NICA TDR v.6
advertisement
JOINT INSTITUTE FOR NUCLEAR RESEARCH Ускорительно-накопительный комплекс NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) Технический проект Раздел VI: Кольца коллайдера Dubna 2009 1 УТВЕРЖДАЮ директор ОИЯИ академик А.Н. Сисакян ____________________ "____" мая 2009 г. Ускорительно-накопительный комплекс NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) Технический проект Руководители проекта: А. Н. Сисакян, А. С. Сорин Проект подготовлен авторским коллективом: ОИЯИ Физики и инженеры Н. Н. Агапов, В. С. Александров, А. В. Алфеев, О. И. Бровко, А. В. Бутенко, Б.Р. В. Василишин, В. И. Волков, Е. Д. Донец, Е. Е. Донец, А. В. Елисеев, В. М. Жабицкий, Е. В. Иванов, И. Б. Иссинский, Г. Г. Ходжибагиян, В. Н. Карпинский, В. Д. Кекелидзе, А. Г. Кобец, В. В. Кобец, А. Д. Коваленко, О. С. Козлов, А. Б. Кузнецов, В. А. Михайлов, В. А. Мончинский, А. Г. Ольшевский, Р. В. Пивин, Ю. К. Потребеников, А. Ю. Рудаков, А. О. Сидорин, Г. И. Сидоров, А. В. Смирнов, Г. В. Трубников, В. Ф. Шевцов, С. Л. Яковенко Конструкторы В. В. Агапова, Г. С. Березин, В. В. Борисов, А. В. Бычков, Т. И. Волобуева, Е. В. Воронина, С. И. Кукарников, С. В. Рабцун, А. В. Шабунов, В. И. Шокин, Т. Ф. Прахова, Г. А. Титова ИФВЭ, Протвино О. К. Беляев, Ю. А. Буданов, И. А. Звонарев, С. В. Иванов, А. П. Мальцев ИЯИ РАН, Троицк В. А. Матвеев, Л. В. Кравчук ИЯФ СО РАН им. Г. И. Будкера В. С. Арбузов, Ю. А. Бирючевский, С. А. Крутихин, Г. Я. Куркин, Б. З. Персов, В. М. Петров, А. М. Пилан Главный инженер проекта В. Д. Калагин, Главный конструктор проекта Н. Д. Топилин Под редакцией И. Н. Мешкова и А.О. Сидорина 2 Аннотация Данный раздел Технического проекта содержит план размещения оборудования, техническое описание структуры колец коллайдера комплекса NICA, их основных элементов и систем, характеристику необходимого стандартного оборудования. В данном проекте рассматривается вариант размещения колец коллайдера в существующем здании № 205. Содержание 1. Общее описание 2. Магнитная система 2.1. Оптическая структура кольца и динамика частиц 2.2.Структура кольца в окрестности точки встречи 2.3. Конструкция структурных магнитов и линз 3. Вакуумная система 4. Система электропитания и защиты 5. Системы диагностики и управления 6. Система инжекции 7. Аварийный сброс и утилизация пучка 8. Высокочастотная система барьерного напряжения 9. Основная ВЧ система 10. Управление спином 11. Система обратных связей 12. Система стохастического охлаждения 13. Система электронного охлаждения 13.1. Общее описание 13.2. Высоковольтный блок 13.3. Система транспортировки электронных пучков 14. НИОКР по системам охлаждения Литература 3 1. Общее описание Одним из определяющих требований к конструкции коллайдера является возможность его размещения в экспериментальном зале №205. К тому же, необходимо предусмотреть место для биологической защиты, что также ограничивает пространство, используемое для коллайдера. С другой стороны, существующие каналы транспортировки частиц из Нуклотрона определяют оптимальный вариант каналов инжекции в оба кольца коллайдера. Поэтому кольца коллайдера, расположенные одно над другим, имеют форму рейстреков: каждое из них имеет две арки и два прямолинейных промежутка. Две точки встречи расположены в центрах прямолинейных промежутков (Рис.). Одна из точек встречи будет использована для экспериментов с тяжелыми ионами, вторая - с легкими ионами и поляризованными протонами дейтронами. Для управления направлением спина поляризованных частиц в точке встречи, предполагается использование ротаторов спина, а для обеспечения длительного времени деполяризации - «сибирской змейки». Круглая форма пучков в точке встречи обеспечивается равенством значений горизонтальной и вертикальной бетатронных функций в точке встречи и в близи нее. Для обеспечения равенства горизонтального и вертикального эмиттансов рабочая точка располагается вблизи резонанса связи. В течение эксперимента светимость может уменьшаться из-за роста эмиттансов пучков, обусловленного внутрипучковым рассеянием. Для подавления этого эффекта предполагается использовать один из методов охлаждения пучков или их комбинацию. При выбранных параметрах коллайдера характерные времена роста эмиттанса по внутрипучковому рассеянию составляют IBS 10 50 с, что и определяет требуемое значения времени охлаждения. Оптическая структура коллайдера состоит из регулярных ячеек, в которых отведено свободное пространство для диагностики пучка и коррекции орбиты. Каждая арка содержит две короткие прямолинейные секции. Эти секции используются для размещения элементов системы инжекции, систем охлаждения пучков, ВЧ системы, систем обратных связей. Регулярная структура в арках включает 24 диполя и 36 квадруполей. Короткофокусные квадруполи располагаются с двух сторон от точки встречи, формируя бета функции со значением 0.5 м в точке встречи при нулевой дисперсии. Расположение одного кольца над другим, позволяет использовать конструкцию сверхпроводящих магнитов с двумя апертурами в одном ярме (Рис.0.1). Магнитная система коллайдера состоит из дипольных магнитов с полем до 4 Tл и очень длительным временем роста поля (Табл.0.1). И диполи, и квадруполи имеют сверхпроводящие обмотки Cosθ типа. В качестве прототипов для этих магнитов можно использовать магниты УНК. Однако диполи для коллайдера НИКА должны иметь радиус закругления и, соответственно, при их создании необходимо провести дополнительную конструкторскую и технологическую проработку. Максимальная магнитная жесткость колец коллайдера равняется максимальной жесткости Нуклотрона - 45 Тлм. 4 Рис. 1.1. Расположение кольца коллайдера в корпусе 205. Показаны направления инжекции и сброса пучка. Приведено размещение дополнительного оборудования систем электронного, стохастического охлаждения и пр. Табл.0.1. Параметры коллайдера (параметры сгустка приведены для ионов урана 238U92+ на энергии 3.5 ГэВ/н). от d до U Сорт ионов 45 Магнитная жесткость, Тлм Радиус поворота в арках, м Максимальная энергия ионов, ГэВ/н: 238 92+ U 197 Au79+ 208 Pb82+ d 11.25 Периметр кольца, м 251.52 4.37 4.56 4.5 6.3 2 Количество точек встречи Ненормализованный эмиттанс пучка, мм мрад 0.3 0.001 Разброс по импульсу Среднеквадратичная длина сгустка, м 0.3 (1 -2 )109 Количество ионов в сгустке Количество сгустков 10 - 20 Номер гармоники ВЧ 90 Бета функция в точке встречи, м 0.5 5 Рис.0.1. Предварительная конструкция двухаппертурных дипольных магнитов коллайдера. Табл.0.2. Основные параметры магнитной системы коллайдера НИКА. Параметр Количество магнитов в кольце Конструкция Угол поворота Радиус кривизны Магнитное поле Максимальная неоднородность поля Рабочий ток Рабочая температура Количество пучковых камер Апертура пучковых камер Расстояние между осями камер Индуктивность Накопленная энергия Критический ток при 4.25 K Средние потери за цикл Тепловое натекание при 4.5 K / 80 K Масса магнита Внешний диаметр обмотки Эффективная длина магнита Длина ярма Длина обмотки Полная длина криостата Ширина криостата Высота криостата 6 Размерность градусы м Tл кA K м м мГн кДж кA Вт Вт кг м м м м м м м Величина 24 изогнутые 15 11.25 4.0 610-4 ? 4.5 2 0.070 0.300 2x? 2x? ? ~0 3 / 15 ? 0.080 3.0 ? ? ? ? ? 2. Магнитная система 2.1.Оптическая структура кольца и динамика частиц Предварительная конструкция оптической структуры кольца была разработана на основе обычных FODO ячеек с поворотными магнитами (Табл.0.3). Рассматривается также возможность использования структуры с перестраиваемой критической энергией. Ячейки такой структуры отличаются по расположению элементов и длине, но количество магнитов и их основные геометрические параметры такие же, как и для FODO структуры. Табл.0.3.