Модернизация инжекционного комплекса

«Нуклотрон».

• Модернизация источников заряженных частиц.

• Модернизация форинжектора.• Модернизация ЛУ-20.

1) Лазерный источник ионов LIS (Laser Ion Source).

2) Электронно - струнный источник ионов ESIS (Electron String Ion Source).

3) Источник поляризованных ионов SPIon (Source of Polarized Ions).

4) дуговой Источник неполяризованных ядер водорода, дейтерия и гелия - дуоплазмотрон.

Лазерный источник ионов( LIS )

₆Li³⁺, ₇Li³⁺, 10B4+, ₁₂C5⁺, ₁₆O6⁺, ₁₉F7⁺, ₂₄Mg 10⁺, ₂₈Si 12⁺

1976 Лазер Nd-стекло CO₂-лазер

• ≈1 импульс / мин.

неприменим в качестве источника ионов для работы на ускорителях.

• Трудоемкость эксплуатации

• ≤ 1 импульса/сек. удовлетворяет требованиям

частоты следования импульсов

• Относительная простота обслуживания

Преимущества CO₂- лазера

Nd CO₂

Nd - стекло Nd-гранат (YAG-Nd)

• ≈1 импульс / мин. ( менее 0.04 Гц ). * λ ≈ 1.15 ( Вт/м К ∙ )

• ≤ 10 импульсов/сек. ( до 100 Гц ) * λ ≈ 14 ( Вт/м К )∙

YAG-Nd

Nd-стекло

ИТЭФ-ТВН (TWAC-ITEP)Россия - ЦЕРН

(ТерраВаттный Накопитель) (TerraWatt Accumulator) и DPIS TITech (Direct Plasma Injection Scheme) TOKYO, JAPAN

LIS в проектах:

L10(20) L5

Target High voltageplatform

Ion beam

Plasmas torch

Laser beam

L100Mirrors

CO₂-лазерная система 5 Дж 20 Дж 100 Дж

TWAC

Wavelength, m 10,6

Pulse energy, J 5/20/100

Pulse duration, ns 100/80/30

Power density at target spot 2x1011/1012/1013 W/cm2

Max. repetition rate, Hz 0,5 /1/1

Operational resource ~106

ЦЕЛЬ : переход на тяжелые ионы

Зависимость потенциалов ионизации, полученных LIS , от импульсной энергии лазера (красные точки – TWAC , черные точки – из других публикаций. С02-лазер?

LIS

DPIS TITech2000-2006

• Nd-YAG 0.4 Дж C⁶⁺ 46.8%• CO₂ - лазер 1.2 Дж(85 нс) C⁵⁺/C⁴⁺/C³⁺ 36/48/16 Nd-glass 3 Дж (30 нсек) нет выс./зар

ионов Nd-YAG 2.3 Дж(6нс) C⁶⁺/ Fe¹⁷⁺/ Ag¹⁵⁺

CO₂-лазер

Nd-YAG

E ≥ 2 Дж , τ≈ 7-8 нс

Плотность поток на мишени ~ 5 ·10¹² Вт/см²

Получение пучка ядер ₁₂C⁶⁺ без стрипера, ускорение более тяжелых ионов вплоть до Fe19+

Электронно - струнный источник ионов ESIS (Electron String Ion Source).

Источник высокозарядных ионов «Крион» представляет собойуникальный инструмент, с помощью которого в области атомной физики, физики заряженной плазмы и ускорительной техники получены и получаются результаты выше или значи-тельно выше мирового уровня.

Для ускорения ионов золота на существующем ускорительном комплексе«Нуклотрон» необходимо обеспечить от ионного источника пучки ионов Au⁶⁵⁺ .

Для проекта NICA необходимы пучки ионов золота Au30+ или Au51+.Пучки таких ионов получаются на существующем источнике «Крион»,однако их интенсивности существенно ниже требуемых.

Источник Крион сегодня

1. Электронная струна – это обнаруженное в ЛВЭ ОИЯИстационарное состояние высокотемпературной

однокомпонентной электронной плазмы, удерживаемойсильным магнитным и слабым электрическим полями.

2. Состояние электронной струны квазистабильное испокойное в достаточно широких пределах параметров,

так что она может использоваться для удержанияположительных ионов и доведения их до высоких

зарядовых состояний за счет обдирки орбитальныхэлектронов электронами струны.

3. Электронно-струнный ионный источник был разработан вЛВЭ и применен на нуклотроне для ускорения Ar16+ и

Fe24+ .

EBIS в отражательном режиме работы

(рефлектор электронов вместо коллектора)

EBIS ESIS

КРИОН-2 сегодня

• Разработана технология криогенной импульсной инжекции газов в рабочий объем ESIS с возможностью контроля количества инжектируемого газа в каждом импульсе.

• Импульсная инжекция охлаждающего газа является необходимым компонентом технологии ион-ионного охлаждения, которое позволяет увеличить выход ионов. Например , для Au⁵¹⁺ ≈ в 2 раза.

arb

.un

its

Au ions yield vs ion cooling time

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 200 400 600 800 1000

Tcooling [ms]

tion=700ms, mean Au 50.2+

tion=1000ms, mean Au 50.9+

Au TOF spectra, mean q Au = 50.2+

Au50.2+

Источник поляризованных ионов SPIon (Source of Polarized Ions) и Дуоплазмотрон.

Главной целью SPI-проекта является повышение

интенсивности ускоренных поляризованных пучков на ускорительном комплексе ОИЯИ до 1010 d/pulse.

Особенностью Нуклотрона является возможность только однооборотной инжекции и работы только с положительными ионами.

