Инжектор NICA в ЛФВЭ ОИЯИ – это часть ускорительного комплекса, где пучок заряженных частиц формируется, ускоряется и транспортируется до попадания в циклические ускорители Бустер и Нуклотрон. О том, как создавалась техническая часть комплекса и специальная электроника, каким образом происходит получение пучков заряженных частиц для экспериментов, рассказал в рамках цикла научно-популярных лекций в Доме ученых ОИЯИ старший инженер Лаборатории физики высоких энергий Дмитрий Понкин.

Старший инженер ЛФВЭ Дмитрий Понкин

Он сообщил, что инжекционный комплекс NICA включает в себя два инжектора – тяжелых ионов, а также легких ионов и поляризованных протонов. Инжекторы, в свою очередь, состоят из источников заряженных частиц (ионов, протонов, дейтронов), линейных ускорителей и каналов транспортировки в циклические ускорители Нуклотрон и Бустер.

Инжекционный комплекс NICA

Инжектор легких ионов существует с момента запуска ускорителя Синхрофазотрон, был модернизирован несколько раз, и до недавнего времени его основой был линейный ускоритель ЛУ-20. В рамках работ по сооружению комплекса NICA инжектор легких ионов обновляется, ЛУ-20 будет заменен на новый линейный ускоритель, который создается в кооперации с немецкой компанией BEVATECH.

Инжектор легких ионов

Инжектор тяжелых ионов был создан и запущен в работу в 2016 году также в кооперации с компанией BEVATECH и Центром по изучению тяжелых ионов имени Гельмгольца (GSI). Новые линейные ускорители работают по принципу однородной резонансно-квадрупольной фокусировки, впервые предложенному в СССР учеными Ильей Капчинским и Владимиром Тепляковым в Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ).

КРИОН-6Т (слева) и начало линейного ускорителя тяжелых ионов (справа)

Процесс получения пучка на инжекторе тяжелых ионов происходит в источнике ионов КРИОН-6Т, импульсном криогенном сверхпроводящем ионизаторе атомов тяжелых элементов, который позволяет получать пучки ионов тяжелых элементов высокой зарядности. После выхода из источника ионов пучок проходит по каналу транспортировки низкой энергии (LEBT) и попадает в линейный ускоритель тяжелых ионов (ЛУТИ), где ускоряется до энергии около 5 МэВ/нуклон. После ЛУТИ пучок проходит еще один канал транспортировки и попадает в циклический ускоритель Бустер.

ЛУТИ

Источник ионов КРИОН-6Т является экспериментальным развитием направления электронно-лучевых источников ионов, идею которых впервые предложил профессор Евгений Донец в ЛВЭ ОИЯИ в 1970-ых годах. Атомы рабочего вещества, как правило, газа, в электронно-лучевых источниках ионов удерживаются внутри структуры дрейфа с помощью ионной ловушки, ионизируются электронами в течение необходимого времени и выводятся из источника с помощью импульса положительного напряжения.

«Ускорительный комплекс работает в импульсном режиме: мы инжектируем банчи, проще говоря – сгустки частиц, дальше они ускоряются в связке циклических ускорителей Бустер и Нуклотрон, и через несколько секунд медленно – до 5 секунд – выводятся на мишени», — пояснил инженер.

Получение пучка ионов в источнике, диагностика, оценка его размеров, интенсивности и положения в каналах транспортировки, а также управление магнитными элементами корректировки и многие другие моменты обеспечиваются специальной электроникой, разработанной командой инженеров Ускорительного отделения ЛФВЭ.

Дмитрий Понкин также отметил, что ЛФВЭ ведет большую работу по разработке и изготовлению электроники, необходимой как для инжектора, так и для других частей ускорительного комплекса. Так, например, в ЛФВЭ разрабатываются системы диагностики пучка, комплексы синхронизации, высоковольтная электроника, гибкие платы для криогенных датчиков и многое другое. Дмитрий сообщил, что многие решения по электронике для NICA являются корпоративными. Коллектив Ускорительного отделения ЛФВЭ выполняет большую работу по замене некоторых проектных решений собственными.

«Имея идею конкретного электронного модуля, приняв модель и начав ее реализацию, мы разрабатываем функциональную схему, на основе которой может проектироваться рисунок печатной платы», — сказал он.

Схемотехническое моделирование

Например, модель системы сигнальной синхронизации на комплексе NICA, разработанная в ЛФВЭ, была реализована в 2017 году в виде крейта с оптическими входами, оптическим приемником и разветвителем сигналов импульсной синхронизации.

Дальше идет этап конструкторского моделирования, которое также называют 3D-моделированием. Это компьютерное моделирование трехмерных объектов, цель которого – обеспечить правильное изготовление и дальнейшую сборку технической системы. На этом этапе моделируется сборка отдельных элементов, стыкуются платы и т. д. Разработка печатных плат ведется не только для устройств, цифровых модулей и модулей управления, но также и для разных датчиков. «В производстве и изготовлении печатных плат мы тесно сотрудничаем с коллегами из Зеленограда, а также из ЛНФ и ЛЯР, — отметил Дмитрий. — Чтобы написать понятное техническое задание, требуется много времени. Погружаясь в задачу, мы стараемся улучшить, модернизировать или упростить какой-либо узел или момент в работе. Такие люди, способные понять ход задачи, физику процесса, сделать расчеты, получить схемотехнические решения, их промоделировать и реализовать в виде плат, модулей, систем, называются fullstack-разработчиками».

Конструкторское моделирование

Многие идеи и разработки для инжекционного комплекса были применены на циклических ускорителях NICA и каналах для прикладных исследований. «К аппаратуре на ускорительном комплексе есть ряд требований: системность – чтобы все было выполнено в рамках общей идеи, — надежность, расширяемость и возможность удаленного управления», — добавил Дмитрий Понкин.

Сейчас на источнике тяжелых ионов КРИОН и ЛУТИ продолжается оптимизация работы технических систем, ведутся доработки и исправления выявленных недочетов после ускорительного сеанса 2023 года.