Основные параметры оптической структуры кольца коллайдера. Периметр, м Жесткость пучка, , Tл· м Кол-во банчей, частиц в банче Эмиттанс инж./эксперимент, · мм· мрад Кол-во суперпериодов Кол-во периодовo FODO Длина периода FODO, м Кол-во диполей Кол-во квадруполей Длина диполя/макс индукция, м / Tл Длина квадруполя/макс градиент, м / (Tл/м) Количество точек встречи Кол-во/длина коротких пр. промежутков, /м Кол-во/длина длинных промежутков, /м Кол-во low-beta квадруполей Длина low-beta квадр., макс. град., м / (Tл/м) Расстояние между осями колец, м Кол-во верт. диполей в кольце Длина верт. диполя/макс индукция, м / Tл xmax/ymax в регулярном периоде, м Dxmax/Dymax в регулярном периоде, м Бетатронные частоты Qx/Qy Хроматичность Q’x/ Q’y Энергия перехода, tr x/y в месте встречи, м Dx/Dy в месте встречи, м xmax/ymax в области встречи, м Длина места встречи, м Угол пересечения пучков Beam-beam параметр, 251.52 45 15, 2 ·109 4.3 / 0.7 1 16 9.67 24 32 3.0 / 3.93 0.4 / 29 2 4 / 8.8 2 / 48 12 0.4,0.8 / 77 0.30 8 1.35 / 2.0 16.8 / 15.2 5.9 / 0.2 5.26 / 5.17 -12.22 /-11.85 4.95 0.5 / 0.5 0.0 / 0.0 74.4 / 73.2 9 0 0.002 Регулярная структура в арках кольца состоит из 24 дипольных и 36 квадрупольных магнитов. Длина FODO ячейки выбрана с учетом необходимого пространства для размещения диагностической аппаратуры и элементов системы коррекции. На Рис.6.3. показано расположение диагностических устройств (пикап-электродов - PU) и корректирующих магнитов (корректоры замкнутой орбиты, хроматичности и мультипольные корректоры - C) вблизи квадрупольных линз (фокусирующих – F и дефокусирующих - D) (B обозначает поворотные магниты). Аналогичная система пикап7 электродов и корректоров закладывается вблизи квадрупольных линз длинного прямолинейного промежутка, до и после магнитных элементов сведения пучков. Рис.0.2. Структура регулярной FODO ячейки и значения амплитудных функций вдоль нее. Оптическая структура кольца позволяет получить значения бетатронных функций 0.5 м в обеих точках встречи (Рис.0.3). Рис.0.3. Значения структурных функций вдоль кольца коллайдера. 8 Возможное положение рабочей точки на диаграмме резонансов для данной версии структуры, обозначенное на Рис.0.4 красным квадратом, обеспечивает устойчивость сталкивающихся пучков при проектной интенсивности. Максимальный эмиттанс пучка соответствует минимальной энергии эксперимента (см. Табл. 1.2). Соответственно, необходимые апертуры магнитов были определены по огибающим пучка на энергии 1 ГэВ/н (Рис.0.5). Рис.0.4. Диаграмма резонансов поперечных колебаний вплоть до третьего порядка. s [m] Рис.0.5. Огибающие пучка (±3) на минимальной энергии эксперимента (1 ГэВ/н) с отклонением по импульсу p/p=0 в горизонтальной и вертикальной плоскостях. 9 2.2.Структура кольца в окрестности точки встречи Для размещения экспериментального оборудования требуется достаточно длинная прямолинейная секция в кольце, которая должна обеспечивать совмещение и разведение пучков, согласование с арками, фокусировку пучков в точке встречи до требуемых размеров. Кроме того, эта секция содержит устройства быстрого вывода для эвакуации пучка. Для обеспечения проектной светимости коллайдера структурные функции в точке встречи должны иметь следующие значения: x = y = 0.5 м, Dx = Dy = 0 м. (0.1) Конструкция детектора определяет наименьшее расстояние от квадрупольных линз до точки встречи, которое равно 4.5 м. Структурные функции в длинной прямолинейной секции коллайдера приведены на Рис.0.6. Совмещение и разведение пучков производится в вертикальной плоскости с помощью 4 дипольных магнитов. Два из них, ближайшие к точке встречи, являются общими для обоих колец коллайдера. Фокусировка пучка в точке встречи осуществляется триплетами квадрупольных линз. Дублеты квадрупольных линз используются для согласования прямолинейной секции с арками. Вид сбоку на участок совмещения пучков схематически изображен на Рис.0.7. В процессе работы коллайдера может потребоваться изменение размера пучка в точке встречи как меньшую, так и в большую сторону. На Рис.6.9. показаны различные настройки для места встречи пучков. Кроме того значительное увеличение размера пучка во второй точке встречи необходимо при работе только на один эксперимент (MPD или SPD). s [m] s [m] Рис.0.6. Бетатронные и дисперсионные функции в длинной прямолинейной секции. 10 Рис.0.7. Схематическое изображение участка совмещения и разведения пучков в вертикальной плоскости. B – дипольные магниты, Q – квадрупольные линзы, CP – точка встречи. Показана ¼ часть системы, которая симметрична относительно осей S и Z. Рис.6.9. Различные настройки места встречи пучков, для β*=0.3, 0.5, 1.5 м. 11 Как отмечалось выше, структура коллайдера оптимизирована для ионов U92+ при энергии 3.5 ГэВ/н. Уменьшение энергии ионов неизбежно ведет к увеличению сдвига частоты бетатронных колебаний. Эта проблема решается за счет увеличения эмитанса пучка при уменьшении его энергии, что приводит к снижению светимости. Кроме того, увеличение эмиттанса приводит к увеличению размеров пучка, что наиболее важно для квадрупольных линз вблизи точки встречи. При значении бетатронной функции в точке встречи равном 0.5 м, ее максимальное значение в фокусирующих триплетах составляет примерно 80 м (Рис.0.6). Поэтому, получение высокой светимости на минимальной энергии эксперимента (1 ГэВ/н) требует разработки линз с апертурой больше чем 80 мм. 2.3. Конструкция структурных магнитов и линз Введение Исходная спецификация на основные параметры структурных магнитов коллайдера, (О.Козлов, сообщение от 24.04.09) приведены в Таблице х.1 . На рис. х.1 представлена упрощенная структурная схема колец. Таблица Требуемые параметры основных структурных магнитов коллайдера НИКА. Периметр, м Жесткость пучка, , Tл· м Кол-во банчей / частиц в банче Эмиттанс инж./эксперимент, · мм· мрад 251.52 45 15 / 2 ·109 5 / 0.7 Кол-во диполей / Кол-во квадруполей (на одно кольцо) Длина диполя/макс индукция, м / Tл Радиус кривизны магнита , м Эффективная длина диполя, м Длина квадруполя/макс градиент, м / (Tл/м) Кол-во low-beta квадруполей (на одно пересечение) Длина low-beta квадр./ макс. град., м / (Tл/м) Кол-во верт. диполей в кольце Длина верт. диполя/макс индукция, м / Tл Расстояние между осями колец, м Максимальная скорость нарастания поля в диполе, Тл/с 24 / 32 3.0 / 3.93 11.25 2,945 0.4 / 29 12 0.4,0.8 / 77 8 1.35 / 2.0 0.30 0,7-1,0 Кол-во суперпериодов (теплые, Т = 300 К) Кол-во периодовo FODO / Длина периода, м Количество точек встречи Кол-во/длина коротких прямолинейных промежутков, м Кол-во/длина длинных промежутков, м Длина места встречи, м Угол пересечения пучков 1? 16 / 9,67 2 4 / 8.8 2 / 48 9 0 В структуре коллайдера, как следует из таблицы, используюется несколько разновидностей магнитов, существенно отличающихся по сложности и степени предшествующей опытной проработки или серийного их изготовления в Дубне или в других Лабораториях мира. 12 Рис. В таблице ... не приведены данные по требуемым параметрам магнитов для систем коррекции орбиты пучка, нелинейностей поля и др., которые на данном этапе принимаются аналогичными разработанным ранее для Нуклотрона. Особенности структурных диполей коллайдера НИКА Существенной особенностью магнитной системы колладера НИКА в рассматриваемом варианте является необходимость изготовления секторных (радиус кривизны – 11,25 м) дипольных магнитов с полем около 4 Т. Нетрудно видеть, «стрела прогиба» диполя коллайдера НИКА, имеющего физическую длину около 3 м., должна быть примерно 9,62 см. Мирового опыта создания подобных магнитов нет. По нашему мнению единственным реалистичным подходом к созданию такого диполя является диполь с обмоткой типа «Cos θ», изготовленной из трубчатого сверхпроводящего кабеля нуклотронного типа. По сути своей конструкции этот вариант кабеля может быть изгибаем в любом направлении с минимальным радиусом изгиба 19-20 мм без потери своих функциональных свойств, таких как критический ток, электрическая прочность, эффективность охлаждения, допустимая крутизна нарастания (и спада) рабочего тока, задаваемые на уровне 0.5 –1.0 Тл/с. Охлаждение кабеля осуществляется потоком двухфазного гелия при Т = 4,5 К. Ранее полученный опыт и исследования. Идея создания дипольного магнита с обмоткой типа «Cos θ», изготовленной из трубчатого СП – кабеля нуклотронного типа была предложена специалистами ЛВЭ[1]. Постановка проблемы стимулировалась желанием найти наиболее простой и экономичный путь создания магнитов для синхротрона SIS200 ускорительного комплекса, предложенного для строительства в GSI и впоследствии названного FAIR. Для синхротрона SIS200 необходим был диполь с максимальным полем 4 Тл и скоростью нарастания поля на уровне 1 Тл/с. Параметры дипольного магнита, с 13 катушкой из трубчатого СП-кабеля, предложенные для SIS200 (обозначенные как «вариант А» и «вариант В» соответственно) представлены в таблице х.2. в сравнени с магнитами Нуклотрона и коллайдера RHIC (последний был выбран как базовый для НИОКР по магниту для SIS200 и затем SIS300, выполняемыми GSI в сотрудничестве с BNL). Поперечное сечение прямого дипольного магнита показано на Рис. Х.2 Таблица. Х.2 Параметер Магнитное поле, Tл Апертура, мм «Холодная масса», кг/м Нарастание поля, Тл/с Охлаждающий гелий Форма ярма магнита Температура ярма, K Тип обмотки Полное число витков Рабочий ток, кА Рабочая температура, K Тип кабеля Наружный диаметр, мм Cu-Ni трубка OD/ID, мм Число проводов Диаметр провода, мм Диаметр NbTi нити, мкм Сверхпроводник Отношение Cu/SC NEW DESIGN Вариант A Вариант B до to 4.0 до to 4.0 105 105 ~50 ~50 2 4 Нуклотрон RHIC 2 110x55 300 4 3.5 72.9 372 0.07 двухфазный «Оконная рама» сверхкритическ Цилиндрич. двухфазный Цилиндрич. двухфазный Цилиндрич. 