Поэтому целесообразно использовать источники положительно

заряженных поляризованных ионов дейтерия.

Замечание: Наибольшая интенсивность пучка достигается для источников положительно заряженных поляризованных ионов с зарядообменным плазменным ионизатором и накопителем.

SPI-проект включает следующие стадии:

- Разработка высокоинтенсивного Источника поляризованных ионов

- Полное тестирование SPI

- Модификация платформы линейного предускорителя и станции питания.

- Адаптация существующей системы удаленного контроля SPI при высоком напряжении.

- Сборка SPI и оборудования на платформе форинжектора, запуск линейного ускорителя с поляризованным пучком и измерения поляризации на его выходе.

SPI-проект предусматривает разработку источника, использующего зарядо-обменный ионизатор. Резонансными реакциями для получения поляризованных протонов и дейтронов являются:

H0 + D+ H+ + D 0

D0 + H+ D+ + H0 ~ 5· 10-15 cm2

• Проектный ток на выходе SPI до 10 mA для D+ ( H+).• D+ до 90% для максимального векторной (±1) и

тензорной(+1,-2) поляризации .• SPI-проект в значительной степени базируется на

оборудовании, которое было поставлено в рамках договора между ОИЯИ и IUCF (Bloomington, USA).

Проект реализуется в тесном сотрудничестве с ИЯИ РАН (Москва , Россия)

• SPI-источник предполагает переделку зарядообменного ионизатора CIPIOS в ионизатор с накоплением поляризованных атомов дейтерия и получением положительно заряженных поляризованных дейтронов зарядо - обменным резонансом в водородной плазме.

Ионизатор поляризованных атомов с накопительной ячейкой для SPI позволяет:

- повысить интенсивность пучка поляризованных ионов, - уменьшить эмиттанс - значительно уменьшить ток ионов H2

+ , которые трудно отделить от поляризованных D+ из-за равенства их масс.

Плотность поляризованных атомов водорода в районе ионизации источника поляризованных ионов может быть повышена по сравнению со свободным пучком поляризованных атомов водорода использованием ячейки накопления.

Накопительная ячейка

Ионизатор поляризованных атомов с накопительной ячейкой для SPI позволяет:

- повысить интенсивность пучка поляризованных ионов,

- уменьшить эмиттанс - значительно уменьшить ток ионов H2

+ , которые трудно отделить от поляризованных D+ из-за равенства их масс.

- Использовать ионизационную часть в качестве самостоятельного источника неполяризованных H+ и D+ (вместо дуоплазмотрона)

Источник Тип ядра Интенсивностьионов на выходе Лу-20

Длительность импульса , мкс

Дуоплазмотрон p 2*10¹² 10Дуоплазмотрон d 6*10¹¹ 10

ПОЛЯРИС d↑ 6*10⁸ 10Дуоплазмотрон α 1*10¹¹ 10

Лазерный ₆Li³⁺ 1*10⁹ 10Лазерный ₇Li³⁺ 5*10¹⁰ 10Лазерный ₁₂C⁶⁺* 2*10¹⁰ 10

Лазерный ₁₆O⁸⁺* 3*10⁹ 10Лазерный ₁₉F⁹⁺* 2*10⁹ 10

Лазерный ₂₄Mg¹²⁺* 1*10⁹ 5КРИОН ₁₄N⁶⁺ 3*10⁸ 10

КРИОН ₃₂S¹⁴⁺ 2*10⁸ 10КРИОН ₅₆Fe²⁴⁺ 2*10⁶ 10

КРИОН ₄₀Ar¹⁶⁺ 5*10⁷ 10КРИОН ₈₄Kr³⁴⁺ 1*10⁵ 10КРИОН ₈₄Kr²⁹⁺ 2*10⁵ 10

КРИОН ₅₄Xe⁴²⁺ 3*10⁶ 10

МОДЕРНИЗАЦИЯ ФОРИНЖЕКТОРА

· Замена ИТ-800 и ускоряющей трубки на RFQ.

Потенциал на платформе при этом составит ≤ 150 кВ

· Использование разделительного трансформатора 35 кВА для питания источников ионов.

КРИОН-2≈15 кВт

SPION≈ 25 кВт

Источник ионов

Ускоряющая трубка

ЛУ-20

ИТ-800 Двигатель генератора

Генератор 5кВт

ФОРИНЖЕКТОР СЕГОДНЯ

Разделительный трансформатор

Источник напряжения ≥ 150 кВ

Источник ионов ЛУ-20Ускоряющая

трубка RFQ

ФОРИНЖЕКТОР ПОСЛЕ МОДЕРНИЗАЦИИ

Z/A 1.0 0.5 ≥ 0.3

Напряжение инжекции, кВ

≤ 150(45) ≤ 150(90) ≤ 150(135)

Макс. ток инжекции, мА

40 20 10

Нормализованныйэмиттанс пучкаπ см мрад∙ ∙

0.4 0.2 0.15

RFQПараметры на входе в RFQ

Параметры на выходе в RFQ Z/A 1.0 0.5 ≥ 0.3

Энергия, МэВ/нукл 0.62523 0.1550596 0.1550596

Приведенная скорость, β

0.036488 0.018244 0.018244

Коэффициент захвата, %

≥ 80 ≥ 80 ≥ 80

Модернизация ЛУ-20.

• Переход на безмасляную откачку вакуума.

• Переход на импульсное питание трубок дрейфа.

Цель:1. Повышение предельной напряженности

ускоряющего ВЧ-поля.2. Повышение добротности резонатора.

Спасибо за внимание.