Применение методов охлаждения пучков в ускорительном комплексе НИКА Г.В.Трубников ОИЯИ, г.Дубна. - презентация

1 Применение методов охлаждения пучков в ускорительном комплексе НИКА Г.В.Трубников ОИЯИ, г.Дубна

2 Вид на площадку с вертолета Синхрофазотрон Нуклотрон ( сверхпроводящий синхротрон ) Нуклотрон ( сверхпроводящий синхротрон ) Схема комплекса НИКА ЛФВЭ ОИЯИ

3 Основные области : Релятивистская физика тяжелых ионов : поиск и изучение фазовых переходов и новых состояний ядерной материи, включая смешанную фазу и критическую точку ; Спиновая физика малонуклонных систем : изучение спин - зависимых процессов ; Физика ароматов : проверка правила OZI, поиск многокварковых состояний ( пентакварки ) поиск и изучение экзотических ядер ( гиперядра ); Инновационные проекты : медицинские пучки, биология. Научная программа на ускорительном комплексе физики высоких энергий ОИЯИ SPI: поляризованные d EBIS: N, Ar, Fe, Kr, Xe, … Лазер: Li, B, C, F, Mg, … Дуоплазмотрон: p, d, a, 3He SPI: поляризованные d EBIS: N, Ar, Fe, Kr, Xe, … Лазер: Li, B, C, F, Mg, … Дуоплазмотрон: p, d, a, 3He 3/21Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН

4 1 этап : Нуклотрон - М Руководитель : Г. В. Трубников Требуемые НИРиОКР – приоритет при проведении сеансов Этот этап д. б. завершен в 2011 демонстрацией : - Ускорение тяжелых ионов с A ~ 100 ÷ 200 -интенсивность ~ 10 7 A/ имп -Проектное поле – 2 Тл -Развитая инфраструктура Цель– достичь в 2011 году параметров Нуклотрона, необходимых для реализации проекта НИКА за счет: Модернизации инжекционного комплекса (нет АСУ и диагностики, потери k=3) Модернизации ВЧ системы (нестабильность, нет диагностики, 0.6 Т/с) Обновление диагностики и систем управления (на уровне середины 90-х) Модернизации вакуумной системы (10е-7 Торр) Реконструкции систем питания и криогенного обеспечения (2 нет АСУ) Развития необходимой инженерной инфраструктуры (уровень конца 80-х годов) 4/21Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН

5 Первые 6 оборотов (~ 50 s), пучок дейтронов. Синий – инжекция пучка, Красный – сингнал с пикапа. Впервые на Нуклотроне осуществлен медленный вывод пучка с энергией 3.2 ГэВ/н Оценки величины среднего вакуума в кольце Нуклотрона (измеряя время жизни циркулирующего пучка дейтронов при 5 Мэ/н): не хуже чем 4* Торр. (начинали с 8*10 -7 Торр) 4.5÷ 5· МэВ/н (было 1-2 ·10 10 (d) 4.5÷ 5· МэВ/н (было 1-2 ·10 10 (d) Криогеника,Вакуум, Коррекция орбиты, Диагностика, ВЧ, Медленный вывод + растяжка! 1150 ms0 ms Результаты: Нуклотрон - М 5/21Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН

6 Пучок Xe (A=124, Z=42+) был ускорен до 1.5 Г эВ / н и успешно выведен для физиков с энергией 1 ГэВ/н. Изображение выведенного пучка Xe (Е = 0,6ГэВ/н) на фотопластине След от пучка Xe (1 ГэВ / н ) в фотоэмульсии ( эксперимент Беккерель ) Kr, Xe впервые получены на источнике Результаты модернизации ИИ КРИОН, ЛУ -20, ВЧ системы, вакуумной системы и диагностики низкоинтенсивных пучков Результаты: Нуклотрон - М Эволюция профиля пучка (поперечный и продольный) в процессе ускорения MCP детектор для регистрации ионов остаточного газа 6/21Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН

7 Полномасштабная реконструкция системы питания всего ускорительного комплекса Результаты: Нуклотрон - М I max = 6.3kA B max = 2 Тл dB/B = 0.1Gs df/f (RF) = 1e-5 7/21Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН

