На комплексе NICA улучшили электронное охлаждение ионов ксенона

В Объединенном институте ядерных исследований в ходе 4-го сеанса пуско-наладочных работ на комплексе NICA  на ускорителе Бустер было оптимизировано электронное охлаждение ионов ксенона 124Хе28+. Достигнутое уменьшение размера пучка в Бустере привело к более эффективному переводу его в Нуклотрон, что примерно в полтора раза повысило интенсивность ускоренного пучка.

Само охлаждение ксенона было получено в декабре, сейчас же его оптимизировали и оценили при помощи дополнительной диагностики, которая позволяет более точно провести количественную обработку результатов. При этом при выводе пучка на детектор эксперимента  [email protected]  скорость регистрируемых событий возросла вдвое – это позволит быстрее набрать необходимую статистику.

Настройка электронного охлаждения была осуществлена  в ходе текущего сеанса пуско-наладки на NICA  при работе ускорительного комплекса на эксперимент [email protected] в так называемом «фоновом» режиме. «Результат действительно выдающийся, как видно по иллюстрациям, сгусток ускоренных частиц, первоначально занимающий примерно половину размера высокочастотной области захвата, сжимается в одну десятую за время циркуляции пучка», – прокомментировал полученный результат заместитель начальника ускорительного отделения  ЛФВЭ ОИЯИ  Анатолий Сидорин. Ионы охлаждались на энергии инжекции, равной 3.2 МэВ/н, при включенной высокочастотной системе Бустера. Процесс охлаждения отлично наблюдался по эволюции длины сгустка ионов, измеряемой быстрым трансформатором тока в кольце ускорителя.

Идея метода электронного охлаждения, предложенная академиком Гершем Будкером, заключается в том, что в одной из прямолинейных секций циклического ускорителя на траекторию ионного пучка запускается пучок электронов. Электронное охлаждение – по сути это охлаждение горячего газа ионов в холодном газе электронов. В процессе теплоотдачи происходит сжатие пучка.

Эксперименты по электронному охлаждению ионов гелия, углерода и железа проводились под руководством Игоря Мешкова — одного из пионеров метода – с первого сеанса на Бустере. Эффект охлаждения контролировался по ионизационному профилометру и был надежно зафиксирован. Получение проектного темпа охлаждения требует точного выравнивания ионного и электронного пучков. Диагностика, имеющаяся в секции охлаждения Бустера, позволяет измерять положение ионного и электронного пучков на входе и выходе секции, но для правильного функционирования она должна получать информацию от высокочастотной системы Бустера и других подсистем. «В этом сеансе в настройке охлаждения приняла участие бригада из Новосибирска под руководством Владимира Ревы. Помощь коллег, которые великолепно знают и понимают свое оборудование, была неоценимой, — подчеркнул Анатолий Сидорин. — Благодаря им оба пучка были аккуратно выровнены в секции охлаждения и были получены времена охлаждения достаточно близкие к ожидаемым, а при энергии инжекции — это сотни миллисекунд».

Электронное охлаждение широко применяется в мире, однако после пионерских исследований в  Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера  на территории России, страны местоположения ОИЯИ, больше не использовалось. В ИЯФ было создано несколько систем для европейских стран и Китая. Сейчас благодаря проекту NICA эта технология вернулась на свою родину. Преимущество системы охлаждения Бустера – это высочайшее качество магнитного поля в секции охлаждения, что приводит к более быстрому охлаждению.

В текущем сеансе команда проекта добилась заметных успехов в решении задачи непрерывной работы системы охлаждения в течение всего сеанса. Одной из проблем при работе систем электронного охлаждения является высокая мощность электронного пучка в секции охлаждения. Система работает в режиме рекуперации энергии электронов. То есть сначала электроны ускоряются, а потом тормозятся. Тепловая нагрузка на коллекторе электронов небольшая, и с выделением газа из стенок коллектора система откачки легко справляется. Но в секции охлаждения мощность электронного пучка может составлять несколько десятков киловатт в Бустере и до двух мегаватт, если говорить о системе охлаждения коллайдера. «Проще говоря, если вы неверно направите пучок и где-то заденете стенку вакуумной камеры, то у вас тут же резко ухудшатся вакуумные условия, закроются шибера на входе и выходе секции, и весь ускорительный комплекс на какое-то время будет остановлен. В худшем варианте развития событий может сгореть катод электронной пушки и потребуется достаточно сложный и долгий ремонт. Поэтому долговременная стабильность работы всех источников питания и профессиональная подготовка персонала выходят на первое место», – рассказал Анатолий Сидорин.

Для прецизионной настройки и точного измерения всех характеристик системы требуется развитие диагностики ионного пучка в Бустере и проведение измерений при специально подобранных параметрах цикла магнитного поля. Поэтому специалисты проекта говорят о том, что было бы полезно для комплексного тестирования провести отдельный сеанс на Бустере именно по электронному охлаждению. Следующий этап – это реализация охлаждения при энергии ионов примерно 60 МэВ/н, что необходимо для работы комплекса при инжекции пучка в коллайдер.

Стоит отметить, что разработанная система электронного охлаждения может применяться не только в физике высоких энергий. Одно из ее применений, которое сейчас находится на стадии изучения, — это ядерная медицина. При помощи электронного охлаждения можно сформировать очень маленький, доли миллиметра, по поперечным размерам пучок ионов для радиационной терапии и тогда облучаемая область может быть локализована с высокой точностью.

Пресс-служба