Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разработали уникальный соленоид для системы электронного охлаждения (СЭО) коллайдера NICA, который создается с целью изучения свойств плотной барионной материи. В этой установке будут сталкиваться друг с другом пучки ионов. Чем более сфокусированный и плотный пучок, тем эффективнее будут столкновения.
Сжать пучок позволяет система электронного охлаждения. Холодные электроны инжектируются к ионам, забирают у них часть тепловой энергии, в результате чего пучок сжимается. Соленоид – это центральная и, можно сказать, главная часть магнитной системы СЭО, на него и был получен патент. Это первое в мире устройство, которое позволит непрерывно охлаждать два ионных пучка независимо и одновременно, что значительно ускорит проведение экспериментов. Сложная конструкция, состоящая из более чем 40 000 деталей, позволит получить необходимые параметры пучков для проведения экспериментов.
«Система электронного охлаждения уменьшает температуру ионного пучка, в результате чего он сжимается. Неохлажденные пучки достаточно рассеянные – можно представить их в виде луча фонарика. Охлажденные при таком сравнении скорее напоминают лазер. Эксперименты более эффективны, если используются охлажденные пучки, поскольку они сжатые и плотные, а не широкие и рыхлые. Благодаря СЭО время экспериментов уменьшается, и статистика интересных и важных для эксперимента событий набирается в несколько раз быстрее, чем без использования этой системы. Важно отметить, что патент на соленоид, полученный нашими специалистами – это результат многолетней работы большого коллектива, ведь не имея той базы, которая была заложена много лет назад, сейчас это направление не развивалось бы в институте, и наш ИЯФ не стал бы одним из лидеров в области создания СЭО. Мы пришли к этому сквозь череду проб, многочисленных экспериментов, а иногда и неудач», — прокомментировал главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН академик РАН Василий Пархомчук.
Соленоид – центральная и самая важная часть в системе электронного охлаждения. Он создает магнитное поле, в котором формируется и транспортируется электронный пучок. Кроме того, магнитное поле существенно улучшает качество электронного пучка и позволяет уменьшить влияние поперечных скоростей электронов, что повышает эффективность охлаждения.
В коллайдере NICA планируется сталкивать два ионных пучка, и поэтому появляется необходимость в генерировании сразу двух электронных пучков, предназначенных для охлаждения ионных с межосевым расстоянием всего 32 см, что сопоставимо с листом формата А4. Поэтому одна из сложностей, с которой столкнулись специалисты ИЯФ СО РАН – изготовление компактной и аккуратной обмотки магнитной системы. Поскольку в этой СЭО очень маленькое расстояние между элементами, диаметр канала соленоида по сравнению с предыдущими соленоидами уменьшился в 2-4 раза, что привело к его компактности.
«Другие системы охлаждения, как правило, отличаются большими катушками, в которых можно себе позволить некоторые «вольности», например, неровную обмотку далеко от середины. В нашем случае такое сделать нельзя», – пояснил начальник конструкторского бюро ИЯФ СО РАН Николай Кремнев.
В настоящий момент запатентованный соленоид — единственное подобное устройство в мире. «Уже на этапе проектирования мы осознавали, что оборудование, которое нам предстоит сделать, не будет иметь мировых аналогов. Создание конструкции такого типа – это своеобразный вызов, однако наши усилия полностью оправданы, поскольку она кардинально меняет качество эксперимента и имеет ряд преимуществ», – прокомментировал заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН Владимир Рева.
Одно из них – модульная конструкция, на что сделан упор в патенте. «За счет модульности мы теоретически можем масштабировать соленоид на любую длину участка охлаждения», — отметил Николай Кремнев. По его словам, данный соленоид сделан из небольших катушек длиной 50 миллиметров и собран из шести секций — вся конструкция занимает 6 метров.
«Модульная конструкция существенно расширяет наши возможности и упрощает работу с соленоидом. Например, она позволяет проводить измерения и тесты сразу после изготовления первой секции, на дожидаясь остальных. Кроме того, благодаря разборной конструкции мы можем заносить соленоид в систему охлаждения по частям – цельное устройство было бы сложно транспортировать», – отметил Владимир Рева.
Соленоид для СЭО NICA – хотя и предельно компактный, однако по объёму деталей сопоставим с лайнером самолёта или автомобилем.
«Одна из шести секций запатентованного соленоида состоит примерно из 7 000 деталей. Согласно данным открытых источников, автомобиль ВАЗ 2101 состоял из 10 000 деталей, а планер современного самолета примерно из 40 000 деталей – то есть наше устройство сопоставимо с такими сложными механизмами, как автомобиль или самолет. Можно сказать, что и сама СЭО — очень большая, сложная установка, над которой только в НКО трудились 14 квалифицированных конструкторов, мы работали над ней 5 лет», — пояснил Николай Кремнев.
Специалисты патентного отдела Института ядерной физики СО РАН также отмечают уникальность и перспективность новой разработки. Эксперты провели патентное исследование и подтвердили, что созданный соленоид не имеет прямых аналогов в мире.
«Конкретно этот соленоид разрабатывался нашими сотрудниками специально для проекта NICA, и аналогов у него практически нет. В 2019 году вышла статья тех же авторов с описанием этого соленоида, её взяли за прототип и запатентовали некоторые изменения. При этом если технология была опубликована ранее, чем за 6 месяцев, и её можно найти в свободном доступе, то ее мы запатентовать не можем. Но в случае этой работы изменений с 2019 года было сделано достаточно, устройство улучшилось. Особенность этой заявки в том, что она была написана за 1 месяц — это рекорд для заявки на изобретение с новой темой. В нашем институте большинство разработок — уникальные, практически каждая может быть запатентована. Нужно только вовремя написать заявку», — прокомментировала специалист по интеллектуальной собственности ИЯФ СО РАН Любовь Костикова.
Прямых аналогов у этой разработки нет, а ближайшие похожие устройства — это системы электронного охлаждения, которые использовались в протон-антипротонном коллайдере Fermilab (США) и коллайдере RHIC BNL (США). В Fermilab установка охлаждала только пучок антипротонов при энергии 4,3 МэВ, а в RHIC — два пучка, но с перепуском электронного пучка между каналами. «Поэтому здесь необходима одновременная настройка сразу трех пучков – двух ионных и одного электронного. В нашей конструкции возможно независимое охлаждение ионных пучков, участвующих в столкновениях, что позволяет нам более тонко и эффективно производить настройку параметров», – пояснил Владимир Рева.
Идея метода электронного охлаждения была предложена первым директором ИЯФ СО АН 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, академик РАН И.Н. Мешков, академик РАН В.В. Пархомчук, Б.Н. Сухина, Д.В. Пестриков и другие. 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 АН, использована в более двадцати аналогичных установках во многих лабораториях мира. СЭО, разработанные ИЯФ СО РАН, используются в научных лабораториях всего мира, в том числе – на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН.