С 5 февраля по 4 апреля в Лаборатории физики высоких энергий был проведен 55-й сеанс работы ускорительного комплекса Нуклотрон. В ходе сеанса ускорялись ионы углерода, аргона и криптона. Напряженная программа исследований, которая включала в себя два эксперимента на вновь созданном детекторе BM@N (барионная материя на Нуклотроне) и эксперименты по радиационной биологии, выполнена в полном объеме.

Особая важность сеанса определялась его ролью в стратегии реализации программы исследований на ускорительном комплексе NICA: работу установки BM@N с тяжелыми ионами было запланировано начать еще до создания новой инжекционной цепочки Нуклотрона (включающей в себя новый линейный ускоритель, бустер и необходимые каналы транспортировки). При этом инжекция ионов в Нуклотрон осуществлялась из существующего линейного ускорителя ЛУ-20, существенно модернизированного в последние годы. Для генерации тяжелых ионов было решено использовать стендовый источник электронно-струнного типа КРИОН-6Т. Его основное назначение — отработка технологии изготовления и режимов работы источника ионов золота высокой интенсивности для работы в составе инжекционной цепочки бустера NICA. Однако энергия электронов в струне позволяет получать в этом источнике также и тяжелые ионы, которые могут быть ускорены в ЛУ-20. Первый сеанс работы Нуклотрона с источником КРИОН-6Т был проведен в июне 2014 года. Тогда был ускорен и выведен из Нуклотрона пучок ионов аргона с интенсивностью примерно 100 тысяч частиц за цикл.

Наиболее трудной задачей 55-го сеанса стало ускорение ионов аргона и криптона с интенсивностью, необходимой для оптимальной работы систем детектора BM@N. Повышение интенсивности пучков требовало снижения потерь частиц на всех стадиях формирования, ускорения и вывода.

Пультовая Нуклотрона. Последняя смена 55-го сеанса

Для снижения потерь в линейном ускорителе между форинжектором и ЛУ-20 в июне 2017 года был установлен группирователь, разработанный в ИТЭФ и изготовленный в Черноголовке. Настройка группирователя и всего канала до входа в Нуклотрон проводилась в течение примерно трех месяцев на пучке ионов от лазерного источника. Параллельно, начиная с апреля, на стенде проводилась оптимизация режимов работы источника КРИОН-6Т для генерации ионов Ar¹⁶⁺ и Kr²⁶⁺. А в октябре источник был перевезен на ускорительный комплекс и практически без перерывов, до начала охлаждения магнитной системы Нуклотрона продолжались работы по обеспечению максимальной интенсивности пучков при инжекции.

Для улучшения захвата в Нуклотрон в ходе предыдущего 54-го сеанса был отработан режим адиабатического захвата, что потребовало доработки системы управления высокочастотной ускоряющей системы Нуклотрона. Специальные меры были приняты для повышения стабильности магнитного поля на «столе» инжекции.

Настройка режима ускорения проводилась в условиях, когда у большинства штатных устройств диагностики не хватало чувствительности. Здесь неоценимую помощь оказал ионизационный профилометр на основе микроканальных пластин, разработанный как раз для таких условий работы.

Не менее важной задачей было обеспечение эффективного вывода ускоренного пучка и получение требуемой однородности выведенного пучка. Сложность этой задачи станет понятна, если сказать, что при интенсивностях, характерных для тяжелых ионов, одна частица выводится в среднем за десять оборотов пучка в Нуклотроне. При этом проявляется микроструктура пучка, приобретенная им в процессе захвата и ускорения. Сгладить неоднородности плотности пучка можно за счет воздействия на него широкополосным шумом. Первый тестовый эксперимент по выводу пучка с помощью шумового воздействия диагностическим кикером системы измерения частот бетатронных колебаний был проведен на Нуклотроне в 54-м сеансе, а в 55-м сеансе эта методика использовалась в штатном режиме. Если говорить языком электротехники, то Нуклотрон использовался в сеансе как источник тока с уровнем 100 фемтоампер (10^-13) с нестабильностью менее одного процента.

В результате этих усилий интенсивность ускоренного пучка ионов аргона по сравнению с предыдущим сеансом была увеличена примерно в сто раз. Интенсивность ускоренного и выведенного для экспериментов пучка ионов криптона (это элемент с большим атомным номером и большей величиной заряда иона, поэтому задача получения интенсивного пучка намного сложнее) достигла примерно 100 тысяч. При работе с ионами всех сортов удалось обеспечить интенсивность, длительность вывода и его качество, необходимые для оптимальной загрузки систем детектора.

Зависимость тока выведенного пучка ионов криптона от времени. Длительность импульса вывода 2,5 секунды

Подготовка к сеансу потребовала напряженных усилий по развитию и технологических систем. В кратчайшие сроки перед началом сеанса была обновлена заметная часть оборудования криогенной гелиевой установки. В течение нескольких лет проводились работы по модернизации вакуумной системы каналов транспортировки пучка в экспериментальном корпусе. К началу сеанса были введены в эксплуатацию несколько новых источников питания элементов магнитной оптики канала.

Для обеспечения выполнения физической программы в трех предыдущих сеансах проводились работы по тестированию и настройке систем детектора BM@N. На детекторе была создана современная система синхронизации на основе технологии White Rabbit.

В ускорительных сменах 55-го сеанса приняли участие специалисты ИТЭФ. Вследствие напряженной программы исследований работы по физике ускорителей проводились в фоновом режиме. Несмотря на это были получены новые важные результаты. Например, измерены передаточные функции пучка на всех трех сортах ионов, получена информация, необходимая для создания системы стохастического охлаждения пучков тяжелых ионов в коллайдере.

По завершении сеанса возобновлены работы по созданию инжекционного комплекса проекта NICA, начаты строительные работы по созданию тоннеля головной части канала перевода пучка из Нуклотрона в коллайдер. А на сентябрь запланировано начало сборки магнитно-криостатной системы бустера.

Анатолий СИДОРИН, Еженедельник ОИЯИ
фото Николая ТОПИЛИНА