Системы электронного охлаждения или, как называют их специалисты – «кулеры», предназначены для охлаждения пучков тяжелых заряженных частиц в ионных ускорителях. Это необходимо для улучшения параметров пучков. Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН, Новосибирск) в рамках сотрудничества с Объединенным институтом ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна) разрабатывает «кулер» для основного ускорительного кольца мегасайенс проекта коллайдера NICA. Новосибирское оборудование позволит существенно повысить качество ионного пучка в ускорителе и обеспечит возможность для проведения эксперимента на принципиально новом уровне. В комплексе NICA будет установлено два «кулера» производства ИЯФ СО РАН. Один из них уже поставлен в Дубну. Общая стоимость оборудования, произведенного новосибирскими физиками, составит порядка 800 млн руб.
Эффективность столкновения пучков в ускорителе зависит от плотности потока ионов: чем сильнее сжаты пучки, тем больше вероятность столкновения частиц, а соответственно больше набранной в эксперименте статистики. 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. Здесь они соединяются с горячими ионами, некоторое время движутся по кольцу вместе и за счет столкновений охлаждают ионы.
«Идея метода электронного охлаждения была предложена организатором и первым директором ИЯФ СО РАН академиком А.М. Будкером в 1966 г. Здесь же ее и реализовали на модели ускорителя – установке НАП-М (Накопитель антипротонов, модель), – рассказывает академик РАН, главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, внесший решающий вклад в доказательство принципа электронного охлаждения, Василий Пархомчук. – Весь мир приезжал к нам, чтобы посмотреть, как работает метод, поучиться у нас. За все время мы сделали шесть 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. Две установки мы отправили в Китай, две в Германию, одну в ЦЕРН и одну в ОИЯИ. Разработкой второй системы охлаждения для коллайдера NICA институт занимается в данный момент».
NICA – ускорительный комплекс класса мегасайенс, который создается на базе ОИЯИ. Основная цель экспериментов на новом коллайдере – изучение свойств плотной барионной материи, кварк-глюонной плазмы (состояния вещества, в котором пребывала наша Вселенная в первые мгновения после Большого взрыва). Кроме того, на базе комплекса планируется проведение исследований в области материаловедения, нано- и пикотехнологий, медицины, биологии, электроники и пр.
ИЯФ СО РАН в рамках сотрудничества уже изготовил и поставил в Дубну систему электронного охлаждения для бустера NICA с параметрами энергии до 50 кэВ.
«Кулер» поставлен и работает на нужных параметрах, некоторые из них, например, уровень вакуума, являются рекордными для России. Второй «кулер» с энергией электронов до 2,5 МэВ, который разработали и изготавливают для проекта NICA специалисты Института, предназначен для основного кольца коллайдера.
«В комплексе NICA запланирована работа двух систем электронного охлаждения (СЭО) с разным уровнем энергии электронов. Обе системы создает ИЯФ СО РАН, – рассказывает кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН Владимир Рева. – Задачи такого рода технологически очень сложны, содержат большое количество корректировок и итераций. Первая СЭО уже установлена на бустере – сверхпроводящем синхротроне – испытана с электронным пучком и выведена на рабочие параметры. С нами ее запуском занимались и учились у нас молодые специалисты из ОИЯИ».
По словам ученого, системы охлаждения включают в себя много подсистем, разработка которых сначала ведется на стендах.
«На данный момент мы как раз проходим этот этап: какие-то элементы уже готовы, какие-то существуют в виде прототипов, а что-то еще находится на стадии разработки в технологическом бюро», – добавил Владимир Рева.
«Проект NICA осуществляется в теснейшем сотрудничестве с ИЯФ СО РАН, который разрабатывает и поставляет для него около трети оборудования, – рассказал научный руководитель проекта NICA, член-корреспондент РАН Игорь Мешков. – Это не только системы электронного охлаждения, но и каналы инжекции и высокочастотные станции. Без ИЯФ СО РАН ОИЯИ просто не реализовал бы этот проект. По плану первый пучок на коллайдере NICA появится в 2021 г., а в 2022 г. начнется регистрация событий».
Система электронного охлаждения для комплекса NICA.
Система электронного охлаждения, разработанная и создаваемая в ИЯФ СО РАН, позволит улучшить качество пучка коллайдера NICA и получить проектную светимость установки, то есть достичь требуемого количества набранной в эксперименте статистики. Планируется, что вторая СЭО будет поставлена в Дубну в 2022 г. Стоимость разработанного и произведенного новосибирскими физиками оборудования, включая каналы инжекции и высокочастотные станции, составит несколько миллиардов рублей.
Справка:
Идея метода электронного охлаждения была предложена организатором и первым директором ИЯФ СО РАН академиком А.М. Будкером в 1966 г. и впервые в мире реализована командой Института. В 1974 г. на установке НАП-М (Накопитель антипротонов, модель) был получен первый эффект охлаждения – показано сжатие протонного пучка под действием электронного пучка. В коллектив, занимающийся разработкой данного метода, вошли академик РАН А.Н. Скринский, советник РАН Н.С. Диканский, член-корреспондент РАН И.Н. Мешков, академик РАН В.В. Пархомчук, Б.Н. Сухина, Д.В. Пестриков. Результаты были доложены на Всесоюзной конференции по ускорителям заряженных частиц в 1974 г. в Москве, получив большой международный резонанс в научной среде. Сегодня схема СЭО, впервые предложенная в ИЯФ СО РАН, использована в более двадцати аналогичных установках во многих лабораториях мира.