Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике Институт Ядерных Исследований РАН

1

Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физикеОбщемосковский семинар по релятивистской ядерной физике

Институт Ядерных Исследований РАНИнститут Ядерных Исследований РАН

27 марта 2008 года 27 марта 2008 года

Концептуальный Проект Концептуальный Проект

Ускорительного Комплекса Ускорительного Комплекса NICANICA ОИЯИ ОИЯИ

NNuclotron-baseduclotron-based I Ionon CColliderollider ffAAcilitycility

И.Н.Мешков И.Н.Мешков

(от имени Группы (от имени Группы NICA NICA ОИЯИ) ОИЯИ)

2Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физикеОбщемосковский семинар по релятивистской ядерной физике

И.Н.Мешков И.Н.Мешков Проект Проект NICA NICA ИЯИ РАН,ИЯИ РАН, 27.03.08 27.03.08



Project leaders: A. Sissakian, A. Sorin

Accelerator 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. Maltsev

INRV. Matveev, L. Kravchuck

Editors:I. Meshkov A. Sidorin



Содержание доклада:1. Коллайдер тяжёлых ионов – выходные

параметры2. Схема и режим работы комплекса3. Светимость4. Инжектор5. Бустер-синхротрон6. Нуклотрон7. Коллайдер8. Оценки стоимости9. Коллаборация NICA

Заключение



1.Коллайдер тяжёлых ионов: выходные параметры

Ион-ионные встречные пучкиДва места встречиЧастицы р ÷ 238U92+, p, dМакс. магн. жёсткость, Тм 45Макс. энергия, МэВ/н р: 12.6

238U92+: 4.36

Проектные "контрольные" параметры: Частицы 238U92+

Энергия, ГэВ/н 1.0 3.5 Светимость, см-2с-1 6.61025 1.11027



2. Схема и режим работы комплекса

Nuclotron

Krion & Linac

Booster

ColliderC = 251.2 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 3.2×109,

acceleration up to 50 MeV/u,

electron cooling,acceleration

up to 400 MeV/u

Nuclotron (45 Tm)injection of one

bunch of 1.1×109 ions,

acceleration up to 3.5 GeV/u max.

Collider (45 Tm)Storage of

15 bunches 1109 ions per ring at 3.5 GeV/u,

electron and/or stochastic cooling

Injector: 2×109 ions/pulse of 238U32+ at energy 6 MeV/u

IP-1 IP-2

Stripping (40%) 238U32+ 238U92+

Two superconducting

collider rings



2х15 injection

cycles

8

30 injection cycles of 1109 ions 238U92+

per cycle

2 cyclesof injection,

electroncooling (?)

electroncooling

238U32+

stripping to

238U92+

2 x 1.51010 ions

of 238U92+

2. 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 2s 0.4s 2s 3s 4.5s 135 s

KRION RFQ RFQ DTL Booster Nuclotron Collider

Eion/A



9

1) Интенсивность пучков: nbunch & Nbuch

2) * "hour-glass effect" minimum lbunch &

injT2

0expprepaverage )t(

dt)t(L

TT

)0(L

3) = min

3.2. = (t) L = L(t)

3.1. = min Nbunch? lbunch? nbunch?

3. Светимость и как за неё бороться

*

2bunch

0bmax4

NfnL



10

3. Светимость и как за неё бороться (продолжение)

1) Интенсивность пучков: nbunch & Nbuch

nbunch limitation: "electron cloud" effect, multibunch beam instability, technical parameters of the injection

system. Nbunch limitation: Laslett tune shift, Beam-beam effect, Coherent instabilities



11


2) * "hour-glass effect" minimum lbunch

&

*

2* s

s

)s(sa

L() = Lmaxf(), = lbunch/*

minimum

lbunch

e-cooling + "bunch compression"

("rotation")



minimum e-cooling in booster

KRION

12


3) = min

3.1. = min Nbunch? lbunch? nbunch?



lbunch

nbunch

Nbunch

L

13




3) = 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




Colliding beams parameters

Чтобы обеспечить "контрольные" параметры, нужно:

1. Circumference, m 225

2. *, m 0.5

3. p/p (one ) 110-3

4. Bunch length (), m 0.3

5. Beam emittance (), mmmrad

0.26

6. Bunch intensity (1-2)109

7. Bunch number per ring 15

8. Average luminosity for UxU, 3.5 GeV/u, cm-2s-1

1.11027

15

4. Инжектор: Источник КрИон + линак



KRIONLina

c

d

16

4. Инжектор (продолжение)

4.1.Крион – криогенный ионный источник

на основе электронной струны



Е.Д.Донец, Е.Д.Донец, и др.




