Ускорительный комплекс накопительных колец на встречных пучках тяжелых ионов NICA в ОИЯИ

Ускорительный комплекс накопительных колец на встречных пучках тяжелых ионов NICA в ОИЯИ

Г.В.ТрубниковОИЯИ, г.Дубна

Вид на площадку с вертолета

СинхрофазотронСинхрофазотрон

Нуклотрон (сверхпроводящий синхротрон)

Нуклотрон (сверхпроводящий синхротрон)

Схема комплекса НИКАСхема комплекса НИКА

ЛФВЭ 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.

Научная программа на ускорительном комплексе физики высоких энергий ОИЯИ

SPI: поляризованные dEBIS: N, Ar, Fe, Kr, Xe, …Лазер: Li, B, C, F, Mg, …Дуоплазмотрон: p, d, a, 3He

SPI: поляризованные dEBIS: N, Ar, Fe, Kr, Xe, …Лазер: Li, B, C, F, Mg, …Дуоплазмотрон: p, d, a, 3He

3/21Г.В. Трубников (ОИЯИ), сессия ОФН

РАН

1 этап: Нуклотрон-М

Руководитель: Г.В.Трубников

Требуемые НИРиОКР – приоритет при проведении сеансовЭтот этап д.б. завершен в 2011 демонстрацией:

- Ускорение тяжелых ионов с A ~ 100 ÷ 200- интенсивность ~ 107 A/имп

- Проектное поле – 2 Тл- Развитая инфраструктура

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)


РАН

Первые 6 оборотов (~ 50 s), пучок дейтронов. Синий – инжекция пучка, Красный – сингнал с пикапа.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

Оценки величины среднего вакуума в кольце Нуклотрона

(измеряя время жизни циркулирующего пучка дейтронов

при 5 Мэ/н): не хуже чем 4*10-10

Торр. (начинали с 8*10-7 Торр)

Оценки величины среднего вакуума в кольце Нуклотрона

(измеряя время жизни циркулирующего пучка дейтронов

при 5 Мэ/н): не хуже чем 4*10-10

Торр. (начинали с 8*10-7 Торр)

4.5÷ 5·1010 (d) @ 300 МэВ/н (было 1-2 ·1010 (d)

4.5÷ 5·1010 (d) @ 300 МэВ/н (было 1-2 ·1010 (d)

Криогеника,Вакуум, Коррекция орбиты, Диагностика, ВЧ, Медленный вывод + растяжка! Криогеника,Вакуум, Коррекция орбиты, Диагностика, ВЧ, Медленный вывод + растяжка!

1150 ms0 ms

Результаты: Нуклотрон-М


РАН

Пучок Xe (A=124, Z=42+) был ускорен до 1.5 ГэВ/н и успешно выведен для физиков с энергией 1 ГэВ/н.

Изображение выведенного пучка Xe(Е = 0,6ГэВ/н) на фотопластине

След от пучка Xe (1 ГэВ/н) в фотоэмульсии (эксперимент “Беккерель”)

Kr, Xe впервые получены на источнике

Результаты модернизации ИИ КРИОН, ЛУ-20, ВЧ системы, вакуумной системы и диагностики низкоинтенсивных пучков


Эволюция профиля пучка (поперечный и продольный) в

процессе ускорения

MCP детектор для регистрации ионов остаточного газа


РАН

Полномасштабная реконструкция системы питания всего ускорительного комплекса

Полномасштабная реконструкция системы питания всего ускорительного комплекса


Imax = 6.3kABmax = 2 ТлdB/B = 0.1Gsdf/f (RF) = 1e-5


РАН

Модернизация криогенной системы

Г.Трубников, Фин.комитет ОИЯИ,2011 8/42

Приобретен и введен в эксплуатацию гелиевый винтовой компрессор (50 атм.) - вверху.

Полностью обновлен парк гелиевых турбодетандеров (внизу)

Приобретен и введен в эксплуатацию гелиевый винтовой компрессор (50 атм.) - вверху.

Полностью обновлен парк гелиевых турбодетандеров (внизу)

Обновлены несколько

поршневых компрессоров

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).