4.5 седлообразная 16 6.3 4.5 4.6 арка 64 5.05 4.2 50-80 арка 14 29 4.5 50-80 арка 12 35.6 4.5 трубчатый Резерфорд. трубчатый трубчатый 7 5.0/4.0 31 0.5 10 NbTi 1.38 9.791.17 --30 0.65 6 NbTi 2.25 8.92 5.0/4.0 40 10.52 6.0/5.0 38 1.2 (keystone) 6 NbTi 1.38 Рис. Х.2 14 1.0 (keystone) 6 NbTi 1.38 Оптимизацию распределения магнитного поля предлагалось осуществить посредством: 1) надлежащего выбора азимутального положения витков обмотки и 2) оптимизацией контура внутренней границы ферромагнитного экрана. Кроме того, предлагалось ограничить «холодную массу» (T = 4.5 K) диполя только собственно катушкой, колларом и, при необходимости, небольшой внутренней частью ферромагнитного экрана, обеспечивающими надежную сборку, предварительное механическое напряжение и компенсацию пондеромоторных сил, расталкивающих половинки катушки друг от друга с силой примерно 20 тонн на погонный метр длины магнита. Остальная (гораздо большая часть железного ярма) охлаждалась бы до температуры не ниже Т = 50–80 K. Небольшого вакуумного зазора ( ~1.0 мм ) достаточно, чтобы исключить теплообмен по всей поверхности, а теплоприток за счет системы подвески «холодной массы» свести к малой величине по сравнению с «законными» тепловыделениями в катушке. Математическое моделирование и оптимизация магнитного поля в диполе типа «cos θ» в случае обмотки с малым числом проводников (витков) решена в работах [2, 3, 4]. Было показано, что используя одновременно вариацию азимутального положения проводников на цилиндрической поверхности и деформацию внутреннего контура ферромагнитного ярма можно обеспечить однородность поля на уровне ±1*10-4 в пределах 75% апертуры магнита, что является необходимым и достаточным. Оптимизированное сечение диполя с апертурой 104 мм и однослойной обмоткой, содержащей 14 витков трубчатого сверхпроводящего кабеля с наружным диаметром, не превышающим 9 мм показано на Рис.. Рис. ....Оптимизированное поперчное сечение диполя с максимальным полем 4 Т: 1- обмотка из трубчатого сверхпроводящего кабеля, 2 – внутренняя граница ферромагнитного экрана, 3 – «коллар» из немагнитной стали, 4 – ярмо из ламинированной ферромагнитной стали. Вертикальная компонента индукции поля вычислялась на радиусе 40 мм и сравнивалась с величиной в центре, при R = 0. 15 Рис. .. Результаты оптимизации 4 T - диполя: слева – зависимость магнитного поля в центре и секступольной составляющей на R = 40 мм от тока в обмотке; в центре – относительная суммарная неоднородность вдоль горизонтальной оси; справа – карта поля, рассчитанная по ANSYS. Вместе с тем, как следует из расчетов, для получения в апертуре магнита поля с индукцией 4 Т ток в кабеле должен достигать величины ~35 кА. В принципе, как будет показано ниже, такой кабель рассчитан и может быть изготовлен, однако это потребует проведения дополнительных НИОКР по кабелю. В связи с этим мы рассматриваем в качестве базовой модели диполь с двухслойной обмоткой. Разработка и исследование в ЛВЭ ОИЯИ трубчатых сверхпроводящих кабелей новых модификаций Кабель из проводов трапецевидного сечения В работе [7] было предложено использовать при изготовлении трубчатого кабеля нуклотронного типа провода не круглого, специального профиля (криволинейной трапеции). Эта модификация позволяла повысит как структурную плотность тока, так и рабочий ток кабеля. Целью этих работ была разработка кабеля с рабочим током до 30 кА. В Таблице .. приведено сравнение стандартного нуклотронного и модифицированного кабелей. Table 2: The main parameters of the Nuclotron and the new hollow conductor Нуклотрон Модифици рованный Наружный диаметр с изоляцией мм 7 7.34 Диаметр канала охлаждения мм 4 4 Copper-Nickel tube diameter мм 5 5 2 Сечение СП провода мм 0.196 0.785 Число проводов в кабеле 31 15 Шаг транспонирования проводов мм 47 55 Коэффициент заполнения Cu/non-Cu 1.38 1.8 Число NbTi нитей в проводе 1045 10644 Диаметр нити 10 6 м Шаг скрутки нитей мм 5 8 Диаметр бандажной проволоки мм 0.2 0.32 Шаг намотки нихромового бандажа мм 0.4 0.4 2 Инженерная плотность тока в кабеле A/мм 122.4 222.7 16 Провод требуемого профиля был разработан и изготовлен в Институте им. Бочвара и из полученного провода в ЛВЭ ОИЯИ был изготовлен кабель. (Рис...), а затем однослойная обмотка дипольного магнита, имеющего размеры диполч Нуклотрона. Fig.7. Illustration of the new high current hollow cable: left – designed cross section where 1 – CuNi tube, 2 – SC-wire, 3 – NiCr-wire, 4 – kapton tape, 5 – glassfiber tape; middle – manufactured SC wire of trapezoidal cross section, right – manufactured cable. Результаты измерений критического тока короткого нового проволда показаны на Рис. .. Видно, что критический ток проводу уменьшается от величины примерно 1400 A при B = 2T до примерно 800 A при B = 5 T. Измерения проводились при температуре Т = 4.46 К. Таким образом реальное значение критического тока данного кабеля, содержащего 15 проводов, должно достигать примерно 21kA в поле 2 T и 12 кА в поле 5 Т.(уточнить!) Рис. . Дипольный магнит нуклотронного типа с однослойной обмоткой был изготовлен и испытан. При этих испытаниях максимально достигнутый ток в обмотке диполя ( 11,4 кА) ограничивался срабатыванием защит по токовводам и источнику питания, которые не были рассчитаны на большие токи. Кабель из проводов кистоунированного сечения в трубке (KWIT) Вариант СП кабеля, состоящего из проводов кистоунированного сечения помещенных в трубку был предложен [6] в качестве дальнейшего направления развития технологии трубчатого кабеля. Поперечное сечение кабеля показано на рис... KWIT сочетает преимущества нуклотронного варианта и кабеля типа «cable-in-conduit conductor» (CICC – cable), который был разработан в рамках международной программы ITER. Как наглядно видно из рисунка, провода трапецевидного сечения образуют самоподдерживающуюся структуру ( «римлянская арка») внутри трубки, являющейся по сути гелиевым сосудом со свеми вытекающими из этого функциями. Основное преимущество KWIT по сравнению с кабелем нуклотронного типа состоит в том, что в этом случае имеет место прямой контакт жидкого гелия со сверхпроводником, что важно для быстрого отвода тепла от в случае 17 быстрого (порядка сотни мкс) импульсного нагрева сверхпроводника (например, в результате высадки пучка). Преимущества KWIT перед CICC состоят в наличии гладкостенного внутреннего канала для хладогента. Образцы KWIT были изготовлены в ЛВЭ с целью демонстрации принципиальной реализуемости такой конструкции. Fig.... Design version of KWIT(left): 1 – superconducting keystoned wire, 2 –outer tube Проектные варианты трубчатых кабелей с током ~ 50 кА. С целью проверки принципиальной возможности создания дипольных магнитов с полями 4.5 Тл и выше, основанных на сильноточном трубчатом кабеле и однослойной обмотке были рассчитаны и предложены несколько новах вариантов кабелей. [ ] Рассчетные данные этих кабелей приведены в Таблице ., а поперечные сечения показаны на Рис... Table ... KWAT1 KWAT2 KWIT1 Параметер Ед. изм Наружный диаметр с изоляцией мм 7.34 8.92 8.92 Диаметр канала охлаждения мм 4 3 3 Copper-Nickel tube diameter мм 5 4 4 Суммарное сечение СП проводов мм2 12.0 37.2 35.3 Число проводов в кабеле 15 40 40 Критическая плотность тока провода @ 4.5 Tл, 4.5 K A/мм2 2070 2960 2960 Критический ток (в поле 4.5 Тл) кА 17.4@2T 49.6@ 4.5T 47.1@ 4.5T Инженерная плотность тока в кабеле A/мм2 223@ 2T 504 @ 4.5T 504 @ 4.5T Видно, что расчетные параметры кабелей KWAT2 and KWIT1 удовлетворяют сформулированной выше цели. Возможно дальнейшее увеличение критического тока кабелей, например, обозначенной как KWAT2 до 53 kA в случае понижения рабочей температуры до ~ 4.3K. [7] a) b) Fig.... Cross section of the KWAT2 (a) and KWIT1 (b) cables: 1 - copper-nickel tube, 2 - composite NbTi wire of keystoned profile, 3 – wires binding by, 4 - electrical insulation. 