1 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике Институт Ядерных Исследований РАН 27 марта 2008 года Концептуальный Проект Ускорительного Комплекса NICA ОИЯИ Nuclotron-based Ion Collider fAcility И.Н.Мешков (от имени Группы NICA ОИЯИ)

2 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН,

3 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Project leaders: A. Sissakian, A. SorinAccelerator group leaders: I. Meshkov, A. Kovalenko JINRN.Agapov, V.Alexandrov, A.Alfeev, O.Brovko, A.Butenko, B.Vasilishin, V.Volkov, E.D.Donets, E.E.Donets, A.Eliseev, I.Issinsky, G.Khodzhibagiyan, V.Karpinsky, V.Kobets, O.Kozlov, A.Kuznetsov, V.Mikhaylov, V.Monchinsky, A.Sidorin, G.Sidorov, V.Shevtsov, A.A.Smirnov, A.V.Smirnov, V.Toneev, G.Trubnikov, V.Zhabitsky. IHEPO. Belyaev, Yu. Budanov, I. Zvonarev, A. MaltsevINRV. Matveev, L. Kravchuck Editors: I. Meshkov A. Sidorin

4 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Содержание доклада: 1. Коллайдер тяжёлых ионов – выходные параметры 2. Схема и режим работы комплекса 3. Светимость 4. Инжектор 5. Бустер-синхротрон 6. Нуклотрон 7. Коллайдер 8. Оценки стоимости 9. Коллаборация NICA Заключение

5 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Коллайдер тяжёлых ионов: выходные параметры Ион-ионные встречные пучки Два места встречи Частицы р ÷ 238 U 92+, p, d Макс. магн. жёсткость, Т м 45 Макс. энергия, МэВ/н р: U 92+ : 4.36 Проектные "контрольные" параметры: Частицы 238 U 92+ Энергия, ГэВ/н Светимость, см -2 с

6 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Схема и режим работы комплекса Nuclotron Krion & Linac Booster Collider C = m Existing beam lines (solid target exp-s) MPD Spin Physics Detector (SPD) здание 205

7 2. Схема и режим работы комплекса (продолжение) Booster (30 Tm) 2(3?) single-turn injections, storage of 3.2×10 9, acceleration up to 50 MeV/u, electron cooling, acceleration up to 400 MeV/u Nuclotron (45 Tm) injection of one bunch of 1.1×10 9 ions, acceleration up to 3.5 GeV/u max. Collider (45 Tm) Storage of 15 bunches ions per ring at 3.5 GeV/u, electron and/or stochastic cooling Injector: 2×10 9 ions/pulse of 238 U 32+ at energy 6 MeV/u IP-1 IP-2 Stripping (40%) 238 U U 92+ Two superconducting collider rings Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, х15 injection cycles

8 30 injection cycles of ions 238 U 92+ per cycle 2 cycles of injection, electron cooling (?) electron cooling 238 U 32+ stripping to 238 U x ions of 238 U Схема и режим работы комплекса (продолжение) Time Table of The Storage Process 3.5 GeV/u 400 MeV/u 100(50?) MeV/u 6 MeV/u 470 keV/u 25 keV/u 2 s 0.4s 2s 3s 4.5s 135 s KRION RFQ RFQ DTL Booster Nuclotron Collider E ion /A Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН,

9 1) Интенсивность пучков: n bunch & N buch 2) * "hour-glass effect" minimum l bunch & 3) = min 3.2. = (t) L = L(t) 3.1. = min N bunch ? l bunch ? n bunch ? 3. Светимость и как за неё бороться Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН,

10 3. Светимость и как за неё бороться (продолжение) 1) Интенсивность пучков: n bunch & N buch n bunch limitation: "electron cloud" effect, multibunch beam instability, technical parameters of the injection system. N bunch limitation: Laslett tune shift, Beam-beam effect, Coherent instabilities Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН,

11 3. Светимость и как за неё бороться (продолжение) 2) * "hour-glass effect" minimum l bunch & L( ) = L max f( ), = l bunch / * minimum l bunch e-cooling + "bunch compression" ("rotation") Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, minimum e-cooling in booster KRION

12 3. Светимость и как за неё бороться (продолжение) 3) = min 3.1. = min N bunch ? l bunch ? n bunch ? Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, l bunch n bunch N bunch L

13 3. Светимость и как за неё бороться (продолжение) Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, ) = min 3.2. = (t) Intrabeam scattering (IBS) Emittances x,y (t) dp(t)/p L(t) IBS ~ 50 s storage a cooling is required!

