Система электронного охлаждения для поддержания светимости в коллайдере NICA

Система электронного охлаждения для поддержания светимости в коллайдере NICA

черновик, 08.03.07 – в подарок всем женщинам, участницам проекта

Аннотация

Предлагается система электронного охлаждения для коллайдера NICA, основанная на ускорении электронного пучка в однозазорном ВЧ резонаторе, работающем на частоте следования ионных сгустков. Аналогичный резонатор, расположенный на выходе из секции охлаждения, используется для рекуперации энергии электронов.

Введение

Основным фактором, ограничивающим время жизни светимости в коллайдере NICA, является внутрипучковое рассеяние. По предварительным оценкам на энергии 3.5 ГэВ/нукл характерное время роста эмиттанса составляет примерно 100 с. Все другие процессы, приводящие к снижению светимости, имеют характерные времена на много порядков больше. Так, перезарядка ионов и однократное рассеяние на остаточном газе при давлении 10-10 Торр соответствуют времени жизни в несколько суток. Процесс развала ионов в точке встречи при полном сечении 6 барн и проектной светимости приводит к уменьшению интенсивности с характерным временем более 10 суток. Поэтому стабилизация фазового объема пучка за счет применения одного из методов охлаждения представляется более чем привлекательной.

При большом времени жизни светимости коллайдерный эксперимент можно проводить в параллель с другими экспериментами на ускорительном комплексе Нуклотрон. При этом время приготовления пучка для коллайдерного эксперимента может составлять десятки минут, что практически не приведет к снижению средней светимости, но существенно снизит требования по интенсивности ускоряемого пучка в инжекционном комплексе.

Кроме того, охлаждение на энергии эксперимента позволит формировать ионный сгусток с параметрами, соответствующими максимальной светимости. С применением охлаждения группировка пучка может быть осуществлена без существенного увеличения разброса по импульсу, что, с одной стороны, позволит уменьшить полное ВЧ напряжение в коллайдере, а, с другой стороны, снизит требования к динамической апертуре колец.

Как показали предварительные оценки, при интенсивности пучка, необходимой для получения проектной светимости, система стохастического охлаждения с шириной полосы, соответствующей хорошо освоенному на настоящий момент диапазону, обладает достаточной эффективностью для стабилизации эмиттанса пучка вблизи необходимой величины. Основной трудностью при применении стохастического охлаждения является необходимость охлаждения продольной степени свободы сгруппированного пучка. На настоящее время опыт стохастического охлаждения сгруппированного пучка имеется только в BNL на коллайдере RHIC. Но система охлаждения RHIC обладает рядом специфических особенностей, и возможность использования аналогичных технических решений для коллайдера NICA требует теоретического исследования и экспериментальной проверки. Однако, по сравнению с электронным охлаждением, стохастическое охлаждение обладает целым рядом неоспоримых достоинств. Оно не ведет к деформации функции распределения ионов (при стохастическом охлаждении сохраняется Гауссово распределение) и допускает независимую регулировку темпов охлаждения по всем трем степеням свободы. Последнее позволяет оптимальным образом формировать размеры сгустка в точке встречи.

Применение электронного охлаждения ограничено в основном трудностями технического и экономического свойства. Энергия электронного пучка в секции охлаждения должна составлять примерно 1.7 МэВ. При стандартной конфигурации (электростатическое ускорение, транспортировка к секции охлаждения, торможение в электростатическом поле для рекуперации энергии) такая система требует применения высоковольтной техники. Соответственно, стоимость такой системы может оказаться существенно выше «обычной» низковольтной.

