Проекты XXI века

Год под знаком Бустера

2019 год в Лаборатории физики высоких энергий прошел под знаком бустера для проекта NICA. Это один из самых ответственных этапов, поскольку речь идет не только о создании ускорителя, но и отработке принципиально новых технологий, конструкторских решений, инженерных приемов. Многие работы в Объединенном институте ядерных исследований выполнялись впервые. Для этого привлекались специалисты из научных центров мира. Рассказать о том, зачем нужен бустер, какие процессы в нем происходят, из каких систем он состоит, мы попросили младшего научного сотрудника ЛФВЭ Михаила ШАНДОВА.

Как известно, экспериментальная программа проекта NICA рассчитана на работу с пучками ионов вплоть до золота. Ускорение пучка до рабочей энергии, необходимой для эксперимента, может происходить двумя способами. Пучок поляризованных протонов, дейтронов или легких ионов из источника попадает в линейный ускоритель ЛУ-20, затем инжектируется в Нуклотрон, где ускоряется до необходимой энергии и выводится либо в экспериментальный зал, например к установке BM@N, либо транспортируется в коллайдер. Пучки тяжелых ионов из источника КРИОН подаются в новый линейный ускоритель тяжелых ионов HILAC (Heavy Ion Linear Accelerator), затем инжектируются в сверхпроводящий бустер и только после ускорения и полной обдирки электронов передаются в Нуклотрон. Причин для организации двух отдельных инжекционных цепочек довольно много, но сейчас речь пойдет только о роли нового бустерного синхротрона или, как его еще называют, бустера.

На первый взгляд, бустер очень похож на Нуклотрон, и возникает справедливый вопрос: "Зачем нужны два, казалось бы, одинаковых ускорителя?" Полный ответ не уместить в небольшой газетной статье, ведь в техническом проекте комплекса NICA он занимает отдельный том. Однако попробуем пролить свет на самое главное.

Процесс ускорения

В состав атома химического элемента (или иона) входит ядро, состоящее из положительно заряженных протонов и нейтронов. У электрически нейтрального атома количество электронов на оболочках равно количеству протонов, но в случае потери или захвата электрона атом превращается в ион, заряд которого определяется количеством "лишних" или "потерянных" электронов. Для получения положительно заряженных ионов создают специальные установки - источники многозарядных ионов или ионизаторы, в нашем случае, электронно-струнный источник КРИОН (КРИогенный ИОНизатор).

Чем тяжелее химический элемент ион, которого требуется получить для дальнейшего ускорения, тем больше электронов нужно удалить с его оболочек, и тем сложнее это сделать из-за роста энергии, требуемой для ионизации с каждым следующим электроном. Удалить в источнике все электроны с оболочек атома тяжелых элементов практически невозможно. Для примера рассмотрим пучок ионов золота ¹⁹⁷Au³¹⁺, принятый основным в проекте на этапе инжекции в Бустер. Как видно, с оболочек иона ¹⁹⁷Au³¹⁺ удален всего 31 электрон из 79, а общее количество нуклонов в ядре составляет 197. Таким образом, массовое число более чем в 6 раз превышает заряд иона, а эффективность ускорения определяется именно этим соотношением. С другой стороны, в процессе ускорения любой пучок встречается с большим количеством возмущающих факторов (молекулы остаточного газа, неоднородности магнитных и электрических полей и пр.), которые могут привести к перезарядке ионов, неустойчивости движения и потере пучка. В этом и кроется одна из сложностей ускорения ионных пучков - чем тяжелее ионы, тем сложнее его ускорить, а значит, в процессе ускорения пучок будет дольше подвергаться влиянию факторов, способных привести к потере.

Главная задача бустера - обеспечить ускорение пучка после линейного ускорителя HILAC до энергии 600 МэВ/н (мега электрон-вольт на нуклон), после чего пучок переводится в Нуклотрон, проходя при этом через станцию обдирки, после которой в пучке останутся уже только "голые" ядра.