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).

11/36

Источник поляризованных частиц (p, d, H) ОИЯИ+ИЯИ РАН

Nuclotron-NICA

Источник пучка атомов, общий вид (ИЯИ РАН)

Сборка зарядово-обменного плазменного ионизатора (ОИЯИ)

Сборка зарядово-обменного плазменного ионизатора (ОИЯИ)

2-й этап: Проект Nuclotron-NICA

foreinjector

Cascade transformer up to 0,7 MeV

p,dlaser

ESISd


РАН

ИТЭФ

Новый источник тяжелых высокозарядных ионов КРИОН-6Т. Статус: сборка,испытания в начале 2012г.

Бустерный синхротрон


РАН

28/34

История квенчей

дипольного

магнита

Первые результаты холодных испытаний криволинейного дипольного магнита Бустера.

Изготовление прототипа квадруполя и секступоля

Ярмо квадрупольной линзы после финишной обработки

Изготовлены пластины для ярма секступольного корректораИзготовлены пластины для ярма секступольного корректораСтенд криогенных испытаний ЛФВЭ ОИЯИСтенд криогенных испытаний ЛФВЭ ОИЯИ

Дипольный магнит в криостате перед испытаниями

Дипольный магнит в криостате перед испытаниями

частицы

Интенсивности, частиц/имп

Энергия GSI (SIS18)Нуклотрон-M

(2011)

Ожидается с новым ионным источником и

бустером

(2014-2015)

p 4,5 GeV 21010 81010 51012

d 2,2 GeV/u 51011 81010 51012

4He 2109 11012

d 2108 71010 (SPI)7Li6+ 7109 51011

12C6+ 300 MeV/u 71010 6109 31011

24Mg12+ 300 MeV/u 51010 7108 51010

40Ar18+ 300 MeV/u 61010 8106 21010

56Fe28+ 4106 51010

58Ni26+ 300 MeV/u 8109

84Kr34+ 0,3 -1 GeV/u 21010 2105 1109

124Xe48/42+ 0,3 -1 GeV/u 11010 1105 1109

181Ta61+ 1 GeV/u 2109

197Au65/79+ 3109 1109

238U28+/73+ 0,05-1 GeV/u 6109/21010

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-2сек-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:

pp spp = 12 ÷ 27 ГэВ (5 ÷ 12.6 ГэВ кинетической энергии)

dd sNN = 4 ÷ 13.8 ГэВ (2 ÷ 5.9 ГэВ/н кинетической энергии)

<L> 1030 см-2сек-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/нp, p = 5 ÷ 12.6 ГэВd, 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)

Комплекс NICA, цели проекта:


РАН

Комплекс NICA

15/21

E-cool

Высоковольтноеэлектронное охлаждение

Стохастическоеохлаждение

Бустер (25 Тлм)1(3) инжекции, накопление 2-6109 ионов с Эл. охл-ем, ускорение до 600 МэВ/н.

КРИОН 6Т+ т/и ЛИНАК (3 МэВ/н), 197Au31+

Источник p, d, He3

+ ЛИНАК (5 МэВ/н)

Обдирка @ 600 МэВ/н:197Au31+ 197Au79+

Нуклотрон (45 Тлм)ускорение до 4.5 ГэВ/н(1.1109 ионов/имп)

Инжекция в оба кольца коллайдера по 24 сгустка (с возможным последующим ускорением/торможениемОбщий ток в кольце: 51010 i.

Режим работы комплекса NICA

Быстрый вывод

Режим накопления (БН) Формирование коротких сгустков и режим

столкновения

Бустер

B(t)

I(t)

Нуклотрон

B(t)

I(t)

B(t)

I(t)

Коллайдер

Быстрый вывод

Инжекция

0 4 8 12 16 20 24 185 189 193 197 сек

Медленный вывод

Инжекция

Электронное охлаждение


РАН

Коллайдер NICA


РАН

Triplet -8

FODO-12

Оптика Периметр, м

Eкрит,

ГэВ/н(γкрит)

