В Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ проводятся аналитические и численные расчеты динамики пучка в ускорительном комплексе NICA. Большая часть этих расчетов посвящена изучению движения пучка тяжелых ионов в строящемся коллайдере комплекса NICA. Анализ динамики пучка тяжелых ионов необходим для определения требуемых параметров настроек и оптимальных режимов работы различных систем всех установок и каналов транспортировки пучка ускорительного комплекса.

Как и любая современная ускорительная установка подобного рода, коллайдер NICA требует детального моделирования, проведения соответствующих уникальных численных расчетов. Сложность описания возникающих при моделировании динамики заряженных частиц эффектов, большие характерные времена проявления этих эффектов приводят к необходимости использования параллельных вычислений, которые можно производить только при помощи суперкомпьютеров, таких как суперкомпьютер «Говорун», имеющийся в ОИЯИ в Лаборатории информационных технологий. Специфика проводимого численного моделирования в коллайдере NICA требует значительного усложнения проводимых расчетов, увеличения временных затрат и вычислительных ресурсов.

Показателем корректности используемых численных методов, алгоритмов и подходов является то, что они применялись при анализе динамики пучка заряженных частиц в Бустере, который был запущен в конце 2020 г., а также Бустере и Нуклотроне, которые в 2022 г. были успешно настроены на совместную работу в составе инжекционной цепочки комплекса NICA.

Коллектив ученых, занимающихся расчетами динамики пучка, в пультовой комплекса NICA (слева направо): А.В. Филиппов, А.В. Тузиков, С.А. Костромин, О.С. Козлов, М.М. Шандов, С.А. Мельников, В.Л. Смирнов

Расчетами занимается группа ученых Ускорительного отделения ЛФВЭ ОИЯИ. Как отметил научный сотрудник Сектора моделирования и измерений полей элементов ускорителей ЛФВЭ Михаил Шандов, успех и наиболее быстрое получение физических результатов эксперимента будет зависеть от того, насколько хорошо будет выполнена не только сборка самой установки — коллайдера, — но и его настройка. «Расчетов было сделано много, и многие сотрудники этим занимались. Из задач по запуску, настройке установки и получению ее проектных параметров мы отобрали наиболее ключевые на текущий момент, обосновав их важность; рассказали о том, что было сделано для решения поставленных задач, и какие результаты получены. Таким образом, выделили основное направление для теоретических исследований, которые будут иметь наибольший практический результат при первых запусках коллайдера», — сказал он.

Предварительные расчеты динамики пучка заряженных частиц в двух кольцах коллайдера NICA завершены, результаты исследований охватывают спектр основных явлений, ожидаемых в различных режимах работы установки. Однако для обеспечения высоких требований, предъявляемых к характеристикам пучка заряженных частиц разработчиками проекта NICA, потребовалось углубиться в анализ ряда аспектов динамики пучка с использованием более детальных подходов. Поэтому сейчас остается определенный ряд задач, требующих длительного численного моделирования, которые должны быть решены до ввода коллайдера в эксплуатацию.

«В основном это задачи, связанные с коллективными эффектами (появляющимися под действием собственного заряда пучка и в результате взаимодействия пучка с окружающим оборудованием). Оценка этих эффектов производилась на этапе проектирования ускорителя и выбора начальных настроек для этапа пуско-наладочных работ коллайдера. Но и после ввода коллайдера в эксплуатацию будут появляться экспериментальные данные, которые необходимо будет использовать для коррекции первоначально полученных настроек установки для получения требуемых параметров пучка, что во многом базируется на сравнении их с расчетными данными», — рассказал старший научный сотрудник Сектора моделирования и измерений полей элементов ускорителей д. ф.-м. н. Виктор Смирнов.

Частотная зависимость продольного импеданса связи для базовой конфигурации датчика положения пучка(а) и структуры, полученной в результате оптимизации (б)

При проведении расчетов динамики пучка заряженных частиц ученые стараются приблизить их к реальной ситуации, максимально учитывая систематические и случайные факторы. Для получения быстрых оценок в синхротронах успешно используются аналитические методы анализа, которые обладают достаточной точностью для ограниченного круга задач, но все же существует целый ряд вопросов, которые требуют проведения численных расчетов, тесно связанных с проверкой на практике.