Магнитная система

Бустер состоит из четырех поворотных участков, состоящих из дипольных и квадрупольных магнитов, и четырех прямолинейных, необходимых для инжекции пучка, размещения ускоряющей высокочастотной (ВЧ) системы, вывода пучка и размещения системы электронного охлаждения.

Магнитная структура бустера, как и Нуклотрона и коллайдера, является сверхпроводящей. Поэтому при разработке магнитов бустера и коллайдера использовался опыт, полученный при производстве магнитной системы Нуклотрона. Это магниты, формирующие магнитное поле железным ярмом с обмоткой, выполненной из трубчатого сверхпроводящего кабеля типа "Нуклотрон". Технология изготовления таких магнитов является уникальной и разработана в ЛФВЭ. В этой же лаборатории в Научно-экспериментальном отделе сверхпроводящих магнитов и технологий производятся все магниты для проекта NICA, а также для ускорителя SIS100 проекта FAIR, сооружение которого ведется в институте GSI (Дармштадт, ФРГ).

Длина орбиты пучка в ускорителе определяется интегральной величиной магнитного поля дипольных магнитов (они имеют два полюса и используются для отклонения пучка в нужном направлении). Поскольку бустер размещается внутри железного ярма легендарного синхрофазотрона (см. фото), то периметр его орбиты задан геометрией тоннеля (210,96 м). С другой стороны, соотношение радиуса поворота и длины диполя накладывает ограничение на размер горизонтальной апертуры (размер окна для пучка), который определяет величину энергии, запасенной в магнитном поле и, соответственно, энергоэффективность всего кольца. Решить проблему минимизации запасенной энергии с сохранением требуемой геометрии получилось с помощью создания изогнутого "секторного" дипольного магнита, радиус кривизны которого (14,09 м) соответствует радиусу орбиты ускорителя (см. фото). Такое решение позволило получить нужные параметры при поле в 1,8 Тл и было применено впервые для сверхпроводящих магнитов.

Другим важным элементом магнитной (или оптической) структуры бустера являются квадрупольные магниты (они имеют четыре полюса и используются для поперечной фокусировки пучка в горизонтальной или вертикальной плоскостях, поэтому их часто называют линзами). Как и оптическая структура телескопа, магнитная структура ускорителя состоит из чередующихся фокусирующих и дефокусирующих квадрупольных магнитов, каждый из которых производит фокусировку в одной и дефокусировку в другой плоскостях. Важно отметить, что такая последовательность линз в конечном счете оказывает фокусирующее действие. Одной из особенностей квадрупольных магнитов бустера является соединение фокусирующего и дефокусирующего магнитов в единый дублет (см. фото), в центральной части которого располагается диагностическое оборудование, измеряющее положение пучка, и корректирующий дипольный магнит. На некоторых дублетах со стороны одной из линз также устанавливается и мультипольный корректор. Такое решение позволило сократить количество стыков магнитных элементов и вписаться в необходимую геометрию кольца.

Данные корректоры выполняют важную задачу компенсации различного рода погрешностей (систематических и случайных), без которых невозможны изготовление и сборка ни одного технического изделия. По этой причине каждая обмотка в корректоре имеет отдельный, независимый от остальных, источник питания. Дипольные корректоры, как видно из названия, компенсируют ошибки магнитного поля в дипольных магнитах, а также позволяют переместить пучок на заданную орбиту. Мультипольные корректоры необходимы для коррекции различных неоднородностей магнитного поля, которые еще называют мультипольными ошибками, и других эффектов, негативно влияющих на динамику движения пучка в ускорителе (хроматические аберрации, связь вертикального и горизонтального движений пучка и другие).

Вакуумная система

Еще одним серьезным отличием бустера от Нуклотрона является вакуумная система. Из школьного курса физики все мы помним, что давление газа в некотором объеме обусловлено столкновением молекул газа со стенками сосуда, ограничивающего данный объем. Если мы хотим вычислить это давление, потребуются параметры среды: температура, состав газа, форма и материал стенок сосуда и пр. Однако для нас наиболее важен именно тот факт, что давление связано с количеством молекул газа. Представим следующую ситуацию - пучок заряженных частиц движется сквозь некоторый объем с газом. Несложно догадаться, что ввиду движения молекул этого газа наш пучок будет сталкиваться с ними, и количество таких столкновений будет зависеть от количества молекул газа. Такие столкновения будут приводить, в первую очередь, к изменению зарядового состояния ионов ("потере" или "подхвату" электронов), а в результате к выбыванию частиц из процесса ускорения. Причем, чем меньше энергия пучка, тем сильнее этот эффект.

