Transcript ppt, 12.4 Mb

Ускорительный комплекс накопительных
колец на встречных пучках тяжелых ионов
NICA в ОИЯИ
Г.В.Трубников
ОИЯИ, г.Дубна
Вид на площадку с вертолета
Нуклотрон
(сверхпроводящий синхротрон)
ЛФВЭ ОИЯИ
Синхрофазотрон
Схема комплекса НИКА
Научная программа на ускорительном
комплексе физики высоких энергий ОИЯИ
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.
SPI: поляризованные d
EBIS: N, Ar, Fe, Kr, Xe, …
Лазер: Li, B, C, F, Mg, …
Дуоплазмотрон: p, d, a, 3He
Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН
3/21
1 этап: Нуклотрон-М
Руководитель: Г.В.Трубников
Цель– достичь в 2011 году параметров Нуклотрона, необходимых для
реализации проекта НИКА за счет:
 Модернизации инжекционного комплекса (АСУ, диагностика, 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 кВт@4.5К,
нет АСУ)
 Развития необходимой инж. инфраструктуры (уровень конца 80-х годов)
Требуемые НИРиОКР – приоритет при проведении сеансов
Этот этап д.б. завершен в 2011 демонстрацией:
- Ускорение тяжелых ионов с A ~ 100 ÷ 200
интенсивность ~ 107 A/имп
Проектное поле – 2 Тл
Развитая инфраструктура
Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН
4/21
Результаты: Нуклотрон-М
Криогеника,Вакуум, Коррекция орбиты, Диагностика, ВЧ, Медленный вывод + растяжка!
4.5÷ 5·1010 (d) @ 300 МэВ/н
(было 1-2 ·1010 (d)
Первые 6 оборотов (~ 50 s), пучок дейтронов. Синий
– инжекция пучка, Красный – сингнал с пикапа.
Впервые на Нуклотроне
реализован медленный вывод
пучка с энергией 3.2 ГэВ/н
0 ms
Оценки величины среднего
вакуума в кольце Нуклотрона
1150 ms
(измеряя время жизни
циркулирующего пучка дейтронов
при 5 Мэ/н): не хуже чем 4*10-10
Торр. (начинали с 8*10-7 Торр)
Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН
5/21
Результаты: Нуклотрон-М
Результаты модернизации ИИ КРИОН, ЛУ-20, ВЧ системы, вакуумной
системы и диагностики низкоинтенсивных пучков
Kr, Xe впервые получены на источнике
Пучок Xe (A=124, Z=42+) был ускорен
до 1.5 ГэВ/н и успешно выведен для
физиков с энергией 1 ГэВ/н.
Эволюция профиля пучка
(поперечный и продольный) в
процессе ускорения
MCP детектор для регистрации
ионов остаточного газа
Изображение выведенного пучка Xe
(Е = 0,6ГэВ/н) на фотопластине
След от пучка Xe (1 ГэВ/н) в фотоэмульсии
(эксперимент “Беккерель”)
Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН
6/21
Результаты: Нуклотрон-М
Полномасштабная реконструкция системы питания всего ускорительного комплекса
Imax = 6.3kA
Bmax = 2 Тл
dB/B = 0.1Gs
df/f (RF) = 1e-5
Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН
7/21
Модернизация криогенной системы
Приобретен и введен в эксплуатацию гелиевый
винтовой компрессор (50 атм.) - вверху.
Полностью обновлен парк гелиевых
турбодетандеров (внизу)
Обновлены
несколько
поршневых
компрессоров
Модернизирована гелиевый ожижитель КГУ-1600/4.5.
В результате холодопроизводительность комплекса
увеличена вдвое (с 2кВт до 4 кВт). Закончены тех.проекты
новых винтовых компрессоров (Казань, НПО КомпрессорМаш)
и нового гелиевого ожижителя для НИКИ ОГ-1000 (НПО
ГелийМаш).
Г.Трубников, Фин.комитет ОИЯИ,2011
8/42
Nuclotron-NICA
Источник поляризованных частиц (p, d, H) ОИЯИ+ИЯИ РАН
Сборка зарядово-обменного плазменного
ионизатора (ОИЯИ)
Источник пучка атомов, общий вид
(ИЯИ РАН)
11/36
2-й этап: Проект Nuclotron-NICA
foreinjector
ИТЭФ
Cascade transformer
up to 0,7 MeV
Новый источник тяжелых
высокозарядных ионов
КРИОН-6Т. Статус: сборка,
испытания в начале
2012г.
Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН
10/24
Бустерный синхротрон
Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН
11/24
Первые результаты холодных испытаний
криволинейного дипольного магнита Бустера.
Изготовление прототипа квадруполя и секступоля
Дипольный магнит в криостате