8 частицы Интенсивности, частиц/имп ЭнергияGSI (SIS18) Нуклотрон-M (2011) Ожидается с новым ионным источником и бустером ( ) p 4,5 GeV d 2,2 GeV/u He d (SPI) 7 Li C MeV/u Mg MeV/u Ar MeV/u Fe Ni MeV/u Kr 34+ 0,3 -1 GeV/u Xe 48/42+ 0,3 -1 GeV/u Ta GeV/u Au 65/ U 28+/73+ 0,05-1 GeV/u /

9 Цель проекта – создание в ОИЯИ нового ускорительного комплекса, который будет обеспечивать: 1a) Столкновение пучков тяжелых ионов 197 Au 79+ x 197Au 79+ при s NN = 4 ÷ 11 ГэВ (1 ÷ 4.5 ГэВ/н кинетической энергии ионов) со светимостью = см -2 сек -1 (при s NN = 9 ГэВ) 1b) Столкновение легких ионов в таком же диапазоне энергий и с той же светимостью 2) Столкновение пучков поляризованных протонов и дейтронов: p p s pp = 12 ÷ 27 ГэВ (5 ÷ 12.6 ГэВ кинетической энергии) d d s NN = 4 ÷ 13.8 ГэВ (2 ÷ 5.9 ГэВ/н кинетической энергии) см -2 сек -1 (при s pp = 27 ГэВ) 3) Эксперименты на выведенных пучках ионов, а также поляризованных протонов и дейтронов на фиксированной мишени: Li Au = ГэВ/н p, p = 5 ÷ 12.6 ГэВ d, d = 2 ÷ 5.9 ГэВ/н 4) Прикладные исследования на пучках ионов с кинетической энергией от 0.5 ГэВ/н до 12.6 ГэВ (p) и 4.5 ГэВ/н (Au) Комплекс NICA, цели проекта: 9/21Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН

10 Комплекс NICA 10/21 E-cool Высоковольтное электронное охлаждение Стохастическое охлаждение Бустер (25 Тл м) 1(3) инжекции, накопление ионов с Эл. охл-ем, ускорение до 600 МэВ/н. КРИОН 6Т+ т/и ЛИНАК (3 МэВ/н), 197 Au 31+ Источник p, d, He 3 + ЛИНАК (5 МэВ/н) 600 МэВ/н: 197 Au Au 79+ Нуклотрон (45 Тл м) ускорение до 4.5 ГэВ/н ( ионов/имп) Инжекция в оба кольца коллайдера по 24 сгустка (с возможным последующим ускорением/торможением Общий ток в кольце: i.

11 Коллайдер NICA 11/24Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН Triplet -8 FODO-12 ОптикаПериме тр, м E крит, ГэВ/н (γ крит ) η при 4.5 ГэВ/н V RF макс, kV Число диполей в кольце Длина диполя, м T IBS,с FODO (7.05) FODO (6.43) FODO (5.89) Triplets (5.96) Triplet (7.56)

12 Параметры коллайдера Периметр кольца, м503,04 Число сгустков24 Длина сгустка (rms), М0.6 * в ТВ, м 0.35 Акцептанс кольца (линз ФФ) 40 мм мрад Продольный акцептанс, dp/p ±0.010 Гамма крит., tr Энергия ионов, ГэВ/н Число частиц в сгустке dP/P (rms), Эмиттанс пучка (rms), гор/вер, (ненорм), мм мрад 1.1/ / / 0.76 Светимость, см 2 сек 1 1.1e251e27 Времена роста ВПР(IBS), сек Зависимость бетатронных частот от dP/P Динамическая апертура коллайдера (гориз.) Для достижения максимальной пиковой светимости, необходимо обеспечить следующие условия: минимальная бета-функция в ТВ; максимальный темп столкновений (максимально возможное число сгустков); макс.интенсивность в сгустке; минимальный эмиттанс пучка; минимальная длина сгустка. Максимальная светимость достигается, когда фазовый объем сгустка совпадает с акцептансом кольца Предложена коррекция хроматичности для обеспечения поперечной динамической апертуры 120 мм мрад и динамической апертуры по dP/P на уровне ±1%