Единственная высоковольтная система охлаждения, работающая на накопителе Recycler (FNAL), основана на использовании незамагниченного электронного пучка. Подобное решение, скорее всего, не применимо для охлаждения тяжелых ионов, так как приведет к высокому темпу их рекомбинации с электронами в секции охлаждения, и, как следствие, к снижению времени жизни светимости. (Для охлаждения антипротонов в Recycler эта проблема отсутствует.) Большая величина магнитного поля в секции охлаждения позволяет получить высокий темп охлаждения при использовании электронного пучка с большим разбросом по поперечным скоростям (так называемое «замагниченное» охлаждение), при этом процесс рекомбинации будет существенно подавлен. К сожалению, на настоящее время нет опробованных технических решений, позволяющих совместить высоковольтный электростатический ускоритель с системой соленоидов, создающих требуемую величину поля. Аналогичная по параметрам система предложена в ИЯФ им. Будкера для синхротрона COSY (максимальная энергия электронов 2 МэВ), но ее техническая реализация требует дополнительных макетных исследований. (Не ясно, возьмется ли ИЯФ за такую работу на фоне китайского заказа на два медицинских синхротрона.) То же самое относится и к проекту системы электронного охлаждения для накопителя HESR (GSI), разрабатываемой в университете г. Упсала.

Однако, для коллайдерного эксперимента не требуется электронный пучок, работающий в постоянном режиме. Можно осуществить охлаждение ионного сгустка с помощью соответствуещего по длине электронного. При этом требуемую энергию электронов можно получить с использованием ВЧ ускорителя. Подобная система, основанная на применении ВЧ ускорителя с рекуперацией энергии (energy recovery linac – ERL) в настоящее время разрабатывается в BNL для коллайдера RHIC. Аналогичная схема может быть использована и для коллайдера NICA. Но для энергии электронов в диапазоне нескольких МэВ она существенно упрощается. Ускорение электронов может быть осуществлено в одном однозазорном резонаторе, а для рекуперации энергии можно использовать такой же резонатор, расположенный на выходе из секции охлаждения.

1. Конструкция системы охлаждения

Основные элементы конструкции системы охлаждения схематически изображены на Рис. 1. Короткий электронный сгусток (~ 30 cм) с энергией порядка 10 кэВ из электронной пушки, расположенной внутри соленоида, поступает в ВЧ резонатор, работающий на частоте следования ионных сгустков. В резонаторе он ускоряется на вершине ВЧ напряжения до требуемой энергии. Системой тороидальных соленоидов он транспортируется в секцию охлаждения. После взаимодействия с ионным сгустком аналогичной системой соленоидов он транспортируется на вход второго ВЧ резонатора, где попадает в максимум тормозящего поля. В тормозящем резонаторе он отдает энергию, после чего поступает в коллектор. Необходимый сдвиг фаз поля резонаторов осуществляется внешней цепью их питания. Энергия электронов может плавно регулироваться за счет изменения напряжения на резонаторах.

Рис. 1. Схематическое изображение системы электронного охлаждения.

Формирование коротких сгустков электронов в пушке можно осуществить с помощью управляющей сетки (такая схема рассматривалась для инжектора лазера на свободных электронов на основе голландского линака). Либо использовать фотокатод. (Охлаждение ионов электронными сгустками, формируемыми за счет импульсного открывания пушки, было продемонстрировано лет 10 тому назад. Я поищу ссылку, по-моему, в GSI. Но в тех экспериментах пучок ускорялся все равно в электростатическом поле.)

Для эффективного охлаждения ионов относительный разброс по импульсу в электронном сгустке не должен превышать 10-4. Эта величина достигается за счет удлинения плоской вершины ВЧ напряжения, путем использования 3-й и 5-й гармоник. Они могут возбуждаться или в основном резонаторе (если у него есть в спектре соответствующие частоты), или в отдельных небольших резонаторах.

Подобная схема формирования сгустка рассматривалась в ИЯФ им. Будкера для электронного охлаждения в электрон-ионном коллайдере GSI (старом проекте). С той разницей, что там требовалась существенно большая энергия электронов (примерно 15 МэВ), поэтому ускоритель состоял из нескольких резонаторов и использовался как для ускорения, так и для торможения. Для коллайдера NICA требуемая энергия может быть достигнута на одном зазоре и для ее рекуперации нет необходимости возвращать пучок в тот же резонатор, а можно использовать еще один, аналогичный.

