Комментарий к событию

Впервые в ОИЯИ, впервые в России

27 октября на кольце Нуклотрона в ЛФВЭ закончилась установка основных элементов системы стохастического охлаждения ускоренных пучков. Этот метод, широко используемый в мировой научной практике, впервые применяется не только в ОИЯИ, но и вообще на территории России. Установленная на Нуклотроне система будет опробована во время ближайшего сеанса и послужит полномасштабным прототипом для коллайдера NICA. Прокомментировать событие мы попросили заместителя директора ЛФВЭ Г.В.ТРУБНИКОВА.

Примерно полтора года назад во время очередного Экспертного комитета (МАС) по проекту NICA обсуждался вопрос об использовании стохастического охлаждения в коллайдере. Наше предложение (результаты оценок и численных расчетов) встретили абсолютную поддержку экспертов. Это сейчас у нас уже готова согласованная концепция использования систем охлаждения (электронного и стохастического) в коллайдере, а в тот момент мы были только в начале пути. В диапазоне высоких энергий (начиная от 2,5-3 ГэВ/н) пучок нужно обязательно охлаждать, чтобы поддерживать высокую светимость эксперимента в течение длительного времени. В циркулирующем ионном пучке "борются" два процесса. Один, негативный для нас, - это нагрев по всем степеням свободы за счет внутрипучкового рассеяния из-за кулоновского взаимодействия частиц друг с другом в сгустке, он приводит к росту размеров сгустка и к уменьшению фазовой плотности. А значит, к снижению светимости - ведь ее величина обратно пропорциональна эмиттансу пучка. Другой процесс позитивный - это охлаждение, опять же по всем степеням свободы, с помощью соответствующей системы.

Главная задача: обеспечить такую ситуацию, чтобы характерные времена нагрева пучка были не меньше (а в идеале - больше), чем характерные времена охлаждения. В диапазоне высоких энергий должно гарантированно работать стохастическое охлаждение, поскольку его эффективность не зависит от энергии, оно фактически зависит только от количества частиц в кольце, и эффективность его определяется шириной полосы частот (в нашем случае, по оценкам, оптимальный диапазон 2-4 ГГц). В системе электронного охлаждения для такой энергии необходимо ускорять электроны до 2,5-3 МэВ, а это влечет за собой создание очень сложных и громоздких высоковольтных устройств с напряжением до 3 МВ. Крайне серьезными становятся вопросы техники безопасности при использовании таких высоковольтных генераторов и ускоряющих колонн. Поэтому электронное охлаждение будет на коллайдере работать при низких энергиях ионов (ниже 3 ГэВ/н - означает, что энергия электронов должна быть ниже 1,5 МэВ). Тем более что при низких энергиях, к тому же, нужно иметь очень "быстрые" времена охлаждения, что невозможно для стохастического охлаждения, но это легко достигается с помощью электронного.

За эти полтора года было сделано очень много численных расчетов, создан программный код для расчета эволюции функции распределения ионного пучка при стохастическом охлаждении, оценены характерные времена процессов нагрева во всем диапазоне энергий коллайдера. Трудно переоценить помощь наших друзей-коллаборантов со всего "ускорительного" мира: русские американцы В.Лебедев и С.Нагайцев, коллеги из Германии (Ю.Сеничев и Р.Штассен) и ЦЕРН (Д.Мель и Л.Торндалл), японский профессор Т.Катаяма. Совместно родилась прекрасная идея: не дожидаясь сооружения коллайдера, создать прототип системы стохастического охлаждения для него и испытать ее в различных режимах на ионных пучках Нуклотрона. Учитывая, что коллайдер будет работать без ускорения, мы весь диапазон энергий сможем проверить на Нуклотроне. Крайне важный этап - исследование различных режимов работы такой системы, нам предстоит получить зависимости характерных времен охлаждения от сортов ионов, интенсивности, выбрать рабочую полосу частот системы и т.п.

После того как мы предложили постановку эксперимента, возникло множество технических и организационных вопросов. Самым главным стал выбор радиотехнической схемы измерения сигнала циркулирующих частиц и воздействия на них. В мире существуют три или четыре типа таких систем. По счастью, наши давние коллаборанты из Института ядерной физики (IKP, Юлих, Германия) имеют дело с похожей задачей - они уже создают прототип системы стохастического охлаждения для накопителя HESR (создается в рамках будущего комплекса FAIR). У накопителя HESR и коллайдера NICA очень близкие параметры: периметры колец, энергии и характеристики пучков. Первый прототип такой системы охлаждения уже существует - он был создан в Юлихе пару лет назад и уже успешно испытан. Мы заключили с ними соглашение о том, что IKP помогает в разработке и изготавливает в своих мастерских по нашему заказу два ключевых узла: монитор положения пучка (пикап-станцию) - очень сложное радиотехническое устройство и кикерную станцию - устройство, непосредственно "охлаждающее" частицы. В свою очередь мы даем им возможность использовать Нуклотрон в качестве полигона для испытаний их систем и моделирования режимов HESR на наших пучках. По-видимому, уже через год наши партнеры привезут на Нуклотрон свой прототип системы стохастического охлаждения для HESR, работающий в диапазоне частот 4-8 ГГц. Все остальное оборудование: криостат, сверхпроводящие системы, вакуумные камеры, вся радиотехническая электронная цепь - разрабатывал, заказывал и изготавливал ОИЯИ. Все железо сконструировано и изготовлено с перспективой - чтобы в криостат и камеру можно было позднее установить любые устройства.