13 IBS (ВПР) моделирование dQ > 0.05 (max при 1 ГэВ/н: 0.471) dQ

14 Стохастическое охлаждение Полный и локальный слип-факторы кольца, как функция от энергии ионов. W = 3-6 ГГц Перекрытие выборок (Д.Мёль, ЦЕРН) 3..6 ГГц: T охл ~0,5T IBS 2..4 ГГц: T охл ~T IBS 14/21Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН Кикер – 48 м «вверх» от Точки Встречи (ТВ) Пикап – 132 м перед кикером (по пучку) В такой схеме расположения кикера и пикапа, «условие Мёля» дает верхнюю границу частоты = 20 ГГц («перекрытие» частот) для величины динамического аксептанса кольца по dP/P равной ±0.01. Светимость уровня см 2 сек 1 соответствует ионов в сгустке, эффективное число ионов Чтобы обеспечить требуемые времена охлаждения, ширина полосы частот выбрана в диапазоне 3-6 ГГц.

15 Электронное охлаждение Подавление рекомбинации: a) Увеличение T_tr_e b) Сдвиг энергии электронов Подавление рекомбинации: a) Увеличение T_tr_e b) Сдвиг энергии электронов T e [эВ] необходимая для обеспечения времени жизни частиц ~10 часов. T_tr_e = 1 эВ 15/21Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН x = y =16м, L ecool =6м, B=1Тл, Ie = 0,5A. T e life >=10ч, r e min T cool Формула В.В.Пархомчука: Темп охлаждения определяется T ||e (стабильность ВВ генератора), и логарифмически зависит от T e Заключение: T ecool ~ 0,05 T ВПР(IBS) на энергии 1 ГэВ/н

16 ДВПР ДПЗ Сценарий охлаждения в коллайдере: 16/21Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН

17 Injection channel Электронное охлаждение 17/21Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН ИЯФ СО РАН, ВЭИ, FZJ + GSI (Германия) Энергия электронов, МэВ 0,5 2,5 Потенциал коллектора vs катод, кВ 0,5 2,0 Ток электронного пучка, А 0.1 1,0 Потери тока электронного пучка, мА< 0.1 Выделяемая мощность в катоде, Вт2×100 Макс. мощность в коллекторах, кВт2×2 Диаметр катода, см3,0 Продольное магнитное поле, Тл 0,1 2,0 Стабильность энергии электронов1×10 -4

18 Система стохастического охлаждения на Нуклотроне 18/21Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН Эволюция функции распределения и dP/P (t) для протонов (вверху) и ионов 6+ С 12. Численное моделирование Эволюция функции распределения и dP/P (t) для протонов (вверху) и ионов 6+ С 12. Численное моделирование сек FZ Juelich

19 Система стохастического охлаждения на Нуклотроне Пикап-станция и сборка ее в криостат перед крио-испытаниями Установка пикап-станции в холодном ПП Нуклотрона Установка пикап-станции в холодном ПП Нуклотрона Кикерная станция (после 60 Вт усилителя) установлена в теплом ПП Нуклотрона Кикерная станция (после 60 Вт усилителя) установлена в теплом ПП Нуклотрона Пикап-станция установлена вместе со всей электроникой (пред-усилители и разветвители) 19/21Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН

20 Измерение дробового шума пучка (Shottky noise) – циркулирующий пучок дейтронов на Нуклотроне, март 2011г. Измерение дробового шума пучка (Shottky noise) – циркулирующий пучок дейтронов на Нуклотроне, март 2011г. Лабораторные измерения («на столе»): исследование СВЧ структуры (затухание, усиление в цепи, и т.п.) Сигнал с собранного режекторного фильтра - «вырезаны» частоты обращения пучка. Лабораторные измерения («на столе»): исследование СВЧ структуры (затухание, усиление в цепи, и т.п.) Сигнал с собранного режекторного фильтра - «вырезаны» частоты обращения пучка. Экспериментальные исследования Важно: отработка режимов длинных плато магнитного поля ( секунд)

21 Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН Спасибо за внимание !