перед испытаниями
Стенд криогенных испытаний ЛФВЭ ОИЯИ
История
квенчей
дипольного
магнита
Ярмо квадрупольной линзы
после финишной обработки
Изготовлены пластины для ярма
секступольного корректора
28/34
Интенсивности, частиц/имп
Энергия
GSI (SIS18)
Нуклотрон-M
(2011)
Ожидается с новым
ионным источником и
бустером
(2014-2015)
p
4,5 GeV
21010
81010
51012
d
2,2 GeV/u
51011
81010
51012
4He
2109
11012
d
2108
71010 (SPI)
7Li6+
7109
51011
частицы
12C6+
300 MeV/u
71010
6109
31011
24Mg12+
300 MeV/u
51010
7108
51010
40Ar18+
300 MeV/u
61010
8106
21010
4106
51010
56Fe28+
58Ni26+
300 MeV/u
8109
84Kr34+
0,3 -1 GeV/u
21010
2105
1109
124Xe48/42+
0,3 -1 GeV/u
11010
1105
1109
181Ta61+
1 GeV/u
2109
197Au65/79+
238U28+/73+
3109
0,05-1 GeV/u
6109/21010
1109
Комплекс NICA, цели проекта:
Цель проекта – создание в ОИЯИ нового ускорительного комплекса,
который будет обеспечивать:
1a) Столкновение пучков тяжелых ионов 197Au79+ x 197Au79+ при
sNN = 4 ÷ 11 ГэВ (1 ÷ 4.5 ГэВ/н кинетической энергии ионов)
со светимостью <L>= 1027 см-2сек-1 (при sNN = 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 spp = 12 ÷ 27 ГэВ (5 ÷ 12.6 ГэВ кинетической энергии)
dd sNN = 4 ÷ 13.8 ГэВ (2 ÷ 5.9 ГэВ/н кинетической энергии)
<L>  1030 см-2сек-1 (при spp = 27 ГэВ)
3) Эксперименты на выведенных пучках ионов, а также поляризованных
протонов и дейтронов на фиксированной мишени:
Li  Au = 1  4.5 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)
Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН
14/21
Комплекс NICA
Нуклотрон (45 Тлм)
ускорение до 4.5 ГэВ/н
(1.1109 ионов/имп)
Высоковольтное
электронное
охлаждение
КРИОН 6Т+
т/и ЛИНАК
(3 МэВ/н),
197Au31+
Источник
p, d, He3
+ ЛИНАК
(5 МэВ/н)
Стохастическое
охлаждение
Инжекция в оба кольца
коллайдера по 24 сгустка (с
возможным последующим
ускорением/торможением
Общий ток в кольце: 51010 i.
E-cool
Обдирка @ 600 МэВ/н:
197Au31+  197Au79+
Бустер (25 Тлм)
1(3) инжекции, накопление
2-6109 ионов с Эл. охл-ем,
ускорение до 600 МэВ/н.
15/21
Режим работы комплекса NICA
Бустер
Быстрый
вывод
B(t)
I(t)
Электронное охлаждение
Инжекция
Нуклотрон
B(t)
I(t)
Медленный вывод
Быстрый вывод
Инжекция
Коллайдер
B(t)
I(t)
Режим накопления (БН)
0
4
8
12
16
Формирование коротких
сгустков и режим
столкновения
20
24
185
Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН
189
193
197 сек
16/24
Коллайдер NICA
FODO-12
Triplet -8
Оптика
FODO-12
FODO-11
FODO-10
Triplets-8
Triplet-10
Периме Eкрит,
тр, м
ГэВ/н
(γкрит)
497
5.68 (7.05)
489
5.10 (6.43)
503
4.54 (5.89)
529
4.66 (5.96)
576
6.16 (7.56)
η при 4.5
ГэВ/н
VRF макс,
kV
0.010
0.006
0.0006
0.002
0.012
804
702
666
720
995
Число
диполей в
кольце
80
72
96
84
108
Длина
диполя,
м
1.94
2.16
1.62
1.85
1.44
Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН
TIBS,с
1240
1110
980
1200
1610
17/24
Параметры коллайдера
Максимальная светимость достигается, когда фазовый объем сгустка совпадает с акцептансом кольца
Периметр кольца, м
503,04
Для достижения максимальной
пиковой
24
светимости,
Длина
сгустка (rms), М необходимо
0.6 обеспечить следующие
*условия:
в ТВ, м
0.35
Акцептанс кольца (линз ФФ)
40  мм мрад
•
минимальная
бета-функция
в ТВ;
Продольный акцептанс, dp/p
±0.010
• максимальный
темп 7.091
столкновений (максимально
Гамма
крит., g
Энергия
ионов, ГэВ/н число1.0
3.0
4.5
возможное
сгустков);
Динамическая апертура коллайдера (гориз.)
Число частиц в сгустке
2.75∙10 2.4∙10
2.2∙10
• макс.интенсивность в сгустке;
dP/P (rms), 10
0.62
1.25
1.65
• минимальный
эмиттанс
Эмиттанс
пучка (rms),
1.1/
1.1/ пучка;
1.1/
гор/вер,
(ненорм), мммрад длина
1.01
0.89
0.76
• минимальная
сгустка.
Число сгустков
tr
8
9
9
-3
Светимость, см2сек1
1.1e25
1e27
1e27
186
702
2540
Времена роста ВПР(IBS), сек
s 
 * ,
L
F
f
* coll HG 
4
 c   C
Nb2
Fcoll 
lbb
, lbb 
 
