Завершается строительство ускорительного комплекса NICA
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.
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.
Бустер – сверхпроводящий синхротрон, который позволяет ускорить и не потерять в процессе ускорения частицы до того, как они попадут в Нуклотрон. Нуклотрон, в свою очередь, ускоряет ионы из Бустера до энергий, достаточных для проведения эксперимента в Коллайдере.
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. 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.
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. «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, – рассказывает начальник научно-экспериментального отдела инжекции и кольца Нуклотрона ЛФВЭ Алексей Тузиков. – 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».
Сеансы пусконаладочных работ и первый физический пуск систем
В ходе трех первых сеансов пусконаладочных работ ускорительного комплекса, 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».
Основной целью второго сеанса было довести пучки ионов до Нуклотрона. Завершение монтажа оборудования канала транспортировки пучка Бустер – Нуклотрон и системы быстрого вывода пучка из кольца Бустера, изготовленного ИЯФ СО РАН позволило успешно запустить ударный магнит Бустера с рекордным уровнем магнитного поля до 2 кГс и получить вывод пучков двух сортов ионов — гелия и железа — с дальнейшей транспортировкой по каналу.
Во время третьего сеанса был настроен перевод пучка из Бустера в Нуклотрон. 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 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 все время проведения сеансов на Нуклотроне, – рассказывает 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.
Фото: ускорительный комплекс NICA; совместный коллектив ОИЯИ и ИЯФ СО РАН во время пусконаладки оборудования системы быстрого вывода пучка из Бустера и канала транспортировки. Источник: Пресс-центр ОИЯИ