18 Структурные диполи Для расчета реализуемых параметров диполя воспользуемся уже полученными экспериментальными данными по трапециидальному проводу. Результаты оценочных 2D расчетов для четырех вариантов диполей, отличающихся внутренним диаметром ярма ( 132 мм и 150 мм соответственно) и числом витков представлены на Рис. . Распределение магнитного поля на витках обмотки для вариантов с числом витков по 12 в каждом из двух слоев и внутренним диаметром ярма 132 мм и 150 мм соответственно показаны на Рис. .. Рис. .. Рис. .. 19 Оценивая возможности приведенного варианта диполя, можно сказать, что ограничение по максимально достижимому полю при использовании СП провода с трапециидальным сечением наступит при поле 3.2-3.3 Тл. Для варианта с увеличенным числом витков (по 14 в каждом слое или 12 – в первом и 14 – во втором (см. Рис. .. ) на уже проверенном типе кабеля можно поднять поле до ~ 3,5 Тл. Получение рабочего поля на уровне 4 Тл связано с изготовлением трапецевидного провода с другими размерами. (См. Таблицу .. ) Рис. .. Таблица .. Основные параметры структурных диполей коллайдера НИКА Ед. измер. Величина Параметр Число магнитов ( 2-х апертурных блоков) Вид магнита Макс. поле Мин. поле Угол поворота пучка Краевые углы (вход/выход) Радиус кривизны магнита, ρ Эффективная длина, L Апертура по катушке Рабочая апертура («хорошее» поле) Нелинейность поля в рабочей апертуре Конструктивная длина (монтажный проем ) Поперечные габариты ярма Поперечный размер криостата Общий вес магнитного блока Рабочий ток при макс. поле Индуктивность Максимальная скорость нарастания поля Длительность плоской части цикла Общая длительность цикла Статический теплоприток к блоку магнитов Динамические тепловыделения в магнитном блоке в расчете на цикл 20 шт 24 2- в-1, изогнутый, вертикальное расположение апертур Тл 3,93 Тл 1,0 Град 15 Град ?/? м 11,25 м 3,0 (при Т = 4,5 К) мм 80 мм 60 3 ∙ 10-4 м 3.3 м ~1.0 м ~1.0 кг ~3200 кА 15-16 мГн ~ 1,7 (на апертуру) Тл/с 0.5 – 0.7 с 300 с 3600 Вт 8? Дж Поперечное сечение нового кабеля на основе композитного NbTi провода трапецевидного сечения, оптимизированного для 4 Тл магнита с двухслойной обмоткой показано на Рис. .. Таблица .. Трубчатый кабель для дипольного магнита Параметр Величина Ед. изм Число проводов 18 Охлаждающая трубка Cu-Ni Наружный диаметр трубки 5.0 мм Толщина стенки трубки 0.5 мм Критический ток @ 5.0 T, 4.2 K 17500 A 1-ый слой изоляции материал каптон ( лента) толщина/колич. слоев 40 мкм/2 слоя 2-ой слой изоляции Стеклолента импрегнированная эпоксидн материал смолой с горячим отверждением толщина/колич. слоев 120 мкм/ 1 слой Диаметр кабеля с изоляцией мм 8 Провод Профиль провода Размеры сечения Диаметр NbTi нити Число нитей в проводе Шаг скрутки нитей Диаметр нихром. проволоки Высота трапеции, [мм] 1,00 0,99 0,98 0,97 Число проводов в кабеле, N [штук] 18 18 18 18 трапеция 0,98 х 0,98 3.5 18144 5-8 0,22 мм мкм мм мм Площадь сечения провода, мм2 Макс. ток провода, Imax[A] Макс. ток кабеля, Imax [A] Диаметр кабеля, dкабеля [мм] 0,986 0,975 0,963 0,951 1028 1017 1004 992 18511 18305 18079 17854 8,00 7,98 7,96 7,94 21 Структурные квадруполи Основная особенность структурных квадруполей коллайдера НИКА состоит в том, что при заданном продольном ее размере (~ 400мм) и апертуре ( ~ 90 мм) для получения близких к реальным расчетам распределения магнитного поля необходимо использовать 3-D модели. С точки зрения выбора технологии структурного квадруполя коллайдера, то, учитывая сравнительно небольшое значение требуемого градиента поля ( ~ 29 Тл/м), можно использовать явнополюсную линзу, аналогичную по конструкции квадруполю Нуклотрона, или использовать квадруполь типа «Cos 2θ», в соответствии с выбранной технологией диполя коллайдера НИКА. На рис. .. показаны результаты 2-D оптимизации маловиткового квадруполя с обмоткой «Cos 2θ», выполненные в работе [6]. Как следует из этих расчетов необходимое значение градинта магнитного поля может быть достигнуто при токе ~17кА, что с хорошей точностью соответствует рабочему току в диполях коллайдера. Рис. ... Поперечное сечение «холодной массы» квадруполя (слева) и результаты расчетов и оптимизации: зависимость градиента поля от тока и суммарной относительной нелинейности градиента от тока для различных радиальных размеров ферромагнитного экрана: 1 – 100 мм, 2 – 110 мм, 3 – 120 мм, 4 – 130 мм, 5 – 140 мм, 6 – 160 мм, 7 – 220 мм. Структурный квадруполь Нуклотрона и данные его испытаний после усовершенствований, сделанных в ЛВЭ по результатам НИОКР для СИС100 (максимальный градиент, принятый в проекте СИС100 составляет 27 Т/м) , показаны на рис. Квадрупольный магнит Назначение Структурный квадруполь НИКА явнополюсн. или Cos2θ, 32 х 2 сверхпров. 29 Вид Число магнитов Тип Макс. градиент Макс. поле на полюсе Мин. градиент Эффективная длина, L Апертура по катушке Область «хорошего» поля Диаметр по полюсам Тл/м Тл Тл/м м мм мм мм 0,4 130 ∙ 60 50 22 Структурный квадруполь Нуклотрона явнополюсн Прототип квадруполя СИС100 явнополюсн 64 сверхпров. 32 168 сверхпров. 27 0,0 0,42 1,2 45 135 ∙ 65 50 Линейность градиента Конструктивная длина Сечение «холодной массы» блока Сечение криостата Вес блока «холодной массы» Ток при макс. градиенте Индуктивность Скорость нарастания тока Длительность плоской части Длительность цикла Статический теплоприток Тепловыделения в цикле ∆ G/ G м м м2 кГ A мГн А/с с с Вт Дж/цикл < 1∙10-3 0,5 15000 100 3600 < 1∙10-3 0,5 < 1∙10-3 1.5 6500 750 4500 13000 9000 Рис. .. Прототип структурного квадруполя СИС100 (холодная масса) Элементы оптической структуры мест встречи пучков Мы рассматриваем два варианта оптической структуры мест пересечения пучков: 1) с нулевым углом встречи пучков (θ = 0) и 2) с ненулевым углом взаимодействия пучков. Отметим, что в случае ненулевого угла взаимодействия пучков появляется ряд существенных преимуществ, расширяющих возможности использования комплекса НИКА. Квадруполи места встречи в случае θ = 0 Структурные элементы и их размещение показаны на Рис... Огибающие для пучков симметричны относительно средней плоскости y=0,00. В этом варианте рассматриваются встречные столкновения частиц одного сорта с равными импульсами. Расстояние между медианными плоскостями верхнего и нижнего колец принято равным 0,3 м. Для получения малой величины β-функции в местах встречи пучков используются по 4 квадрупольных триплета на каждое пересечение. Расчетный максимальный градиент поля в этих квадруполях должен достигать величины 77 Т/м, при продольных размерах 400 мм 23 и 800 мм для крайних и центральной линз триплета соответственно. Апертура этих линз может быть выбрана в пределах от 80 мм до 110 мм, а относительная нелинейность градиента не должна быть хуже, чем 2 ·10 -3 . Рис. .. С точки зрения технологии для получения указанных параметров квадруполей единственно возможной является технология линз со сверхпроводящей обмоткой типа «Cos 2θ». Для сравнения с другими разработками линз аналогичного типа можно привести данные по линзам для комплекса УНК ИФВЭ и СИС300 (ГСИ), выполненные специалистами ИФВЭ (Таблица .. ). На рис. .. показано поперечное сечение холодной массы квадруполя, предложенного для синхротрона СИС300 ФАИР. Параметр НИКА (low β, θ=0) Тип фокусирующего элемента триплет Градиент, Tл/м 77 Внутренний диаметр катушки, мм 80-110 Длина катушки, м 0.50 Тип кабеля нуклотрон «Холодная масса», кг/м Нарастание градиента, (Тл/м)/с ~ 20 Охлаждающий гелий Двухфазн Тип обмотки арка Число слоев обмотки 2 Число витков на квадрант 8 Рабочий ток, кА 15-17 24 НИКА (low β, θ≠0) СИС300 УНК 45 130 2.15 резерфорд 97 80 3.09 резерфорд 11.2 ~ 9.5 Сверхкрит Сверхкрит арка 1 20 арка 2 31 Рабочая температура, K Критическая плотность тока провода при 5 Тл, 4,2 К, А\мм2 Сечение провода, мм2 Наружные размеры кабеля, мм Cu-Ni трубка OD/ID, мм Число проводов в кабеле Диаметр провода, мм Диаметр NbTi нити, мкм Сверхпроводник Отношение Cu/SC Толщина коллара, мм Толщина ярма, мм Действующие силы, кН/м 4.5 4.2 2700 4.2 2300 19 0.825 19 0.85 NbTi NbTi 20 20 210 22 33.5 323 8 NbTi 1,4 22 27 Рис. .. ... Диполи с горизонтальным полем Для сведения пучков в вертикальной плоскости ипользуются диполи с горизонтальным направлением поля, обозначенные на Рис. .. как: 1ДВ1 и 1ДВ2 Таблица .. Вертикально отклоняющие диполи коллайдера НИКА при θ = 0 Ед. 1ДВ1 1ДВ2 Параметр измер. Вид магнита Одноапертурн Двухапертурн ый, горизонт. ый, горизонт. поле, СП поле, СП Число магнитов (на пересечение) шт 2 2 Макс. поле Тл 2,0 2,0 Мин. поле Тл 1.0 1,0 Угол поворота пучка мрад Краевые углы (вход/выход) Град 25 Радиус кривизны магнита, ρ Эффективная длина, L (при Т = 4,5 К) Апертура по катушке Рабочая апертура («хорошее» поле) Нелинейность поля в рабочей апертуре Конструктивная длина (монтажный проем ) Поперечные габариты ярма Поперечный размер криостата Общий вес магнитного блока Рабочий ток при макс. поле Индуктивность (на апертуру) Максимальная скорость нарастания поля Длительность плоской части цикла Общая длительность цикла Статический теплоприток к блоку магнитов Динамические тепловыделения в магнитном блоке в расчете на цикл м м мм мм м м м кг кА мГн Тл/с с с Вт Дж 1,35 80 х 200 1,5 1,35 80 х 150 3 ∙ 10-4 1,5 ~1.0 ~1.0 ~ постоянный ~ постоянный 4 - 6 - Участок встречи в случае θ ≠ 0 Рис. .. Схема сведения пучков одного (Au+Au) или разного типа (например, Au+p) в вертикальной плоскости. 