4.1. Крион (продолжен

ие)

(Nion)ex

p

(Ne)exp

f(B) =

CB3

Total number of electrons/ions in the electron strings (nC) vs applied magnetic field [T]

Nion B3

Источник B [T] Ions Nion/pulseКрион-2 3.0 Au30+ 5108 expКрион-6Т 6.0 Au32+ 2109 scaled

B2

Normalized emittance 0.2 mmmrad (BNL)




4.1.Крион (продолжен

ие)

Крион-2 с полем 3 Т



4.2. Линейный ускоритель:RFQ + RFQ DTL

(O.Belyaev, Yu.Budanov, I.Zvonarev, A.Maltsev, IHEP )

1st section - Radio Frequency Quadrupole (RFQ)

Electrodes of RFQ

2H cavities of "Ural" RFQ

Main parametersInjection energy 200 keV/ion Acceptance Extraction energy 473 keV/u Normalized 0.5

mmmradUnnormalized 70

mmmrad

4. Инжектор (продолжени

е)



4. Инжектор (продолжени

е)

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

mmmradOverall length 13.6 m Acceleration rate 0.34 MeV/m Extraction energy 6.2 MeV/u

Electrodes of RFQ DTLCavity of "Ural" RFQ DTL

Sector H-cavity

21

5. Бустер-синхротронBooster layout

e-cooler

KRION + Linac

Booster

Nuclotron

Synchrophasotron



22

5. Бустер-синхротрон (продолжение)



Выбор типа магнитной системы:"Тёплая" или

сверхпроводящая?Сравнение параметров

(V.Mikhailov)Parameter Warm magnets SC magnets

Power consumption, MW

2.0 0.3

Peak power 12.0 MW(active + reactive)

1.8 MVA(reactive)

Maximum voltage, kV

4.0 0.3

Maximum current, kA 3.0 4.0

Electric parameters

Red – hard for realization, green – easily to realise, blue - conventional

23

5. Бустер-синхротрон (продолжение) Выбор типа магнитной

системы (продолжение)



Red – hard for realization, green – easily to realise, blue - conventional

Mechanical parameters

Parameter Warm magnets SC magnets

Dipole weight, t 3.0 1.5

Dipole cross-section, m2

0.73 x 0.4

Vacuum conditions

Desorption coefficient,

molecules/ion

104 105 102 104

Residual gas H2, CO H2

24

Warm magnets

A.Butenko

SC magnets

A.Butenko

Warm and SC magnets inside the Synchrophasotron yoke

Выбор типа магнитной системы

(продолжение)




25

Main Booster parameters

Ions 238U32+

Circumference, m 216

Injection/extraction energy, MeV/u 6.2/400

Magnetic rigidity, Tm 2.4/25.0

Transition energy, MeV/u 3.9

Maximum dipole field, T 1.8

Cycle repetition period, s 4.0

Vacuum, Torr 10-11




SC magnetic system

("quasy-SIS100", A.Kovalenko, G.Khodzhibagiyan, et al.)




4.0 s

B = 1.8 T Fast extraction, 3.2 10E9 ions

Booster cycle diagram

E-cooling?




Electron cooler (I.Meshkov, A.Sidorin, A.Smirnov)

Electron cooler EC-35

(Budker INP for IMP, Lanzhou)

Main E-cooler parameters

Electron energy, keV

55 (35?)

Ion energy, MeV/u 100.0

E-beam current, A 1.0

Overall length, m 4.0

Cool. section length, m

2.5

Solenoid B-field, kG 1.5

B-field inhomogeinity 110-4

Te / Te||, meV 200/0.5

SC solenoid in cooling

section ?




Problems to be solved

Problem Comments

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



6. Нуклотрон SC Proton Synchrotron

Parameter Project Status (March 2008)

1. Circumference, m 251.5

2. Maximum B-field, T 2.05 1.5

3. Max. magn. rigidity, Tm

45 33

4. Cycle duration, s 2.0 5.0

5. B-field ramp, T/s 2.0 1.0

6. Accelerated particles p–U, p, d p-Fe, d

7. Max. energy, GeV/u 12.6(p), 4.36( 238U92+)4.1(d),

[3.0( 238U92+)]

6. Intensity, ions/cycle11011(p),

1109(A/Z = 2)

11011(p),1106(Fe24+)

2108(d)



6. Нуклотрон (продолжение)

Цель – достичь к 2010 г. параметров, необходимых для реализации проекта NICA: ускорение тяжелых ионовA~200, с интенсивностью пучков ~ 109 A/цикл, частотойповторения 0.2-0.4 Гц при энергии ~ 3.5 ГэВ/н для U92+

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)




Развитие Нуклотрона (Нуклотрон-М)




«Кувырок» - одна из ключевых задач!