14 3. Светимость и как за неё бороться (продолжение) Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Colliding beams parameters Чтобы обеспечить "контрольные" параметры, нужно: 1. Circumference, m *, m p/p (one ) Bunch length ( ), m Beam emittance ( ), mm mrad Bunch intensity(1-2) Bunch number per ring15 8. Average luminosity for UxU, 3.5 GeV/u, cm -2 s

15 4. Инжектор: Источник КрИон + линак Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, KRION Linac d

16 4. Инжектор (продолжение) 4.1.Крион – криогенный ионный источник на основе электронной струны Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Е.Д.Донец, Е.Д.Донец, и др.

17 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Инжектор (продолжение) 4.1. Крион (продолжение) (N ion ) exp (N e ) exp f(B) = C B 3 Total number of electrons/ions in the electron strings (nC) vs applied magnetic field [T] N ion B 3 Источник B [T] Ions N ion /pulse Крион Au exp Крион-6Т 6.0 Au scaled B 2 Normalized emittance 0.2 mm mrad (BNL)

18 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Инжектор (продолжение) 4.1.Крион (продолжение) Крион-2 с полем 3 Т

19 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Линейный ускоритель: RFQ + RFQ DTL (O.Belyaev, Yu.Budanov, I.Zvonarev, A.Maltsev, IHEP ) 1 st section - Radio Frequency Quadrupole (RFQ) Electrodes of RFQ 2H cavities of "Ural" RFQ Main parameters Injection energy 200 keV/ion Acceptance Extraction energy 473 keV/u Normalized 0.5 mm mrad Unnormalized 70 mm mrad 4. Инжектор (продолжение)

20 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Инжектор (продолжение) 4.2. Линейный ускоритель (продолжение) Drift Tube Linac of RFQ type (RFQ DTL) (IHEP) Main parameters (A/Z = 8) Section number 4 Normalized acceptance 0.5 mm mrad Overall length 13.6 m Acceleration rate 0.34 MeV/m Extraction energy 6.2 MeV/u Electrodes of RFQ DTL Cavity of "Ural" RFQ DTL Sector H-cavity

21 5. Бустер-синхротрон Booster layout e-cooler KRION + Linac Booster Nuclotron Synchrophasotron Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН,

22 5. Бустер-синхротрон (продолжение) Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Выбор типа магнитной системы: "Тёплая" или сверхпроводящая? Сравнение параметров (V.Mikhailov) ParameterWarm magnetsSC magnets Power consumption, MW Peak power12.0 MW (active + reactive) 1.8 MVA (reactive) Maximum voltage, kV Maximum current, kA Electric parameters Red – hard for realization, green – easily to realise, blue - conventional

23 5. Бустер-синхротрон (продолжение) Выбор типа магнитной системы (продолжение) Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Red – hard for realization, green – easily to realise, blue - conventional Mechanical parameters ParameterWarm magnetsSC magnets Dipole weight, t Dipole cross-section, m x 0.4 Vacuum conditions Desorption coefficient, molecules/ion Residual gasH 2, COH2H2

24 Warm magnets A.Butenko SC magnets A.Butenko Warm and SC magnets inside the Synchrophasotron yoke Выбор типа магнитной системы (продолжение) Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Бустер-синхротрон (продолжение)

25 Main Booster parameters Ions 238 U 32+ Circumference, m216 Injection/extraction energy, MeV/u 6.2/400 Magnetic rigidity, T m2.4/25.0 Transition energy, MeV/u3.9 Maximum dipole field, T1.8 Cycle repetition period, s4.0 Vacuum, Torr Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Бустер-синхротрон (продолжение) SC magnetic system ("quasy-SIS100", A.Kovalenko, G.Khodzhibagiyan, et al.)

26 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Бустер-синхротрон (продолжение) 4.0 s B = 1.8 T Fast extraction, E9 ions Booster cycle diagram E-cooling?