η при 4.5 ГэВ/н

VRF макс, kV

Число диполей в кольце

Длина диполя, м

TIBS,с

FODO-12 497 5.68 (7.05) 0.010 804 80 1.94 1240FODO-11 489 5.10 (6.43) 0.006 702 72 2.16 1110FODO-10 503 4.54 (5.89) 0.0006 666 96 1.62 980Triplets-8 529 4.66 (5.96) 0.002 720 84 1.85 1200Triplet-10 576 6.16 (7.56) 0.012 995 108 1.44 1610

Параметры коллайдера

Периметр кольца, м 503,04

Число сгустков 24

Длина сгустка (rms), М 0.6

* в ТВ, м 0.35

Акцептанс кольца (линз ФФ) 40 мм мрад

Продольный акцептанс, dp/p ±0.010

Гамма крит., tr 7.091

Энергия ионов, ГэВ/н 1.0 3.0 4.5

Число частиц в сгустке 2.75∙108 2.4∙109 2.2∙109

dP/P (rms), 10-3 0.62 1.25 1.65

Эмиттанс пучка (rms), гор/вер, (ненорм), мммрад

1.1/1.01

1.1/0.89

1.1/0.76

Светимость, см2сек1 1.1e25 1e27 1e27

Времена роста ВПР(IBS), сек 186 702 2540

,4 **

2

s

HGcollb fFN

L

,bb

coll l

cF

bunch

Ringbb n

Cl

2

*

2

*

1

)exp(1

s

sHG

u

duuf

Зависимость бетатронных

частот от dP/P

Динамическая апертура коллайдера (гориз.)

Для достижения максимальной пиковой светимости, необходимо обеспечить следующие условия:• минимальная бета-функция в ТВ;• максимальный темп столкновений (максимально возможное число сгустков);• макс.интенсивность в сгустке;• минимальный эмиттанс пучка;• минимальная длина сгустка.

Максимальная светимость достигается, когда фазовый объем сгустка совпадает с акцептансом кольцаМаксимальная светимость достигается, когда фазовый объем сгустка совпадает с акцептансом кольца

Предложена коррекция хроматичности для обеспечения поперечной динамической апертуры 120 мммрад и динамической апертуры по dP/P на уровне ±1%

Стохастическое охлаждение

kp

pk

eq M

M

N

W22 )/11(1

s

eq

CNN

2

p

pTff

M

pkpk

pk

)(2

1

minmaxp

pT

f

pkpk

2

1max

p

pTff

M

kpkp

kp

)(2

1

minmax

Полный и локальный слип-факторы кольца, как функция от энергии ионов.

W = 3-6 ГГц

“Перекрытие выборок”(Д.Мёль, ЦЕРН)

3..6 ГГц: Tохл~0,5TIBS

2..4 ГГц: Tохл~TIBS


РАН

Кикер – 48 м «вверх» от Точки Встречи (ТВ)Пикап – 132 м перед кикером (по пучку)

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 11027 см2сек1 соответствует 2.3109 ионов в сгустке, эффективное число ионов 81011. Чтобы обеспечить требуемые времена охлаждения, ширина полосы частот выбрана в диапазоне 3-6 ГГц.

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 11027 см2сек1 соответствует 2.3109 ионов в сгустке, эффективное число ионов 81011. Чтобы обеспечить требуемые времена охлаждения, ширина полосы частот выбрана в диапазоне 3-6 ГГц.


Подавление рекомбинации:a) Увеличение T_tr_eb) “Сдвиг” энергии электронов

Подавление рекомбинации:a) Увеличение T_tr_eb) “Сдвиг” энергии электронов

Te [эВ] необходимая для обеспечения времени жизни частиц ~10 часов.

Te [эВ] необходимая для обеспечения времени жизни частиц ~10 часов.

