На площадке Объединенного института ядерных исследований завершается строительство ускорительного комплекса NICA (Nuclotron based Ion Collider fAcility), создаваемого с целью изучения свойств плотной барионной материи. Часть оборудования, в том числе системы перевода ионных пучков в синхротроны Бустер и Нуклотрон, были спроектированы и изготовлены сотрудниками Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ совместно с коллегами из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН. Многолетняя работа вылилась в цикл публикаций, за который в 2022 году группа сотрудников ЛФВЭ была отмечена Первой премией ОИЯИ в категории научно-методических и научно-технических работ. Цикл содержит в себе более 30 научных статей, посвященных разработке методов инжекции пучка в Бустер и Нуклотрон, созданию каналов транспортировки пучка, проведению пусконаладочных работ и др.

Ускорительный комплекс NICA

Уникальный мегасайенс-проект NICA

Строительство ускорительного комплекса NICA – огромная и сложная работа, которую ученые и инженеры ОИЯИ ведут уже много лет. После запуска комплекса ученые смогут воссоздать в лабораторных условиях особое состояние вещества, в котором пребывала наша Вселенная первые мгновения после Большого Взрыва, – кварк-глюонную плазму, и изучить ее свойства.

Создаваемый комплекс представляет собой каскад ускорителей с накопителем на последней ступени – Коллайдером. Базируется комплекс на сверхпроводящем синхротроне Нуклотрон – это действующая с 1993-го года базовая установка Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ, предназначенная для получения пучков многозарядных ионов с энергией до 4 ГэВ/н. В 2020 году был запущен новый сверхпроводящий синхротрон Бустер – ускоритель, спроектированный на базе технологий Нуклотрона и на основе опыта, полученного в результате его создания и эксплуатации. Оборудование Бустера монтируется в ярме магнита легендарного Синхрофазотрона, протонного ускорителя, который работал с 1957-го по 2002-й годы.

Ускорительный комплекс NICA

Жизнь пучка начинается в источнике ионов, где рождаются частицы и, посредством электрических полей, «вытягиваются» в предускоритель. В нем пучок формируется и транспортируется в линейный ускоритель, в котором частицы приобретают нужную энергию и через каналы транспортировки пучка перемещаются в Бустер. Бустер – сверхпроводящий синхротрон, который позволяет ускорить и не потерять в процессе ускорения частицы до того, как они попадут в Нуклотрон, так как основные потери происходят на низких энергиях. Поэтому в Бустере высокие требования на магнитную структуру и уровень вакуума в пучковой камере. Нуклотрон же ускоряет ионы из Бустера до энергий, достаточных для проведения эксперимента в Коллайдере. Коллайдер, который по своей структуре очень похож на Бустер и Нуклотрон, имеет два кольца, сходящихся в двух точках встречи. Это позволяет пучкам длительное время двигаться навстречу друг другу и взаимодействовать между собой только там, где апертуры колец сходятся. На этих участках расположены детекторы, которые регистрируют продукты распада частиц в результате их взаимодействия. Основных детектора в Коллайдере два: MPD (MultiPurpose Detector) и SPD (Spin Physics Detector).

Бустер

Нуклотрон

Системы перевода ионных пучков в Бустер и Нуклотрон

Для Коллайдера наиболее важными параметрами пучка тяжелых ионов в режиме столкновений являются его интенсивность и эмиттанс (численная характеристика ускоренного пучка заряженных частиц, равная объему фазового пространства, занимаемого этим пучком), которые в совокупности определяют светимость Коллайдера и время жизни светимости. Проектная светимость Коллайдера (10²⁷ см^-2∙с^-1) и приемлемое время жизни светимости (порядка нескольких часов) могут быть достигнуты с помощью систем электронного и стохастического охлаждения пучков в Бустере и Коллайдере, но только при условии, что интенсивность пучка, инжектируемого в Коллайдер, достаточна для накопления требуемого числа ионов, что во многом определяется интенсивностью пучка, ускоренного в Бустере. Так как основные потери ионов, по оценкам специалистов, будут наблюдаться на энергии ниже 5 МэВ/н, то транспортировка ионов от ионного источника до Бустера с последующим адиабатическим захватом пучка в режим ускорения является одной из наиболее критичных задач с точки зрения получения проектной интенсивности пучков и светимости Коллайдера NICA. Для осуществления этой и других задач были созданы системы инжекции ионных пучков в Бустер и Нуклотрон, система быстрого вывода пучков из Бустера, а также каналы транспортировки пучка.