1
f HG  s*  

 
Ring
nbunch
Зависимость
бетатронных
частот от dP/P

exp(u 2 )du

2
 
 u s  
1   *  
    
Предложена коррекция хроматичности для
обеспечения поперечной динамической
апертуры 120 мммрад и динамической
апертуры по dP/P на уровне ±1%
Стохастическое охлаждение
2 2
W (1  1 / M pk ) N  N C

eq
2  s
 N eq
M kp
1
M pk 
1
2( f max  f min ) pk T pk
Кикер – 48 м «вверх» от Точки Встречи (ТВ)
Пикап – 132 м перед кикером (по пучку)
p
p
f max 
1
2 pk T pk
p
p
M kp 
1
2( f max  f min ) kpTkp
p
p
Полный и локальный слип-факторы кольца, как
функция от энергии ионов.
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 11027 см2сек1
W = 3-6 ГГц
соответствует 2.3109 ионов в сгустке,
эффективное число ионов 81011. Чтобы
обеспечить требуемые времена
охлаждения, ширина полосы частот
выбрана в диапазоне 3-6 ГГц.
Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН
“Перекрытие выборок”
(Д.Мёль, ЦЕРН)
3..6 ГГц: Tохл~0,5TIBS
2..4 ГГц: Tохл~TIBS
19/21
Электронное охлаждение
Формула В.В.Пархомчука:

 4 Z 2 e 4 ne LP
1
F  V
m
V 2  2e,eff


3/ 2
x=y=16м, Lecool=6м, B=1Тл, Ie = 0,5A.
Te  life >=10ч, re  min Tcool
Te [эВ] необходимая для обеспечения
времени жизни частиц ~10 часов.
Подавление рекомбинации:
a) Увеличение T_tr_e
b) “Сдвиг” энергии электронов
Темп охлаждения определяется T||e
(стабильность ВВ генератора), и
логарифмически зависит от Te
T_tr_e = 1 эВ
Заключение: Tecool ~ 0,05 TВПР(IBS) на энергии 1 ГэВ/н
Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН
20/21
Сценарий охлаждения в коллайдере:
ДВПР
ДПЗ
Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН
21/21
Дипольный магнит коллайдера
Изготовление кабеля и обмотки
Вакуумные испытания собранного
диполя коллайдера
31/34
Электронное охлаждение
Injection
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, Вт
2×100
Макс. мощность в коллекторах, кВт
2×2
Диаметр катода, см
Продольное магнитное поле, Тл
Стабильность энергии электронов
3,0
0,1  2,0
1×10-4
Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН
23/21
Система стохастического охлаждения на Нуклотроне
2500
3.496
3.500
3.504
0
2
4
6
8
10 сек
Эволюция функции распределения и dP/P (t) для протонов
(вверху) и ионов 6+С12. Численное моделирование
2500
3.496
3.500
3.504
0
2
4
6
8
10 сек
FZ Juelich
Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН
24/21
Система стохастического охлаждения на Нуклотроне
Пикап-станция и сборка ее в криостат перед крио-испытаниями
Установка пикап-станции в
холодном ПП Нуклотрона
Кикерная станция (после 60 Вт усилителя)
установлена в теплом ПП Нуклотрона
Пикап-станция установлена вместе со всей
электроникой (пред-усилители и разветвители)
Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН РАН
25/21
Проект Нуклотрон-НИКА
Развитие криогенной и инженерных систем (Н.Агапов)
Корп.217
Новая фабрика по
изготовлению, сборке и
испытаниям СП магнитов
для НИКИ и ФАИР
(30 x 75 m2)
Г.Трубников, Фин.комитет ОИЯИ,2011
26/42
Техническое проектирование комплекса
Компоновка зданий и сооружений для размещения
тяжелоионного коллайдера НИКА на плозадке ЛФВЭ
ОИЯИ (ЗАО «Комета», ГСПИ)
Выполнены геологические и геодезические изыскания, топографическая съемка. Закончена
технологическая часть ТП, проектирование АСРК. В завершающей стадии архитектурная часть ТП.
31/34
Экспертный комитет
Machine Advisory Committee NICA
The design of the NICA project is progressing well. There is a considerable progress in
developing a new lattice for the collider and the ring design. However, more aggressive
work on the design is required in order to stay within proposed timeline for the project.
Г.Трубников, Фин.комитет ОИЯИ,2011
28/42
Коллаборация НИКА
Budker INP





Booster RF system
Booster electron cooler
Collider RF system
HV e-cooler for collider
Electronics
INR RAS (Troitsk)
IHEP (Protvino): Injector Linac
FZ Jűlich (IKP): HV E-cooler
& Stoch. cooling
Fermilab: HV E-cooler,
Beam dynamics, Stoch. cooling
CERN: Beam dynamics, E-cooling, Acceler.
technique
All-Russian Institute for Electrotechnique
HV Electron cooler
GSI/FAIR
SC dipoles for Booster/SIS-100
SC dipoles for Collider
BNL (RHIC)
Electron & Stochastic
Cooling
ITEP: Beam dynamics in the
collider
Corporation “Powder Metallurgy” (Minsk, Belorussia): Technology of TiN coating of
vacuum chamber walls for reduction of secondary emission
29
29/42
2017
G.Trubnikov, COOL-2011, Alushta, Ukraine
30/24
Спасибо за внимание !