2h = 0.4м - расстояние между осями колец. 26 Рис. .. β-функции на участке сведения пучков, β* = βx = βy = 0.5m Рис. .. Схема пересечения пучков под ненулевым углом. Nb,max=25, Lb=4m, 6σ = (0.04 0.08)m , α = (10 – 20) mrad Параметры магнитных элементов системы сведения пучков: Au+79: Ek=4.5 ГэВ/н, Bρ= 44.6 Тл·м; p: Ek=4.5 ГэВ, Bρ= 17.8 Тл·м приведены в Таблицах .. и .. Таблица .. Магнит B1 L[m] 1.35 Параметр B[T], Au+79 2 B2 1.35 2 2 B3 1 - 1.62 27 B[T], протоны 0.8 Таблица .. Параметр Элемент Пучок Тип фокусирующего элемента Градиент, Tл/м Эффективная длина (Т = 4.5К), м Внутренний диам. катушки, мм Длина катушки, м Тип кабеля «Холодная масса», кг/м Тип обмотки Число слоев обмотки Число витков на квадрант Рабочий ток, кА Рабочая температура, K Критическая плотность тока провода при 5 Тл, 4,2 К, А\мм2 Сечение провода, мм2 Наружные размеры кабеля, мм Cu-Ni трубка OD/ID, мм Число проводов в кабеле Диаметр провода, мм Диаметр NbTi нити, мкм Сверхпроводник Отношение Cu/SC Толщина коллара, мм Толщина ярма, мм Действующие силы, кН/м (low β, θ≠0) Qm1 / Qm2 +79 Au квадруп 53 / 65 0,4 8 NbTi 1,4 22 27 28 протоны квадруп 21 / 26 0,4 Q1/ Q2 / Q3 +79 Au триплет 60/51/46 0,4/0,8/0,4 протоны триплет 24/20/19 0,4/0,8/0,4 3. Вакуумная система 3.1. Оценка требуемой величины среднего вакуума Оценку требуемой величины среднего вакуума коллайдера NICA будем производить исходя из следующих основных параметров: Ускоряемые ионы – U92+, Au79+ при энергии 1 Гэв/н( =0,876) поскольку при этой энергии требования к вакууму более жесткие, чем при энергии 4,5 Гэв/н. Кольцо периметром 250 м, ~ 90% кольца - «холодные» участки (Tc ~ 5 K) и ~ 10% кольца - теплые участки (Tw ~ 300 K). Диаметр пучковой камеры ~ 70 мм, среднее значение бета-функции ~15 м. Пучок - 17 сгустков по 109 ионов/банч, rms x, y ~ (5 – 1,5) мм, rms z ~ 30 см, расстояние между банчами ~ 15 м. Парциальный состав остаточного газа: «холодные» участки - 100% Не; теплые 90% Н2, 5% CO и 5% СН4. Время жизни пучка без существенного падения светимости ~ 1 час. Парциальный состав остаточного газа, как и дальнейшая оценка требуемого вакуума, приняты в соответствии с аналогичными расчетами, проведенными в свое время для RHICа [1], [2], [3], [4]. Величины измеренного при комнатной температуре (Тw ~ 300 K) вакуума в пучковой камере считаются равными: теплые участки - 510-10 торр; холодные участки - 110-11 торр. Сечения взаимодействия с остаточным газом При взаимодействии ионизированных до К-оболочки ионов высоких энергий ( 2 ) с молекулами остаточного газа основными процессами являются захват электрона и ядерное взаимодействие. Существуют три механизма захвата электрона: 1. Радиационный захват – процесс обратный фотоэффекту: REC a Z P5 Zt / ; 2. Нерадиационный захват без фотонной эмиссии: NREC b Z P5 Zt5 / ; 3. Захват электрона из рожденных электрон-позитронных пар («вакуумный захват»): VAC d Z P5 Zt5 ln( / 0 ) , где Z p - заряд ускоренного иона, Z t - заряд ядра мишени, - релятивистский параметр, коэффициенты a, b, d и 0 определяются из квантово-механических расчетов. Сечение ядерных столкновений из энергетически независимой модели «биллиардных шаров» равно: 1/3 N RN2 , RN r0 ( A1/3 p At ) , где r0 1, 2 1013 ñì - радиус Ферми; Ap и At - массовые числа ускоренных ионов и молекул остаточных газов, соответственно. При высоких значениях 30 (RHIC), доминирующими являются сечения ядерных взаимодействий. В нашем случае, при ~ 2 сечения подхвата электрона и сечения ядерных взаимодействий сравнимы по величине и требуют отдельного расчета. В тоже время, для сечений подхвата электрона, как показывают оценки, основным является процесс радиационного захвата. 29 В работе [5] приведены графики и коэффициенты для расчета сечений трех механизмов захвата в зависимости от мишени и зарядов ускоренных ионов с энергией более 2 Гэв/н. В работе [6] имеются измеренные сечения захвата электрона для ионов U92+ при энергии 0,95 Гэв/н. Из данных этих работ расчеты сечений захвата при энергии ионов ~ 1 Гэв/н дают величины: теплые участки (90% Н2, 5% CO , 5% СН4) U92+ - C ≈ 3,7510-23 см2 ; Au79+ - C ≈ 1,7510-23 см2, холодные участки ( 100% Не) U92+ - C ≈ 5,010-23 см2 ; Au79+ - C ≈ 2,3510-23 см2. Сечения ядерных столкновений N 2 1/3 26 1.2 ( A1/3 ñì p At ) 10 2 соответственно равны: теплые участки U92+ - N ≈ 0,276 10-23 см2 ; Au79+ - N ≈ 0,25 10-23 см2, холодные участки U92+ - N ≈ 0,274 10-23 см2 ; Au79+ - N ≈ 0,236 10-23 см2. Полные сечения взаимодействия Ñ N равны: теплые участки U92+ - ≈ 4,026 10-23 см2 ; Au79+ - ≈ 2,0 10-23 см2, холодные участки U92+ - ≈ 5,274 10-23 см2 ; Au79+ - ≈ 2,586 10-23 см2. N (t ) Коэффициент передачи пучка D за время равен: N0 D( ) exp(n c ) Потери пучка в процентах равны F (%) 100 [1 D( )] . Плотность n на теплых участках определяется по формуле P nw 3, 2 1016 P(torr ) , температура измерения Tw =300 K. kTw Плотность n на холодных участках определяется по формуле Кнудсена nc nw Tw Tc 2, 47 1017 P (torr ) При этом парциальные составы остаточного газа в месте измерения на тепле и в пучковой камере принимаются одинаковыми. Тогда падение интенсивности ускоренного пучка за один час, с учетом протяженности участков, составит: теплые участки U92+ - F ≈ 0,57 %; Au79+ - F ≈ 0,27 %, холодные участки U92+ - F ≈ 1,05 %; Au79+ - F ≈ 0,49 %. Рост нормализованного поперечного эмиттанса Кроме проведенных оценок необходимо учесть потери пучка по причине роста поперечного эмиттанса пучка из-за многократных кулоновских столкновений [1], [2], [7], [8], [9], [10]. Рост нормализованного эмиттанса в этом случае [7] равен: 30 d N 2 rms , dt 2 где rms - средне-квадратичный угол рассеяния равен 14Mev / c c t , Zp p Lrad rms Mev Ap – импульс иона; c Lrad – радиационная длина мишени. После подстановки, изменение эмиттанса rms за время t будет равно: p 931 2 t Z N 3,39 104 p 3x , x (м), Lrad (м), t (сек). Ap L rad Радиационную длину Lrad можно определить из формулы [10] N 1 , где 4 re2 A Zt2 Lrad f ( Zt ) Zt Lrad X0 At X 0 Lrad - радиационная длина в (г/см2), 133.3 P(torr ) M 106 - плотность газа (г/см3), R0 Tw R0 8,314 103 Äæ / êì î ëü K - универсальная газовая постоянная, M - молярная масса (г/моль). N 1 Для At =1 г/моль, 4 re2 A . At 716.408( ã / ñì 2 ) F (Z ) a2 [(1 a2 )1 0.202 0.037 a2 0.008a4 0.002 a6 ] , где a Zt . даны в Таблице 1 Lrad и Lrad Таблица 1 На практике часто используются упрощенные формулы: Z ( Z 1) ln(287 / Zt ) Zt2 ln(183 / Zt1/3 ) 1 1 t t или . X0 X 0 716.4 A( ã / ñì 2 ) 716.4 A( ã / ñì 2 ) Радиационная длина смеси веществ может быть рассчитана по формуле: wj 1 , где w j и X j весовой коэффициент и радиационная длина j- компоненты. X0 Xj Радиационные длины элементов периодической таблицы приведены в работе [11]. На сайте [12] имеется программа для расчета радиационных длин элементов и их композиций. 31 С учетом изложенного, радиационная длина смеси остаточных газов в теплых участках (90% H2, 5% CO, 5% CH4) X 0,warm = 58,48 г/см2, в холодных участках (100% He) X 0,cold = 94,32 г/см2 и, соответственно, из выражений 2 N ,warm P(torr ) M t Z 54.24 p 3x 106 mm mrad и 2 A p Tw X 0 ( g / sm ) 2 T P(torr ) M t Z N ,cold 54.24 p 3x w 106 mm mrad 2 Ap T X ( g / sm ) T c w 0 92+ рост нормализованного эмиттанса для U за один час, с учетом протяженности участков, составит: теплые участки – N ,warm 3,710-3 мм мрад; холодные участки, с учетом плотности газа nc nw Tw Tc - N ,cold 3,210-3 мм мрад; Рост rms эмиттанса для Au79+ составит: теплые участки – N ,warm 4,810-3 мм мрад; холодные участки - N ,cold 4,210-3 мм мрад; Полученные оценки потерь интенсивности и роста поперечного эмиттанса позволяют считать принятый статический вакуум ( Pwarm 5 1010 торр на тепле и Pcold 11011 торр на холоде) достаточным для работы коллайдера. 