В течение года в ЛФВЭ был сконструирован и изготовлен криостат для установки в него пикапной станции и последующего размещения в криомагнитной системе кольца Нуклотрона. В августе мы получили из Юлиха радиотехнические структуры - пикап и кикер, измерили их амплитудно-частотные характеристики и после этого установили в вакуумную камеру и криостат. Все элементы вакуумной системы нам сделали коллеги из чешского предприятия "Вакуум Прага", за что мы им очень благодарны, потому что все было сделано очень эффективно и оперативно. Хотел бы выразить особую благодарность руководителю этой компании - нашему прекрасному другу Павлу Хедбавны за неравнодушное отношение к этим заказам. Самая главная благодарность - ключевому специалисту Рольфу Штассену из IKP FZ Juelich, который является членом экспертного комитета МАС NICA и совершенно уникальной личностью. Это он разработал схему пикапа и кикера как раз в нужной нам конструкции, работающей при температурах жидкого гелия. Кроме того, он оказывает постоянные консультации и дает нам ценнейшие советы при разработке нашей системы.

Фактически по подобию их систем мы заказали в мастерских IKP FZ Juelich пикап и кикер. В течение полугода это оборудование было изготовлено, проведены испытания в Германии. В июле 2011 года команда из ОИЯИ (ваш покорный слуга, Анатолий Сидорин, Николай Шурхно и Андрей Кобец) съездили в Юлих для измерения и исследования амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик этих систем, убедились, что все работает так, как нужно в нашем диапазоне частот 2-4 ГГц. После этого оборудование было отправлено в Дубну. Здесь мы также провели несколько циклов измерений, чтобы убедиться, что ничего не повреждено при перевозке и последующей сборке в вакуумно-криостатной системе. Наконец, завершающий этап измерений проделали на прошлой неделе (20-23 октября), когда охладили пикап до температуры 4°К. Весь годовой марафон сотрудников ОИЯИ проходил порой в очень напряженном режиме. Перечислю лишь нескольких специалистов Института, без которых никогда не состоялся бы этот прекрасный проект: И.Н.Мешков, А.О.Сидорин, Н.А.Шурхно, Г.Г.Ходжибагиян, В.В.Селезнев, А.В.Смирнов, А.Р.Галимов, А.В.Бутенко, А.Г.Кобец, Е.В.Горбачев и многие другие. На сегодня все железо установлено в туннеле Нуклотрона, и мы ждем начала охлаждения кольца.

Параллельно с процессом изготовления оборудования мой аспирант Николай Шурхно (очень талантливый и перспективный молодой ученый) в течение года занимался выбором и заказом самых современных электронных компонент для анализа частот и управления всей системой, работающих в гигагерцовом диапазоне частот. Поставок всего этого уникального и дорогого оборудования порой приходилось ожидать до 8 месяцев. Много было проблем и задержек, связанных с тем, что потенциально эти устройства двойного применения. И наша специальная благодарность - участку таможенного оформления, а именно Ю.Р.Насонову и М.В.Савельеву, которые помогают оформлять заказы и поставку нашего оборудования в ОИЯИ, держа этот проект на особом контроле. Сложность состоит в том, что эти компоненты: усилители, предусилители, линии задержки, оптические фильтры, устройства для подстройки частоты, разветвители и так далее, - не выпускаются в серийном производстве. Это совершенно новая для ОИЯИ техника.

Есть очень хороший пример в нашем Институте, когда создавались подобные уникальные устройства (я имею в виду демпфер пучка для LHC и команду В.М.Жабицкого), но в том случае речь шла о мегагерцах, а у нас гигагерцы. Поэтому мы осваиваем эту технику, эту особую СВЧ-культуру и учимся работать в ней "с нуля". Конечно, очень приятно, что есть значительное финансирование и дан "зеленый свет" такому важному проекту, обеспечена поддержка и дирекции, и внешних экспертов. Например, появляется на рынке какой-нибудь уникальный усилитель, или гибридное устройство, недавно анонсированное на всемирных выставках, - вступаем в переговоры с изготовителем и заказываем. На самом деле многие производители порой заинтересованы в том, чтобы их новое оборудование проходило "обкатку" на таком уникальном полигоне в известнейшем научном центре. Таким образом создана обстановка, еще несколько лет назад казавшаяся нереальной: есть очень красивая экспериментальная задача по запуску и исследованию системы стохастического охлаждения с несомненной и большой перспективой внедрения и в отечественных, и в иностранных мега-проектах. Плюс эксперимент горячо поддерживается на всех уровнях - и научном, и финансовом. Задача действительно очень амбициозная - ни в России, ни в Советском Союзе этого никогда не делалось (хотя справедливости ради стоит упомянуть, что в середине 80-х годов были попытки внедрения такой системы для накопления и охлаждения протонных пучков в Новосибирском ИЯФ. К сожалению, именно из-за технических ограничений и отсутствия необходимого оборудования попытка была не совсем удачной).

Сейчас мы закончили очень серьезный и большой этап: собрали и установили все оборудование на ускорителе. А дальше начинается самый сложный и интеллектуальный этап: сначала все СВЧ-компоненты нужно будет собрать в единую цепь "на столе", измерить реальную задержку, снять характеристики всех элементов и заложить их в программный код по расчету эволюции функции распределения частиц. Убедиться, что эффект будет заметен пока на таком "виртуальном ускорителе". Параллельно в сеансе будет тестироваться совершенно новый режим для Нуклотрона - длинные (до 500-1000 секунд) плато магнитного поля, соответствующие энергиям 1, 2, 3,5 ГэВ/н. В случае успеха на всех этих стадиях мы сможем приступить к настройке прототипа системы стохастического охлаждения с пучком ионов в ускорителе. Очень надеюсь, что нам повезет, и мы сможем увидеть ожидаемый эффект: охлаждение пучка по продольной степени свободы. "Поперечное" охлаждение - следующий этап.

Фото Павла КОЛЕСОВА.