RF phase and (later) amplitude jumps – bunch “overturn” in

phase space (A.Eliseev)

Bunch length (phase length)

E




Ускорительное отделение ЛВЭ

13.07.2007

Г.В.Трубников



6. Нуклотрон (продолжение)Новый источник КРИОН-6Т

Модернизация системы питания

Модернизация ВЧ системыМодернизация 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 (2007-2010): материалы и оборудование: 2387 k$

оплата работ + договора: 3165 k$

35

7. Коллайдер



1. Circumference, m 225

2. Colliding particles p ÷ U, p, d

3. Number of interaction points 2

4. Maximum B-field, T 5.0 (4.0)

5. Max. magn. rigidity, Tm 45 (37.5)

6. Bunch number per ring 15

7. Bunch intensity (1-2)109

8. (x / y)* , m 0.5 / 0.5

9. (Dx, / Dy)* , m 0 / 0

8. Average luminosity for UxU, 3.5 GeV/u, cm-2s-1

1.11027

36

7. Коллайдер (продолжение)



Кольца коллайдера

Прототип: диполь УНК (ИФВЭ)

"Twin" dipole magnets

37




Bunch number limitation by technical parameters of the injection

system(A.B.Kuznetsov)

lseparatrix kickerc

Injected bunch

Circulatingbunch

s

jittercKicker pulse

Circulatingbunch

lbunc

h

lbunch 0.5(kicker + jitter)c

kicker 300 ns nbunch 15

38




Single bunch parameters limitation

IBS 50 s

L(IBS) =

L(0)/2

Coolin

g!

lbunch

Nbunch

IBS rateQincoherent

ξ (beam-beam

parameter)

39




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

NICAMain E-cooler parameters

Max.electron energy, MeV 2.4

E-beam current, A 1.0

Cool. section length, m 6.0

SC solenoid B-field, T 2.0

B-field inhomogeinity 210-5

Te / Te|| 50 eV / 5 meV

40




Stochastic cooling

W – band width of the feed back

M – “the mixing factor”bunch

Ringbunch

cool

l

CNN

MN

W

dt

d11

Stochastic cooling for NICA: C Ring = 225 m

L bunch = 0.3 m

N bunch = 1 109

cool = 50 s W = 18 GHz

Hopeless!

41




Stochastic cooling (contnd)S-cooling with “shifted” PU electrodes

[T.Katayama, I.Meshkov, D.Moehl]

x

d

h

z

y

ION BEAM

8 6 4 2 0 2 4 6 80

0.1

0.2

0.30.3

0

f_ion x( )

88 x

12 6 0 6 120

0.25

0.5

0.75

11

0

f_PU x( )

d_x 2dd_x 2d( ) x8 6 4 2 0 2 4 6 8

0

0.1

0.2

0.3

f_ion x( )

x

It makes sufficient a conventional S-cooling system of 5 GHz band

width

42

8. Оценки стоимости Проекта



Почем кварк-глюоны

для народа?

А это кто как считает!

43

8. Оценки стоимости Проекта (продолжение)



8.1. 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




8.1. Процедура оценок (продолжение)Учитывались составляющие стоимости:

Трудозатраты (1 чел.-месяц = 1 k$),

Стоимость материалов и изготовления,

Сторонние контракты.8.2. Оценивались следующие работы: Разработка проекта (“paper work”), Конструирование (от эскизов до выпуска рабочих

чертежей), Изготовление, Сборка - монтаж, Пуско-наладочные работы.

45




8.1. Процедура оценок (продолжение)Учитывались составляющие стоимости:

Трудозатраты (1 чел.-месяц = 1 k$),

Стоимость материалов и изготовления,

Сторонние контракты.8.2. Оценивались следующие работы: Разработка проекта (“paper work”), Конструирование (от эскизов до выпуска рабочих

чертежей), Изготовление, Сборка - монтаж, Пуско-наладочные работы.

46




8.3. 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




8.4. Результаты оценок (US k$)

Нуклотрон-М 5,200

Инжектор 11,150Бустер со станциейобдирки ионов 16,500

Коллайдер 55,800

Линии транспортировки пучков 2,500

R & D разного рода 1,900

Итого 93,050



I этап ускорительный комплекс Нуклотрон-М (2008-2010) и необходимая инфраструктура, программа R&D

подготовка рабочего проекта

II этап разработка и изготовление элементов (2008-2012) комплекса ускорителя

развитие инфраструктуры

III этап окончание изготовления, монтаж (2010-2012)

IV этап наладка, приемка и запуск в эксплуатацию (2013-2014)

9. Основные этапы проекта 9. Основные этапы проекта NICA /MPDNICA /MPD

Начало экспериментов – 2014 г.

49

NICA

ОИЯИ

10. Коллаборация NICA



NICA

ОИЯИ

ИФВЭ

ИЯФ им.

Г.И.Будк

ера

ФИ РАН им.

П.Н.Лебедева

ИТЭФим.

А.И.Алиханова

ИЯИ РАН

НИИЯФ МГУим.

Д.В.Скобельцина

МИФИ

МРТИ

ВНИИЭФ

ВНИИТФ

50

Спасибо за Ваш интерес к проекту!

Documents

Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике Институт Ядерных Исследований РАН