроектирована и запущена современная система кондиционирования и вентиляции. Кроме того, в ОИЯИ были разработаны, изготовлены и смонтированы следующие системы ускорителя:

• высоковольтная платформа источника ионов с разделительным трансформатором на 160 кВА;
• электростатическая система формирования пучка с ускоряющей трубкой до 120 кВ и ее высоковольтной импульсной системой питания;
• канал транспортировки пучка низкой энергии для инжекции в первую секцию;
• вакуумная система ускорителя;
• система высокочастотного питания, включающая в себя задающий генератор на пять каналов, для управления на низком уровне мощности и необходимые мощные фидерные линии;
• система питания двенадцати магнитных фокусирующих линз;
• системы синхронизации, диагностики и управления ускорителем.

Для определения энергии ускоренных ионов разработан и создан анализатор спектра на основе дипольного магнита.

В этих работах принимали участие и наши коллеги из стран-участниц, и специалисты из российских ускорительных центров. Так, например, основные элементы вакуумной системы ускорителя были поставлены чешской фирмой "Вакуум-Прага", а в разработке систем диагностики пучка активное участие принимали специалисты из ИЯИ РАН.

В результате пятилетнего упорного труда в 2016 году работы по изготовлению и монтажу ускорителя были успешно завершены: в октябре на выходе был получен пучок ускоренных ионов с параметрами, близкими к проектным.

"Можно сказать, что запуск этого линейного ускорителя тяжелых ионов стал очень важным событием на пути к воплощению проекта NICA, - в интервью журналистам сказал Андрей Бутенко, начальник ускорительного отделения ЛФВЭ. - Безусловно, предстоит сделать еще очень многое: построить и запустить кольца бустера и коллайдера, каналы транспортировки пучков, экспериментальные установки, создать совершенно новую криогенную и инженерную инфраструктуру комплекса - впереди еще очень много работы. Но, тем не менее, этот запуск можно считать первым большим шагом на длинном пути".

Анатолий СИДОРИН