27 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Бустер-синхротрон (продолжение) Electron cooler (I.Meshkov, A.Sidorin, A.Smirnov) Electron cooler EC-35 (Budker INP for IMP, Lanzhou) Main E-cooler parameters Electron energy, keV55 (35?) Ion energy, MeV/u100.0 E-beam current, A1.0 Overall length, m4.0 Cool. section length, m2.5 Solenoid B-field, kG1.5 B-field inhomogeinity T e / T e ||, meV200/0.5 SC solenoid in cooling section ?

28 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Бустер-синхротрон (продолжение) Problems to be solved ProblemComments 1. SC magnetic system novel, there is prototype 2. Injection scheme rather conventional 3. Space charge at injection rather conventional 4. Beam collimation, desorption, vacuum, etc. novel, no real experience 5. Acceleration conventional 6. electron cooling rather conventional 7. Fast extraction rather conventional 8., … Many others… rather conventional

29 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Нуклотрон SC Proton Synchrotron ParameterProject Status (March 2008) 1. Circumference, m Maximum B-field, T Max. magn. rigidity, T m Cycle duration, s B-field ramp, T/s Accelerated particlesp–U, p, d p-Fe, d 7. Max. energy, GeV/u12.6(p), 4.36( 238 U 92+ ) 4.1(d), [3.0( 238 U 92+ )] 6. Intensity, ions/cycle (p), (A/Z = 2) (p), (Fe 24+ ) (d )

30 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Нуклотрон (продолжение) Цель – достичь к 2010 г. параметров, необходимых для реализации проекта NICA: ускорение тяжелых ионов A~200, с интенсивностью пучков ~ 10 9 A/цикл, частотой повторения Гц при энергии ~ 3.5 ГэВ/н для U 92+ разработка новой инжекционной системы модернизация RF системы, систем диагностики и управления пучками усовершенствование вакуумной системы усовершенствование систем электро- и крио-питания развитие минимально необходимой инфраструктуры Развитие Нуклотрона (Нуклотрон-М)

31 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Нуклотрон (продолжение) Развитие Нуклотрона (Нуклотрон-М)

32 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Нуклотрон (продолжение) «Кувырок» - одна из ключевых задач! RF phase and (later) amplitude jumps – bunch overturn in phase space (A.Eliseev) Bunch length (phase length) E

33 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Нуклотрон (продолжение) Ускорительное отделение ЛВЭ Г.В.Трубников

34 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Нуклотрон (продолжение) Новый источник КРИОН-6Т Модернизация системы питания Модернизация ВЧ системы Модернизация вакуумной системы Модернизация криогеники Системы управления и диагностика Каналы вывода Радиационная защита Наладочные и тестовые работы. Регулярные сеансы. Каждый сеанс – очередной этап Проектирование и работы по новым: линаку, бустеру, ВЧ-станциям, поляризованному источнику. Ремонтно-строительные работы ВСЕГО ( ): материалы и оборудование: 2387 k $ оплата работ + договора: 3165 k $

35 7. Коллайдер Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Circumference, m Colliding particlesp ÷ U, p, d 3. Number of interaction points2 4. Maximum B-field, T5.0 (4.0) 5. Max. magn. rigidity, T m45 (37.5) 6. Bunch number per ring15 7. Bunch intensity(1-2) ( x / y ) *, m 0.5 / (D x, / D y) *, m0 / 0 8. Average luminosity for UxU, 3.5 GeV/u, cm -2 s

36 7. Коллайдер (продолжение) Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Кольца коллайдера Прототип: диполь УНК (ИФВЭ) "Twin" dipole magnets

37 7. Коллайдер (продолжение) Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Bunch number limitation by technical parameters of the injection system (A.B.Kuznetsov) l separatrix kicker c Injected bunch Circulating bunch s jitter c Kicker pulse Circulating bunch l bunch l bunch 0.5 ( kicker + jitter ) c kicker 300 ns n bunch 15

38 7. Коллайдер (продолжение) Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Single bunch parameters limitation IBS 50 s L( IBS ) = L(0)/2 Cooling! l bunch N bunch IBS rate Q incoherent ξ (beam-beam parameter)