3.2. Вакуумная система коллайдера NICA Вакуумная система коллайдера состоит из вакуумных систем пучковых камер и изолирующего объема криогенной части ускорителя. При общей длине бустера ~ 250 м, его «холодная» часть составляет ~ 225 м а «теплые» прямолинейные промежутки ~ 25 м. Поверхность «холодной» части пучковой вакуумной камеры имеет криотемпературу Т ~ 5 К, «теплой» - комнатную Т ~ 300 К. Парциальный состав остаточных газов с большой достоверностью [1] состоит из: «теплая» часть - H2 ~ 90% и ~ 10% - CO, CH4, CO2. «холодная» часть – водород и гелий, при наличии течей из изолирующего вакуумного объема в пучковую камеру. На теплых прямолинейных участках коллайдера установлены физические детекторы, предъявляющие к вакуумной камере особые требования: пучковая камера детектора должна иметь минимально возможную толщину вещества; по всей длине пучковой камеры детектора исключена установка вакуумных насосов и системы термообезгаживания на месте; вакуум должен иметь величину, при которой «шум» от взаимодействия ускоренных ионов с молекулами остаточного газа намного меньше полезного сигнала. Числа ядерных взаимодействий в секунду с остаточным газом и встречным пучком определяются из выражений: 32 Rb ,t nw b ,t l nb Nb r и Rb ,b b ,b L , где P 3, 2 1016 P(torr ) ; kTw и b ,b ядерные сечения взаимодействия с остаточным газом и встречным пучком, nw b ,t определяются по формуле N ; L nb N b2 - светимость коллайдера; r 4 p2 nb и N b - число банчей и число ионов в банче, соответственно; - период обращения, p - поперечный rms размер банча, l - длина участка столкновений. Для ионов золота Au79+ b ,t = 2,5 10-24 см2, b ,b = 5,7510-24 см2. r Считая L = 1027 см2/сек, l =10 м, nb = 17, N b =109 и r =10-6 сек, получим при P =510-10 торр Rb ,t = 6,8102 1/сек и Rb ,b = 5,75103 1/сек. Отношение сигналов ~ 10, что можно считать вполне удовлетворительным. Вариант теплого прямолинейного участка приведен на Рис.1. Рис.1 Для получения требуемого вакуума в теплых прямолинейных участках необходимо соблюсти современные требования предварительной подготовки поверхностей стенок пучковой камеры. В эти требования входят предварительное вакуумное обезгаживание деталей при температуре ~ 9000 C для удаления водорода и непосредственное обезгаживание на месте (“in-situ bake”) при температуре ~ 300 0 C. Поскольку камера детектора не может быть прогрета на месте, необходимо предусмотреть обезгаживание поверхности тлеющим разрядом. Среднее статическое давление в прямолинейном участке равно [3]: L L2 Pavg Dq , где S 3C D – диаметр экспериментального участка; q – величина удельного газоотделения; 2L – длина участка; 2S – скорость откачки насоса; С – линейная проводимость участка. 33 При D=7,6 см, L=500 см, S=500 л/сек, q~10-12 торр л/см2 сек (после обезгаживания прогревом “in-situ bake” и тлеющим разрядом), С = 1,5104 л см/сек для Н2 и 0,35103 л см/сек для CO, оценка среднего давления равна Pavg ,warm ~ 210-10 торр. В криогенной части пучковой камеры величина газоотделения холодных поверхностей на порядки меньше приведенных выше оценок, а скорость откачки, за исключением водорода и гелия, на порядки выше. Установив для откачки гелия и водорода криосорбционные насосы, содержащие активированный уголь, можно -11 рассчитывать на получение статического давления Pavg ,cold 10 mbar. Напомним, что приведенные величины равны показаниям приборов, расположенных при комнатной температуре и соединенные с криогенной пучковой камерой каналом. Вакуумная система изолирующего объема криогенной части ускорителя не требует UHV сверхвысокого вакуума, вполне достаточно давление порядка ~ 110-5 торр. Для предварительной откачки объема до давления P ~ 110-4 торр необходимы турбомолекулярные насосы с «сухими» форвакуумными насосами. Наличие огромной криогенной поверхности при температуре T~ 50 K обеспечит получение требуемого высокого вакуума. При кажущейся простоте вакуумной системы изолирующего объема, необходимо помнить о множественности мест возможных гелиевых течей внутри этого объема. Для предотвращения возможного срыва сеансов из-за появления неожиданно больших течей после охлаждения, необходимо расположить вдоль всего криостата дополнительные мобильные турбомолекулярные насосы, предназначенные для локальной откачки объема в этом случае. Схема одной четвертой части криогенной вакуумной системы приведена на Рис.2. Рис.2 34 3.3. Оценка динамического вакуума при возникновении электронных облаков Электронными облаками принято называть пространственное динамическое распределение электронов, образованное в пучковой камере из первичных электронов (ионизация остаточного газа, фотоэмиссия и т.д.) резонансным («мультипакторным») вторично-эмиссионным размножением их на стенках камеры. Первичные электроны ускоряются полем движущихся банчей, и после достижения стенки выбивают вторично-эмиссионные электроны, которые, при условии резонанса между временем прохождения электронами камеры и пространственным распределением банчей, могут вызвать рост электронного заряда в камере вплоть до компенсации пространственного заряда пучка. На Рис.3 приведена мультипакторная схема RHIC [13] . Nb Рис. 3 Формально условие резонанса для круглой камеры может быть записано как [14] b2 , где Nb re sb - число элементарных зарядов в банче, re = 2,810-15 м – классический радиус электрона, b – радиус камеры, sb - расстояние между банчами. Реально электронные облака возникают в широком диапазоне указанного соотношения. Для коллайдера NICA (b ~ 0,04 м, sb ~ 15 м), эта оценка N b ~ 61010. Поток электронов на стенки вакуумной камеры и пространственный заряд электронных облаков могут вызывать нежелательные эффекты, такие как: Рост давления, вплоть до полной потери пучка, по причине десорбции газов из поверхности стенок камеры; Пучковая неустойчивость; Рост эмиттанса пучка; Тепловая нагрузка на криогенные поверхности камеры; Нарушение работы аппаратуры диагностики пучка. Эти явления наблюдаются на многих ускорителях и коллайдерах, имеющих высокие интенсивности ускоренных ионов (PSR LANL, PF KEK, PEP-II SLAC, CERN ISR, PS, SPS, RHIC и т.д.). Обширная информация по электронным облакам имеется на сайте Electron Cloud in the LHC [15]. 35 Существуют несколько программ для расчета динамики развития электронных облаков, написанных в различных ускорительных центрах – ECLOUD(CERN), SCEC (RHIC), POSINST(LBL/SLAC), CLOUDLAND (BNL) и др. В нашем случае расчеты проводились по свободно доступной версии программы ECLOUD [16]. Для оценки динамического вакуума при появлении электронных облаков в коллайдере NICA необходимо знание величины тока электронов на стенки камеры и коэффициенты десорбции слетающих со стенок молекул. Спектр энергий электронов и коэффициент вторичной эмиссии их с поверхности камеры имеют решающее значение в появлении и интенсивности электронных облаков. Величину энергии электрона можно грубо определить из потенциала поля цилиндрического конденсатора по формуле: e Z Nb b V ln , где 2 0 s x, y e - элементарный заряд, Z - заряд ускоренного иона, N b = 109 Au79+ - число ионов в банче, x, y - поперечный rms радиус банча. Приняв s = sb , получим оценку средней энергии электронов Vavr , при s = 3 z ( rms длина банча) - оценку максимальной энергии Vmax : NICA - Vavr 35 eV, Vmax 600 eV; RHIC - Vavr 22 eV, Vmax 390 eV. Коэффициент вторичной эмиссии электронов (SEY) зависит от энергии электрона, материала стенки камеры и от предварительной обработки ее поверхности. На Рис.4 приведена зависимость этого коэффициента от энергии для некоторых металлов [17]. Рис.4 Покрытие поверхности нераспыляемым геттером TiZrV или нитридом титана TiN значительно снижает коэффициент вторичной эмиссии электронов (Рис.5, Рис.6) [18]. 