Для расчетов используются как специализированные программные пакеты, так и разработанные сотрудниками ЛФВЭ математические модели и алгоритмы.

Численные программы трехмерной трассировки частиц, адаптированные специально для коллайдера NICA, были использованы для расчета движения тяжелых ионов. С их помощью, например, было проведено детальное изучение влияния внутрипучкового рассеяния на характеристики пучка.

Результаты, полученные в проведенных расчетах, по ряду параметров находятся в согласии с более ранними оценками, но также показывают некоторое отличие. Поэтому требуется продолжить детальный анализ данных, направленный на выявление реальных физических закономерностей в движении заряженных частиц и исключении систематических ошибок обработки результатов численного и аналитического моделирования.

Предварительные расчеты параметров ускорителя позволяют значительно сократить сроки ввода установки в эксплуатацию, поскольку с их помощью можно более точно и тонко настроить оборудование коллайдера. Другая долговременная задача моделирования, которая реализуется уже после запуска, — это обнаружение некорректно работающих устройств. «Впоследствии, после сравнения реальной циркуляции пучка с построенными нами моделями, мы по большей части сможем определить из расхождений: либо мы действительно не учли какой-то физический фактор, либо мы можем понять, где именно что-то не так работает, и таким образом исправить ошибки», — пояснил Михаил Шандов.

Движение заряженных частиц в коллайдере устроено более сложно, чем в уже работающих кольцевых ускорителях комплекса — Бустере и Нуклотроне. Более того, у коллайдера имеется два режима работы: режим накопления пучка заряженных частиц и основной режим — режим столкновения пучков заряженных частиц. Каждый из этих режимов имеет свои оптимальные настройки.

Кроме того, пучки заряженных частиц в коллайдере будут циркулировать на порядки дольше — в течение нескольких десятков минут и даже часов, тогда как в Нуклотроне и в Бустере счет идет на секунды. Это ведет к тому, что время действия коллективных сил и проявления неустойчивостей различного рода увеличиваются.

«Как в Бустере, так и в Нуклотроне мы запускаем пучок, ускоряем его и выводим. А в коллайдере он накапливается, повышая свой суммарный заряд и количество ионов. Определенное количество порций пучка после ускорения в Нуклотроне постепенно заполняет коллайдер, и в коллайдере уже начинают проявлять себя эффекты, которые мы не можем наблюдать в Бустере и Нуклотроне», — прокомментировал Михаил Шандов.

Группа ученых Ускорительного отделения ЛФВЭ ОИЯИ предлагает оптимизировать конструкцию отдельных элементов коллайдера. Основная конфигурация этих элементов, таких как кикер системы обратной связи и узел коллимации пучка, является рабочей. Проект коллайдера предусматривает несколько модернизаций, которые будут осуществляться после завершения первых сеансов ускорительного комплекса. «Так как те вещи, которые обнаружены сейчас при моделировании, носят оптимизационный характер, а не принципиальный, мы говорим условно, что во время одной из будущих модернизаций детектора сможем также заменить и, например, некоторые элементы магнитооптической структуры или элементы диагностики. И после этого улучшить не только сам детектор, но и качество пучка», — рассказал Михаил Шандов.

Базовые (a, в) и предложенные для уменьшения продольного импеданса связи (б, г) конфигурации кикера системы обратной связи (б) и узла коллимации пучка(г)

Результаты анализа расчетов детально изложены в статье журнала ЭЧАЯ «Актуальные задачи исследования динамики пучка в коллайдере NICA», выпущенном Издательским отделом ОИЯИ. Расчеты производились для работы коллайдера с ионами золота; в дальнейшем же ученые планируют провести и аналогичный анализ движения других типов частиц, таких как протоны и ионы висмута, для различных режимов работы комплекса.