Данные системы обладают расширенным функционалом. «Система инжекции пучка в Бустер совместно с каналом транспортировки позволяет осуществлять инжекцию пучка несколькими альтернативными методами, необходимыми для достижения проектной интенсивности пучка, ускоренного в Бустере, – рассказывает начальник научно-экспериментального отдела инжекции и кольца Нуклотрона ЛФВЭ Алексей Тузиков. – Системы перевода пучка из Бустера в Нуклотрон служат для обдирки ускоренных в Бустере ионов до ядер и их транспортировке в кольцо Нуклотрона по кратчайшей траектории с минимальным ростом эмиттансов пучка. В состав систем инжекции пучков в Нуклотрон и вывода пучков из Бустера входят два ударных магнита (кикера) и сверхпроводящий магнит Ламбертсона с нестандартными конструкциями и уникальными рабочими характеристиками».

Участок инжекции пучка в Бустер

Как отмечает ученый, совместная работа специалистов ОИЯИ и ИЯФ СО РАН по созданию систем вывода пучка из Бустера и канала транспортировки пучка в Нуклотрон началась в 2016 году, когда на основе идей, изложенных сотрудниками ЛФВЭ, в Институте ядерной физики был дан старт технической реализации проекта силами ИЯФ. «Канал транспортировки пучков Бустер – Нуклотрон имеет сложную трехмерную геометрию, обусловленную архитектурными особенностями уже существующего здания и взаимным расположением синхротронов, поэтому особое значение при проектировании имело согласование геометрии канала между Бустером и Нуклотроном и численное моделирование динамики пучка, проведенные в тесном сотрудничестве сотрудников ЛФВЭ ОИЯИ и ИЯФ СО РАН. В итоге в канале, помимо реализации основных функций перевода пучка, включая его согласование с принимающим ускорителем, были решены задачи компенсации связи бетатронных колебаний на выходе канала, а также сброса ионов с нецелевой зарядностью на поглотитель», – дополняет Алексей Тузиков.

Канал транспортировки пучка из Бустера в Нуклотрон

Сеансы пусконаладочных работ и первый физический пуск систем

Авторы статей описывают также ход сеансов пусконаладочных работ ускорительного комплекса в 2020–2022 годах. В ходе трех первых сеансов, проведенных в декабре 2020 года, в сентябре 2021 года и в период с января по апрель 2022 года, был осуществлен физический пуск Бустера и каналов транспортировки пучка. «Одними из основных задач первого сеанса было охладить Бустер до нужной температуры и завести рабочий ток. Они была успешно выполнены, – рассказывает главный инженер инжекционного комплекса ускорительного комплекса ЛФВЭ Артем Галимов. – В ходе сеанса в высоковакуумной камере ускорителя, в том числе в установленных на него устройствах системы инжекции пучка, был достигнут проектный уровень вакуума».

В первом сеансе в кратчайший срок, в период с 19 по 29 декабря 2020 года, были получены инжекция и циркуляция пучка ионов гелия, а также осуществлено ускорение ионов до энергии 100 МэВ/н. «К началу второго сеанса, основными целями которого было довести пучки ионов до Нуклотрона, был завершен монтаж оборудования канала транспортировки пучка Бустер – Нуклотрон и системы быстрого вывода пучка из кольца Бустера, изготовленного ИЯФ СО РАН, – рассказывает Алексей Тузиков. – В результате последующей работы с ионными пучками был успешно запущен ударный магнит Бустера с рекордным уровнем магнитного поля до 2 кГс и получен вывод пучков двух сортов ионов — гелия и железа — с дальнейшей транспортировкой по каналу, на конечном участке которого пучки были детектированы».

Совместный коллектив ОИЯИ и ИЯФ СО РАН во время пусконаладки оборудования системы быстрого вывода пучка из Бустера и канала транспортировки

В конце 2021 года, перед началом третьего сеанса, был выполнен монтаж системы инжекции тяжелоионных пучков в Нуклотрон. «Во время третьего сеанса мы уже настраивали перевод пучка из Бустера в Нуклотрон – и это стало первым сеансом, когда одновременно работала вся система, – рассказывает Артем Галимов. – Связать Бустер с Нуклотроном – тоже задача непростая. Если пучок сразу прошел – это успех, а если не прошел, то начинается длительная работа по поиску причин. В третьем сеансе, не без проблем, получилось это сделать, что послужило базой для того, чтобы позднее можно было отработать полноценный сеанс с тяжелыми ионами на физиков».