Частота следования ионных сгустков в коллайдере GSI предполагалась равной 60 МГц, соответственно основная частота резонаторов для ускорения электронов была такой же. Для основной частоты предлагался тороидальный резонатор (Рис. 2) с размерами: 1 м длина, 90 см диаметр, при этом рассчитывали достичь добротности 15000; амплитуда напряжения 700 кВ. Третью и пятую гармоники планировалось возбуждать в отдельных резонаторах. Полная мощность потерь в секции из трех резонаторов оценивалась на уровне 130 кВт. Если не стремиться к миниатюрности устройства, то боле-менее приемлемые параметры резонатора можно надеяться получить и, например, на 30 МГц с амплитудой напряжения 1.7 МВ. Конструкция резонатора может быть выполнена таким образом, чтобы магнитное поле присутствовало на всей длине траектории электронов, кроме ускоряющего зазора.

Рис. 2. Проект резонатора на частоту 60 МГц. ИЯФ им Будкера.

Транспортирующие соленоиды и соленоид секции охлаждения могут быть сделаны сверхпроводящими. Это исключит участок перехода «тепло-холод», и в малой прямолинейной секции коллайдера NICA можно рассчитывать разместить секцию охлаждения длиной ~ 5 м. Магнитное поле в секции охлаждения должно составлять ~ 1 Tл для обеспечения охлаждения в режиме подавления рекомбинации. На участке транспортировки осуществляется адиабатическое сжатие электронного пучка (с целью увеличения температуры поперечной степени свободы) за счет увеличения магнитного поля.

Использование такой системы никаких сверхсложных требований к оптике кольца не предъявляет – требуемые бетатронные функции в секции могут быть на уровне 10 – 15 метров, что близко к средним значениям. Связь между колебаниями в главных плоскостях, вносимую соленоидом можно убрать повернутым квадруполем. Возмущение орбиты краевыми полями соленоидов легко компенсируется.

Можно подумать, как один электронный сгусток использовать для охлаждения в обоих кольцах. Основная проблема при этом – как его синхронизировать с ионными сгустками, если, например, охлаждение требуется на разных энергиях (2.5 и 3.5 ГэВ/нукл). Но, в крайнем случае, можно построить и две системы.

При охлаждении на энергии эксперимента целесообразным представляется и накопление пучка в кольцах на этой же энергии, и, как следствие, коллайдер без доускорения.

2. Масштаб опытно конструкторских разработок и цены

Продемонстрировать работоспособность такой схемы построения системы охлаждения и протестировать часть ее основных узлов можно в прямопролетной системе с относительно небольшой энергией электронов. Для этого нужно сконструировать и изготовить пушку, формирующую короткие сгустки с требуемым током (это примерно 0.5 А), сделать два резонатора, таких, чтобы раскачать киловольт 50, коллектор и соленоиды на поле ~ 0.5 кГс. (Пушка, коллектор и соленоиды потом пойдут на систему охлаждения.) Получить режим ускорения и рекуперации энергии (т. е. правильно сфазировать все устройства). После чего можно конструировать полномасштабный вариант.

Плюс к этому – не плохо бы сделать радиотехнический макет «боевых» резонаторов.

Все работы по разработке и созданию такой системы могут быть выполнены в ОИЯИ. Стоимость секции будет отличаться от стоимости низковольтной системы только на цену резонаторов и генераторов к ним. А с необходимостью строительства относительно низковольтной системы мы уже вроде бы смирились, с подачи международных экспертов. Но эта относительно низковольтная система обсуждается до напряжений в 0.5 МВ – не известно еще, что и дешевле выйдет: два резонатора или источник постоянного напряжения. Не нужны ни высоковольтная техника, ни газ под высоким давлением.