T_tr_e = 1 эВT_tr_e = 1 эВ


РАН

2/32,

2

42 14

effe

Pe

Vm

LneZVF

x=y=16м, Lecool=6м, B=1Тл, Ie = 0,5A. Te life >=10ч, re min Tcool

x=y=16м, Lecool=6м, B=1Тл, Ie = 0,5A. Te life >=10ч, re min Tcool

Формула В.В.Пархомчука:

Темп охлаждения определяется T||e (стабильность ВВ генератора), и логарифмически зависит от Te

Заключение: Tecool ~ 0,05 TВПР(IBS) на энергии 1 ГэВ/нЗаключение: Tecool ~ 0,05 TВПР(IBS) на энергии 1 ГэВ/н

ДВПР

ДПЗ

Сценарий охлаждения в коллайдере:


РАН

31/34

Вакуумные испытания собранного диполя коллайдера

Вакуумные испытания собранного диполя коллайдера

Изготовление кабеля и обмотки

Дипольный магнит коллайдера

Injection

Injectio

n

channel



РАН

ИЯФ СО РАН, ВЭИ, FZJ + GSI (Германия) 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 3,0

Продольное магнитное поле, Тл 0,1 2,0

Стабильность энергии электронов 1×10-4

Система стохастического охлаждения на Нуклотроне


РАН

Эволюция функции распределения и dP/P (t) для протонов (вверху) и ионов 6+С12. Численное моделирование

Эволюция функции распределения и dP/P (t) для протонов (вверху) и ионов 6+С12. Численное моделирование

2500

3.496 3.500 3.504

3.496 3.500 3.504

2500

0 2 4 6 8 10 сек

0 2 4 6 8 10 сек

FZ JuelichFZ Juelich

Система стохастического охлаждения на Нуклотроне

Пикап-станция и сборка ее в криостат перед крио-испытаниямиПикап-станция и сборка ее в криостат перед крио-испытаниями Установка пикап-станции в холодном ПП Нуклотрона

Установка пикап-станции в холодном ПП Нуклотрона

Кикерная станция (после 60 Вт усилителя)установлена в теплом ПП Нуклотрона

Кикерная станция (после 60 Вт усилителя)установлена в теплом ПП Нуклотрона

Пикап-станция установлена вместе со всей электроникой (пред-усилители и разветвители)

Пикап-станция установлена вместе со всей электроникой (пред-усилители и разветвители)


РАН

Корп.217

Новая фабрика по изготовлению, сборке и испытаниям СП магнитов для НИКИ и ФАИР (30 x 75 m2)

26/42

Развитие криогенной и инженерных систем (Н.Агапов)

Проект Нуклотрон-НИКА

Г.Трубников, Фин.комитет ОИЯИ,2011

31/34

Выполнены геологические и геодезические изыскания, топографическая съемка. Закончена технологическая часть ТП, проектирование АСРК. В завершающей стадии архитектурная часть ТП.

Выполнены геологические и геодезические изыскания, топографическая съемка. Закончена технологическая часть ТП, проектирование АСРК. В завершающей стадии архитектурная часть ТП.

Техническое проектирование комплексаКомпоновка зданий и сооружений для размещения тяжелоионного коллайдера НИКА на плозадке ЛФВЭ ОИЯИ (ЗАО «Комета», ГСПИ)

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.

28/42

Экспертный комитет Machine Advisory Committee NICA

Г.Трубников, Фин.комитет ОИЯИ,2011

29

Budker INP Booster RF system Booster electron

cooler Collider RF system HV e-cooler for

collider Electronics

Corporation “Powder Metallurgy” (Minsk, Belorussia): Technology of TiN coating of vacuum chamber walls for reduction of secondary emission

GSI/FAIR SC dipoles for Booster/SIS-100 SC dipoles for Collider

IHEP (Protvino): Injector

Linac

Fermilab: HV E-cooler, Beam dynamics, Stoch. cooling

All-Russian Institute for Electrotechnique

HV Electron cooler

BNL (RHIC) Electron &

StochasticCoolingITEP: Beam dynamics

in the collider

FZ Jűlich (IKP): HV E-cooler & Stoch. cooling

CERN: Beam dynamics, E-cooling, Acceler. technique

INR RAS

(Troitsk)

29/42

Коллаборация НИКА

2017

30/24G.Trubnikov, COOL-2011, Alushta,

Ukraine

Спасибо за внимание !

Documents

Ускорительный комплекс накопительных колец на встречных пучках тяжелых ионов NICA в ОИЯИ