В ходе третьего сеанса ионы углерода были ускорены до промежуточной энергии 263 МэВ/н и ободраны до состояния голого ядра. После транспортировки по каналу Бустер – Нуклотрон с эффективностью около 75% ядра углерода были введены в кольцо Нуклотрона, ускорены и выведены на экспериментальную установку SRC.

Уже к концу 2022 года в ходе физического пуска систем на ускорительном комплексе NICA был получен важный результат: первая за историю проекта циркуляция ионов ксенона в кольце Нуклотрона. «Четвертый сеанс пусконаладочных работ был рекордным по длительности за всё время проведения сеансов на Нуклотроне, – отмечает Алексей Тузиков. – В ходе него в январе 2023 года была фактически запущена физическая программа проекта NICA: на установке BM@N был проведен эксперимент на выведенных из Нуклотрона пучках. Для систем перевода пучков в Бустер и Нуклотрон этот сеанс значил многое, так как послужил серьезным ресурсным испытанием для оборудования данных систем, которое было не без проблем, но пройдено».

Заключительный этап проекта

Следующий, 2024-й, год должен стать заключительным в процессе создания всего ускорительного комплекса. Должен быть завершен монтаж самого Коллайдера, его многочисленных сопутствующих систем и каналов перевода пучка из Нуклотрона в Коллайдер. «После этого можно будет проводить сеанс охлаждения магнитно-криостатной системы до гелиевой температуры, что позволит «завести» рабочий ток, – говорит Артем Галимов. – Делать это придется аккуратно, так как в процессе возможен срыв сверхпроводимости, что сопровождается быстрым и большим выделением энергии. Следующая задача – перевести из Нуклотрона в Коллайдер пучок по каналу, показать, что магнитно-оптическая структура кольца рабочая, и частицами можно управлять».

Строительство уникального комплекса NICA позволит не только получить новые знания о строении ядерной материи, но и решить ряд прикладных задач. В рамках проекта будет предусмотрено создание зоны, где ученые и инженеры будут заниматься практическими исследованиями. Одно из традиционных направлений — изучение работы электроники в сложных радиационных условиях. Такие исследования необходимы не только для того, чтобы создавать электронику, работающую близко к реакторам, но и для космических полетов. Также планируется проводить испытания биологических объектов на их устойчивость к радиационному воздействию и изучать, как они изменяют свои свойства. Запуск каналов и станций облучения для прикладных исследований также намечается на 2024 год.

Список публикаций:

1. A. Butenko et al. First experiments with accelerated ion beams in the Booster of the NICA accelerator complex // Proceedings of IPAC 2021, 2021.
2. E. Syresin et al. NICA ion collider and plans of its first operations // Proceedings of IPAC 2022, 2022.
3. A. Tuzikov et al. Beam transfer systems of NICA facility: from HILAC to Booster // Proceedings of RuPAC 2021, 2021.
4. В.И. Волков и др. Концептуальный проект системы инжекции пучков тяжелых ионов в бустер ускорительного комплекса NICA // Письма в ЭЧАЯ, ISSN: 1814-5957, eISSN: 1814-5973, Изд: ОИЯИ, 11, 5(189), 1045-1067, 2014.
5. В.В. Косухин, А.И. Сидоров, А.В. Тузиков, В.С. Швецов. Модуль устройств для инжекции пучка в Бустер ускорительного комплекса NICA // Письма в ЭЧАЯ, ISSN: 1814-5957, Изд: ОИЯИ, Россия, Дубна, 15, 7, 887-891, 2018.
6. А.А. Фатеев и др. Высоковольтный импульсный источник питания инфлектора системы инжекции Бустера ускорительного комплекса NICA // Письма в ЭЧАЯ, ISSN: 1814-5957, eISSN: 1814-5973, Изд: ОИЯИ, 15, 7 (219), 892-895, 2018.
7. O.V. Anchugov, D.A Shvedov, V.A. Kiselev et al. A Kicker Magnet for Beam Extraction from the Booster into the Booster–Nuclotron Beamline of the NICA Complex // Instrum Exp Tech 65, 474–481 (2022). https://doi.org/10.1134/S0020441222040029
8. А.И. Сидоров, А.В. Тузиков, В.С. Швецов. Магнитный кикер для инжекции пучка в Нуклотрон ускорительного комплекса NICA // Письма в ЭЧАЯ, ISSN: 1814-5957, eISSN: 1814-5973, Изд: ОИЯИ, 17, 4 (229), 561-564, 2020.