Теперь вернемся к бустеру. За время нахождения в ускорителе пучок будет совершать более миллиона оборотов каждую секунду (в процессе ускорения частота обращения пучка изменяется в диапазоне 0,12-1,12 МГц). Именно поэтому, чем более высокий вакуум удастся получить внутри пучковой камеры, тем меньше частиц пучка будет потеряно из-за перезарядки на молекулах остаточного газа и тем большей интенсивности пучка (количества частиц) возможно достичь. Ожидаемая величина давления остаточного газа в пучковой камере бустера составляет 10^-9 Па. Для примера, на линии Кармана, которая проходит на расстоянии 100 км от уровня моря и является границей атмосферы Земли и открытого космоса, давление составляет примерно 3,2·10^-2 Па. Достижение такого уровня вакуума, который еще называют сверхвысоким вакуумом, - сложная техническая задача, которая требует не только разработки специальных систем откачки остаточного газа, но и предъявляет особые требования к уплотнению соединений, технологии сборки и подготовки поверхностей пучковых камер. Например, при производстве пучковых камер необходимо максимально удалить молекулы газов из кристаллической решетки материала стенок камеры (технологиями, позволяющими это делать в промышленном масштабе, обладает всего несколько предприятий во всем мире), а соединение камер между собой происходит только в специальных помещениях (чистых комнатах).

Система электронного охлаждения

После ускорения в бустере пучок переводится в Нуклотрон для дальнейшего ускорения, проходя при этом через станцию обдирки. Для эффективного перевода, а также для снижения влияния случайных погрешностей в различных системах установки, бустер оснащен системой электронного охлаждения (СЭО). Метод электронного охлаждения пучка разработан и впервые реализован в СССР академиком Г.И.Будкером в Институте ядерной физики. Этот научный институт и по сей день остается флагманом метода электронного охлаждения и занимается производством и обслуживанием СЭО для ускорительных центров во всем мире. Не стал исключением и проект NICA, где СЭО имеются в бустере и строящемся коллайдере. Процесс заключается в совмещении пучка "холодных" электронов с пучком "горячих" протонов или ионов, следующих в одном направлении и с одной скоростью. В результате совместного движения пучки обмениваются температурами, затем разогревшийся пучок электронов отводится, и на следующем обороте пучок ионов совмещается с новым "холодным" пучком электронов. Чтобы избежать ограничений, связанных с действием сил пространственного заряда, охлаждение будет производиться при энергии ионов, равной 100 МэВ/н в течение одной секунды, после чего ускорение продолжается. Монтаж СЭО для бустера начат в апреле 2017 г. (см. фото), в этом же году были выполнены все тесты и сейчас система также ожидает запуска всего ускорителя.

Вместо заключения

Вот и подошло к концу наше краткое знакомство с бустером. Конечно, хотелось бы рассказать еще про множество других не менее важных систем: ускоряющую ВЧ станцию, систему электрического питания и эвакуации запасенной в магнитах энергии, криогенную систему, систему диагностики, управления и контроля и другие. Но для этого мы еще не раз встретимся вновь на страницах еженедельника. Кроме того, не стоит забывать, что за каждой системой ускорителя, каждым элементом и каждым успешным оборотом пучка в ускорителе стоит огромная работа людей, выполняющих сложные инженерные, математические расчеты и моделирование. Ведь бустер не строит себя сам.

В завершение хотелось бы поздравить всех с наступающим Новым 2020-м годом, пожелать новых перспектив и свершений, всех благ вам и вашим близким! И пока Новый год приближается к нашим домам, мы, участники проекта NICA, приближаем запуск бустера, коллайдера и начало первых экспериментов на этих новых уникальных установках.

Под редакцией Андрея БУТЕНКО