39 7. Коллайдер (продолжение) Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Fermilab E-cooler 4.3 MeV x 0.5 A electrons (7.9 GeV antiprotons) Electron cooler HESR (FAIR) 8 MeV x1.0 A electrons (14.7 GeV antiprotons) COSY 2 MeV x1.0 A electrons (3.7 GeV protons) Three prototypes Two E-cooler projects of Budker INP Electron cooler for NICA Main E-cooler parameters Max.electron energy, MeV2.4 E-beam current, A1.0 Cool. section length, m6.0 SC solenoid B-field, T2.0 B-field inhomogeinity T e / T e || 50 eV / 5 meV

40 7. Коллайдер (продолжение) Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Stochastic cooling W – band width of the feed backM – the mixing factor Stochastic cooling for NICA: C Ring = 225 m L bunch = 0.3 m N bunch = cool = 50 s W = 18 GHz Hopeless !

41 7. Коллайдер (продолжение) Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Stochastic cooling (contnd) S-cooling with shifted PU electrodes [T.Katayama, I.Meshkov, D.Moehl] x d h z y ION BEAM It makes sufficient a conventional S-cooling system of 5 GHz band width

42 8. Оценки стоимости Проекта Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Почем кварк-глюоны для народа? А это кто как считает!

43 8. Оценки стоимости Проекта (продолжение) Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Процедура оценок: 3 независимые оценки, представленные 1) А.Д.Коваленко, 2) Руководителями «подпроектов» NICA: А Бутенко,В.Волков, В.Кобец, В.Михайлов, В.Мончинский, А.Сидорин, Г.Трубников, Г.Жоджибагиян, 3) И.Мешков. «Усреднение» руководствуясь «здравым смыслом»

44 8. Оценки стоимости Проекта (продолжение) Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Процедура оценок (продолжение) Учитывались составляющие стоимости: Трудозатраты (1 чел.-месяц = 1 k$), Стоимость материалов и изготовления, Сторонние контракты Оценивались следующие работы: Разработка проекта (paper work), Конструирование (от эскизов до выпуска рабочих чертежей), Изготовление, Сборка - монтаж, Пуско-наладочные работы.

45 8. Оценки стоимости Проекта (продолжение) Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Процедура оценок (продолжение) Учитывались составляющие стоимости: Трудозатраты (1 чел.-месяц = 1 k$), Стоимость материалов и изготовления, Сторонние контракты Оценивались следующие работы: Разработка проекта (paper work), Конструирование (от эскизов до выпуска рабочих чертежей), Изготовление, Сборка - монтаж, Пуско-наладочные работы.

46 8. Оценки стоимости Проекта (продолжение) Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Оценивалась стоимость «поэлементно», например: Элементы Бустера Станция обдирки ионов 1. СП магнитная система 1. Обдирочная мишень 2. Вакуумная система 2. Радиационная защита 3. Системы впуска-выпуска 4. ВЧ система Коллайдер 5. Система эл-го охл-ия 1. СП магнитная система 6. Сточники питаия 2. Вакуумная система 7. Устройства диагностики ………………………………

47 8. Оценки стоимости Проекта (продолжение) Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, Результаты оценок (US k$) Нуклотрон-М 5,200 Инжектор 11,150 Бустер со станцией обдирки ионов 16,500 Коллайдер 55,800 Линии транспортировки пучков 2,500 R & D разного рода 1,900 Итого 93,050

48 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, I этап ускорительный комплекс Нуклотрон-М ( ) и необходимая инфраструктура, программа R&D подготовка рабочего проекта II этап разработка и изготовление элементов ( ) комплекса ускорителя развитие инфраструктуры III этап окончание изготовления, монтаж ( ) IV этап наладка, приемка и запуск в эксплуатацию ( ) 9. Основные этапы проекта NICA /MPD Начало экспериментов – 2014 г.

49 NICA ОИЯИ 10. Коллаборация NICA Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, NICA ОИЯИ ИФВЭ ИЯФ им. Г.И.Будкера ФИ РАН им. П.Н.Лебедева ИТЭФ им. А.И.Алиханова ИЯИ РАН НИИЯФ МГУ им. Д.В.Скобельцина МИФИ МРТИ ВНИИЭФ ВНИИТФ

50 Спасибо за Ваш интерес к проекту!