36 Рис.5 Рис.6 Проведенные для коллайдера NICA расчеты[19] продемонстрировали логичную зависимость плотности электронных облаков от диаметра камеры и наличия дипольного поля, падает с увеличением диаметра пучковой камеры и появлением дипольного магнитного поля. Плотность электронных облаков в коллайдере NICA достигает величины Ne ~ 1,5109 эл/м при max ~ 1,7. На Рис.7 приведены результаты расчета плотности электронных облаков в прямолинейном участке в зависимости от диаметра камеры и величины max , а на Рис.8 приведены результаты для участка диполя с полем 5 Т. 37 Рис.7 Рис.3 Существующие требования периодической активации покрытия TiZrV прогревом на месте исключают возможность их использования на холоде и участках детекторов. Считая, что внутренняя поверхность пучковой камеры будет иметь TiN покрытие, для оценки динамического вакуума принимается коэффициент max 1,5, плотность электронных облаков ~ 3108 эл/м, что при средней энергии электронов Vavr 35 eV соответствует среднему току ~ 3 mA/м. 38 Подробное рассмотрение проблемы электронных облаков в коллайдере, в первую очередь влияния их на динамический вакуум, сделано в BNL на RHIC [20], где в 2001 году попытка вдвое поднять число инжектируемых банчей, привела к полной потере пучка при резком ухудшении вакуума. Аналогично этой работе, проведем оценку динамических газовых нагрузок при возникновении электронных облаков на теплом участке детектора c 2L=10м. Для простоты будем считать, что основным остаточным и десорбированным газом во всей камере коллайдера NICA является Н2, не учитывая вклад молекул СО. Для сравнения с нагрузкой Q0 , соответствующей статическому вакууму, оценка газовых нагрузок от электронных облаков производится по следующим формулам: Статическая нагрузка: dN Q0 kTw , dt dN где - полный поток молекул в объем в секунду; dt или Q0 q0 S , где S – площадь поверхности камеры, q0 - удельное статическое газоотделение. Принимая q0 = 10-12 торр л/см2сек, Q0 1,310-8 торр л/сек. Нагрузка Q1 от молекул, десорбированных потоком электронов облаков: L dI Q1 kTw e e , e dL dI e =3 mA/м – ток электронов облаков, dL e =0,002 - коэффициент десорбции Н2 на электрон. где Q1 610-6 торр л/сек. Нагрузка Q2 от молекул, десорбированных потоком ускоренных пучком ионов, образованных в результате ионизации остаточного газа электронами облаков: L dI Q2 e Pdyn 2r e ion , e dL где e -сечение ионизации остаточного газа электронами облаков, при Vavr 50 eV e 110-16 см2 ; Pdyn - динамический вакуум при газовой нагрузке от электронных облаков, Pdyn 110-7 торр; ion - коэффициент десорбции Н2 на ион, при Vavr.ion 30 eV ion 0,09. Q2 510-10 торр л/сек. Нагрузка Q3 от молекул, десорбированных потоком ускоренных пучком ионов, образованных в результате ионизации остаточного газа прямым пучком: Q3 b Pdyn L Ntot ion , где b -сечение ионизации остаточного газа прямым пучком, e 110-15 см2 ; 39 Ntot nb Nb - поток прямого пучка, nb =17 –число банчей, N b = 79109 – число rev элементарных зарядов в банче, rev 1мкс – период обращения; Q3 6,710-8 торр л/сек. Нагрузка Q4 от молекул, десорбированных потоком потерянного прямого пучка: Q4 b.loss Pdyn L Ntot ion.loss , где b.loss -сечение потерь прямого пучка , b.loss 210-23 см2 ; коэффициент десорбции Н2 на потерянный ион прямого пучка, ion.loss 4 ion.loss 510 . Q4 7,510-10 торр л/сек. Результаты оценок вместе с величиной парциального вакуума по каждой нагрузке сведены в Таблице 2 Таблица 2 Q1 Q0 Q2 Q3 Q4 Q (торр л/сек) 1,310-8 610-6 510-10 6,710-8 7,510-10 P (торр) 210-10 110-7 810-12 110-9 1,210-11 Как видно из таблицы доминирующей является нагрузка Q1 , возникающая за счет десорбции молекул газа из стенок камеры при ударе электронов облаков. 40 4. Система электропитания и защиты 5. Системы диагностики и управления 6. Система инжекции Короткая прямолинейная секция в арке кольца коллайдера (Рис.) спроектирована для размещения системы инжекции. Инжекция производится в горизонтальной плоскости, ее основные элементы – септумный магнит (MS) и ударный магнит («кикер» – K) (Рис.0.1). Системы инжекции для обоих колец идентичны. Рис.0.1. Схематическое изображение однооборотной инжекции пучка в кольцо коллайдера. Расстояние между инжектируемым и циркулирующим пучками на входе в септумный магнит определяется следующим выражением: x S i DS dp dpi p p xCO x S (0.1) где среднеквадратичный эмиттанс пучка имеет максимальное значение при энергии 1 ГэВ/н, равное 4.3 мм мрад, индекс i относится к инжектируемому пучку, s и значения амплитудной функции в септуме для инжектируемого пучка и в накопителе в точке размещения септума, DS – значение дисперсионной функции в точке инжекции, xco – горизонтальная координата замкнутой орбиты, xS – толщина ножа септума (~1 cм). Разделение пучков на несколько сантиметров достигается во всем диапазоне энергий при обычных параметрах элементов системы инжекции: длина септумного магнита составляет 2 м при поле 1 Тл, длина кикера – 2 м при амплитуде импульса поля 0.1 Тл. Максимально допустимая длительность импульса кикера определяется требованием инжекции в кольцо максимально возможного числа сгустков, что необходимо для получения большого значения светимости. Среднеквадратичная длина сгустка в коллайдере s не должна превышать 30 см. Чтобы полностью исключить потери частиц по продольному движению длина сепаратриссы lsep выбирается не меньше 8s, что соответствует примерно 2.4 м. Соответственно номер гармоники ВЧ поля должен быть не 41 более чем 105. Чтобы избежать возмущения уже циркулирующих сгустков при инжекции нового, расстояние между сгустками должно быть не меньше чем (см. Рис.0.2) 0.5 kick jit c 0.5 lsep , (0.2) здесь kick длительность импульса кикера, jit джиттер всех ключей, c – скорость частиц. Предполагается, что время пролета сгустка между пластинами кикера намного меньше, чем длительность плоской вершины импульса. Kicker pulse jitc Injected bunch Circulating bunch s lsep kickc Рис.0.2. Инжекция нового сгустка без возмущения сгустков уже циркулирующих в кольце коллайдера. В предположении, что длительность импульса кикера равна 90 нс, а джиттер равен 5 нс, минимальное расстояние между сгустками составляет примерно 15.1 м (на энергии 3.5 ГэВ/н). Это соответствует 15 сгусткам в кольце с периметром 251.52 м. Достижимая точность инжекции сгустка в центр сепаратриссы составляет примерно 0.1 – 0.15 нс, что в нашем случае соответствует примерно 3 см. Когерентные колебания сгустка после инжекции будут подавляться системой обратной связи. 42 7. Аварийный сброс и утилизация пучка В каждом из колец коллайдера должен быть организован сброс отработанного пучка (Рис.6.1), который также должен служить целям аварийного вывода всего циркулирующего пучка при возможной ситуации перехода сверхпроводящих магнитов в нормальное состояние для избежания попадания интенсивных сгустков на вакуумную камеру. Система аварийного сброса пучка показана на Рис.6.11. Токовый кикер (К) длиной 3 м отклоняет пучок по горизонтали на угол порядка 13 мрад. Далее отклоненный пучок попадает в магнитный септум (MS). На входе в магнитный септум циркулирующий (обозначен красным) и выведенный (зеленый ) пучки разделены в пространстве. Для максимальной энергии и 15 сгустков в каждом из колец максимальное поле в кикере 0.2 Тл, фронт подъема поля 50 нсек. Магнитный септум длиной 4-5 м, с полем до 1-2 Тл, обеспечивает отклонение заброшенного пучка на угол более 100 мрад , достаточный для обхода габаритов ускорителя и направления пучка в поглотитель. Рис.6.11. Возможная схема утилизации (сброса) пучка из кольца коллайдера. 43 8. Высокочастотная система барьерного напряжения Ближайший прототип ВЧ системы барьерного напряжения NICA - малый резонатор установки HESR (FAIR), предназначенный для создания барьерного напряжения при эксперименте с внутренней мишенью. Протестирован в FZJ (Юлих, Германия) на синхротроне COSY. Длина резонатора без зазора 28 см, от фланца до фланца, включая зазор, примерно 50 см, амплитуда напряжения до 600 В, водоохлаждаемый. Для возбуждения используется генератор импульсов произвольной формы, твердотельный усилитель, работающий непосредственно на резонатор. Форма исходного сигнала оптимизируется с учетом его искажения резонатором. Испытавали с внутренней мишенью с напряжением 200 В (ограничено мощностью усилителя). Для синусоидального напряжения ВЧ мощность потерь выражается как P V2 2 Rш 44 Rш ~ 200 Ом Trev V0 t T2 p/p T1 1 2 s-s0 Высота барьера A2,max 2T1 ZeV0 , T0 cp0 T1 = 0.1 T0 0.0116 - Катаяма рекомендует для стохастического охлаждения (Текущее значение для 3.5 ГэВ/н равно 0.0232) V0 = 50 кВ, высота барьера по отклонению по импульсу равна 910-3. V0 = 5 кВ, высота барьера по отклонению по импульсу равна 2.810-3. При текущем значении слип фактора 5 кВ соответствуют 2.810-3 высоте барьера. Для 1 ГэВ/н 5 кВ соответствует 1.110-3 высоте барьера. 