Проекты XXI века

Рекордные параметры охлаждения частиц

Системы электронного охлаждения предназначены для сжатия пучков тяжелых заряженных частиц в ионных ускорителях. Охлаждение необходимо для повышения эффективности эксперимента: чем холоднее пучок, тем больше в нем плотность частиц, и тем больше интересных событий увидят физики, сталкивая их друг с другом, или в результате направления пучка на статичную мишень. В совместной работе специалистов Института ядерной физики имени Г.И.Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Объединенного института ядерных исследований получены рекордные параметры охлаждения частиц. В результате в эксперименте в два раза увеличена скорость набора событий, а значит, и его эффективность.

Сильное взаимодействие заряженных частиц хорошо изучено в области высоких энергий. При этом экспериментальные данные в области низких и средних энергий, важные для понимания внутренней структуры и динамики адронов, недостаточны и зачастую противоречивы. Поэтому прецизионное исследование этих диапазонов - интересная и актуальная задача для исследователей. В частности, над такими задачами работают физики тяжелоионного коллайдера NICA в ОИЯИ. Предложенный в ИЯФ СО РАН академиком Г.И.Будкером метод электронного охлаждения, связанный с уменьшением разброса частиц по импульсам, оказался одним из важнейших инструментов для повышения качества ионных пучков и изучения плотной кварк-глюонной плазмы.

Основной принцип экспериментов в физике высоких энергий - чем больше плотность частиц, тем выше качество исследования. Эксперименты могут проходить в коллайдере, где пучки частиц соударяются друг с другом, а также в результате столкновения со статичной мишенью. Но в обоих случаях эффективность зависит от плотности потока ионов: чем сильнее сжаты пучки, тем больше физики наберут статистических данных.

"Метод электронного охлаждения позволяет в тысячи раз уменьшить фазовые объемы охлаждаемых пучков. Для этого холодные электроны направляются магнитным полем из электронной пушки в кольцо ускорителя, в случае эксперимента в Дубне это сверхпроводящий бустерный синхротрон. Здесь они соединяются с горячими ионами, некоторое время движутся по кольцу вместе и за счет столкновений охлаждают ионы. Неохлажденный пучок ионов занимает большую часть поперечного пространства камеры, и добавлять в него новые частицы малоэффективно. Если же ионы охладить, они сожмутся в тонкий шнур, освобождая место для еще одной инжекции. Плотность энергии у таких пучков существенно выше, чем у неохлажденных. За счет этого можно накапливать в десятки раз больше частиц. Ни одна научная организация в мире не умеет делать оборудование такого класса. Электронные системы охлаждения открыли настолько широкие перспективы, что в настоящее время ионные накопители без них практически не используются", - пояснил заместитель директора ИЯФ СО РАН по научной работе Евгений Левичев.

Система электронного охлаждения бустера NICA предназначена для накопления пучка ионов при инжекции (на энергии ионов 3,2 МэВ/н), а также для его подготовки к эффективному перепуску в кольцо Нуклотрона на промежуточной энергии (~65 МэВ/н). В сеансе 2023 года на накопительном тяжелоионном комплексе ОИЯИ в составе синхротронных колец бустера и Нуклотрона было получено первое в России электронное охлаждение тяжелых ионов, которое было использовано для повышения эффективности работы исследовательской установки BM@N.

Заместитель начальника по научной работе Ускорительного отделения ЛФВЭ Анатолий Сидорин отметил, что в последнем сеансе, проведенном в 2022-2023 гг., в результате оптимизации работы всех систем достигнута рекордная для Нуклотрона интенсивность пучка ядер ксенона (свыше 10⁷ ядер за цикл), ускоренных до энергии 3,9 ГэВ/нуклон. Более месяца ускорительный комплекс стабильно отработал на эксперимент BM@N, на энергии 3,9 ГэВ/нуклон было записано примерно 500 миллионов событий, и еще примерно 50 миллионов на энергии 3 ГэВ/нуклон.

"Проведен широкий цикл прикладных исследований по программе коллаборации ARIADNA, - пояснил исполняющий обязанности директора ЛФВЭ Андрей Бутенко. - Последовательно исследовались защитные свойства, радиационная стойкость и радиомодификация новых композитных материалов для космической отрасли, радиационные модификации в сапфирах (Al₂O₃), политерафторэтиленовых, полиэтилентерефталатных, полиэтиленовых и полиимидных пленках. Проведено облучение ВТСП (высокотемпературный сверхпроводник) лент с целью изучения возможности повышения критического тока. В рамках программы Plants and vegetation in space облучены 16 контейнеров с семенами различных растений. Проводился активационный анализ материалов при облучении релятивистскими тяжелыми ионами. На установке СОЧИ (станция облучения чипов, расположена на выходе линейного ускорителя) было проведено облучение ионами ксенона термо-радиационно-модифицированных политетрафторэтиленовых (ТРМ-ПТФЭ) пленок. На двух энергиях проведены исследования взаимодействия пучка ксенона с внутренними мишенями Нуклотрона из вольфрама и серебра".

Электронное охлаждение пучка тяжелых ионов, полученное совместными усилиями специалистов ИЯФ СО РАН и ОИЯИ, позволило увеличить вдвое скорость набора данных во время экспериментов по изучению плотной барионной материи на фиксированной мишени и получить новые интересные экспериментальные данные.

"Успешная работа системы электронного охлаждения позволила сформулировать концепцию дальнейшего повышения интенсивности ускоренных пучков тяжелых ионов, состоящую в накоплении пучка на энергии инжекции в продольной фазовой плоскости с электронным охлаждением. Увеличение интенсивности ускоренных пучков является принципиальным для работы коллайдера тяжелых ионов, ввод которого в эксплуатацию запланирован на 2025 год", - прокомментировал Анатолий Сидорин.

Метод электронного охлаждения, предложенный и впервые реализованный в ИЯФ СО РАН имени Г.И.Будкера, нашел применение во многих зарубежных научных центрах. В Российской Федерации электронное охлаждение в ядернофизическом эксперименте использовалось впервые. "Идея метода электронного охлаждения была предложена организатором и первым директором ИЯФ СО РАН академиком Г.И.Будкером в 1966 г. Здесь же ее и реализовали на модели ускорителя - установке НАП-М (Накопитель антипротонов, модель), - прокомментировал главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН академик РАН Василий Пархомчук. - Весь мир приезжал к нам, чтобы посмотреть, как работает метод, поучиться у нас. За все время мы сделали несколько подобных систем для различных мировых научных центров - этого достаточно, чтобы говорить о мировом лидерстве ИЯФ СО РАН в данной области. Хотя технология у всех систем одинаковая, для каждого отдельного проекта мы создаем уникальное оборудование. Наши установки работают в России, Китае и Европе, в том числе в ЦЕРН и ОИЯИ".

По сообщению ИЯФ СО РАН