45 9. Основная ВЧ система 10. Управление спином 11. Система обратных связей 12. Система стохастического охлаждения Планируется, что система стохастического охлаждения будет выполнена по типу системы в накопителе протонов COSY. Вся система состоит из двух ключевых элементов: пикапэлектродов и высокочастотных усилителей. Пикап-электроды представляют собой кольца из нержавеющей стали. По периметру каждого кольца равномерно расположено 8 контактов, которые снимают ВЧ-сигнал (Рис.1). Рисунок 1 – Пикап-электроды системы стохастического охлаждения COSY. Контакты объединены парами. Пары, расположенные справа и слева от оси пучка – горизонтальные электроды, сверху и снизу – вертикальные. Для повышения чувствительности необходимо объединять сразу несколько колец (8, 16 и т.д.). При этом сигналы с однотипных контактов складываются с помощью микрополосковых линий задержки. Для уменьшения теплового шума вся конструкция замораживается до температуры примерно 30К. Подобная система обладает хорошей чувствительностью по сравнению с другими и более технологична (не имеет подвижных частей), но может быть выполнена для узкой полосы частот (2 – 4 ГГц, 4 – 8 ГГц и т.д.). Поэтому для обеспечения требуемой полосы 2 – 8 ГГц необходимо изготовить две структуры на 2 – 4 ГГц и 4 – 8 ГГц, работающие совместно. Кикер такой системы охлаждения по своей конструкции полностью повторяет пикапы. Низкий уровень сигнала повышает требования к усилителям. Они должны иметь низкий собственный шум и обладать линейной частотной характеристикой в требуемой полосе. 46 13. Система электронного охлаждения 13.1. Общее описание Главной задачей системы электронного охлаждения коллайдера является формирование необходимых параметров ионного пучка на энергии эксперимента до 4.5 ГэВ/нуклон. Система электронного охлаждения на энергию электронов до 2.5 МэВ разрабатывается с учетом имеющейся мировой практике по изготовлению аналогичных систем. Главным отличием данной системы является использование двух охлаждающих электронных пучков (по пучку на каждое кольцо коллайдера), ускорение и замедление которых осуществляется одним высоковольтным блоком (Рис.1). Система состоит из двух электронных пушек и двух коллекторов электронов, четырех ускорительных трубок, системы соленоидов для транспортировки электронных пучков и их совмещения с ионными пучками, высоковольтный блок на напряжение до 2.5 МВ. Элементы высоковольтного блока размещаются в герметичных металлических сосудах, заполняемых газом SF6 (элегазом). Катушки магнитного поля высоковольтного блока имеют нормальную проводимость, а система транспортировки электронного пучка включает в себя секции сверхпроводящих тороидальных и прямолинейных соленоидов. коллектор электронов SF6 электронная пушка коллектор электронов электронная пушка катушки катушки высоковольтный источник Рис.1. Системы электронного охлаждения Коллайдера. Система электронного охлаждения каждого кольца Коллайдера включает следующие основные элементы (Рис.1): - система формирования электронного пучка, включая электронную пушку; - система рекуперации энергии электронов, включая коллектор электронов; 47 - сверхпроводящая магнитная система, состоящая из прямолинейного соленоида тороидального соленоида, катушек поворотного поля, катушки попречного поля в прямолинейной секции; - вакуумная система, включающая вакуумную камеру, средства откачки и диагностики вакуума; - система диагностики электронного пучка, состоящую из двух пикап-станций на входе и выходе из прямолинейной секции; - система очистки вторичных ионов, расположенная в прямолинейной секции между пикап-мтанциями; - система водяного охлаждения соленоидов и коллектора электронов; - высоковольтные источники; - механические конструкции. Табл.1.1. Основные параметры системы электронного охлаждения. Максимальная энергия электронов, МэВ Ток пучка, А Полная мощность, кВт Бета функция в секции охлаждения, м Дисперсия в секции охлаждения, м Полная длина установки, м Эффективная длина системы охлаждения, м Магнитное поле в секции охлаждения, кГс Однородность магнитного поля Радиус электронного пучка, см Поперечная температура электронов, эВ Продольная температура пучка, мэВ 2.5 0 1.0 10 20 / 20 0 8.5 6 25 <110-4 1 10 0.5 13.2. Высоковольтный блок Схема высоковольтного блока системы электронного охлаждения (рис.1) включает следующие основные элементы: 1) Две электронные пушки и два электронных коллектора. 2) Высоковольтный источник (генератор) на напряжение до 2,5 МВ. 3) Катушки сопровождения магнитного поля. Высоковольтная система включает источник напряжения на 2,5 МВ, два комплекта источников напряжения для формирования и рекуперации электронного пучка. Основные параметры этих источников напряжения приведены в таблице 2, а электрическая схема для одного комплекта источников на Рис.2. Обозн. U_0 U_g U_heat U_col U_rep Таблица 2. Параметры источников высоковольтного блока Назначение U, кВ I, мА W, Вт Кол-во Потенциал катода 1 2500 1 5002500 Управляющий электрод ±2 5 10 2 Накал катода 0,02 5000 100 2 Потенциал коллектора +3 1000 3000 2 Потенциал репеллера ±2 5 10 2 48 Стабильность 1×10-4 1×10-3 1×10-2 1×10-3 1×10-3 Электронные пушки полностью погружены в продольное магнитное поле, чтобы обеспечить необходимую однородность поля на катодах пушек. Коллекторы электронов расположены в спадающем магнитном поле так, чтобы входы в коллекторы были расположены примерно на краях катушек. Для этого используются дополнительные катушки, размещенные непосредственно перед коллектором под потенциалом катода, для чего требуются дополнительные источники напряжения. Оси электронных пучков должны совпадать с осями магнитного поля катушек с точностью не хуже 1мм. Потенциалы катодов электронных пушек регулируются дискретными шагами при выключенном источнике и имеют плавную регулировку в пределах дискретного шага при включенном источнике. Стабильность потенциалов катодов обеспечивается как за счет системы стабилизации катодного источника, так и путем применения обратной связи, входным сигналом для которой может служить энергия электронного пучка, энергия рекомбинирующих ионов или программное задание сигнала обратной связи. U_heat U_col U_g U_rep U_0 Рис.2. Электрическая схема высоковольтного блока. U0- источник потенциала катода, Ug – источник управляющего напряжение, Uheat – источник накального напряжения катода, Ucol – источник напряжения коллектора, Urep – источник напряжения репеллера. Элементы высоковольтного блока системы электронного охлаждения коллайдера размещаются в герметичных металлических сосудах из немагнитного материала, рассчитанных на повышенное давление до 0.5 МПа. Сосуды представляют собой единый объем, заполняемый элегазом. Высоковольтная часть генератора находится в корпусе высоковольтного блока в среде элегаза, а силовая низковольтная часть (блок выпрямления и инвертор) размещены снаружи блока. Охлаждение силовых элементов инвертора осуществляется с помощью системы водяного или воздушного охлаждения. Питание высоковольтной части генератора осуществляется через герметичный разъем в корпусе высоковольтного блока. Основные параметры высоковольтного генератора приведены в табл.3. 49 Таблица 3. Параметры высоковольтного генератора № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Параметры Рабочее напряжение генератора, МВ Максимальный рабочий ток генератора в режиме настройки, мА Максимальный ток генератора в рабочем режиме коллайдера, мА Флуктуации тока нагрузки Макс. величина пульсаций напряжения в режиме настройки - при частоте более 1 кГц - при частоте менее 1 кГц Максимальная величина пульсаций напряжения (половина полного размаха) в рабочем режиме - при частоте более 1 кГц ΔЕ/E ≤ 10-4 - при частоте менее 1 кГц ΔЕ/E ≤ 10-3. Рабочая температура Напряжение трехфазной сети питания, В Наличие системы регулирования по напряжению и току Наличие защиты от превышения максимальных значений по току и напряжению, а также от коротких замыканий Наличие системы блокировки, предотвращающей включение генератора при открытом люке (двери) высоковольтного блока Точность поддержания напряжения в рабочем режиме после прогрева в течение не менее 30 мин. при изменениях напряжения в сети в пределах ± 15% должна быть не хуже Работа генератора не должна приводить к искажениям питающей трехфазной сети 380 В Значение 2.5 1.0 0,2 1% < ± 0,001 < ± 0,01 < ± 0,0001 < ± 0,001 -25°С - +30°С 380 Да Да Да 0,1% Да Катушки магнитного поля высоковольтного блока располагаются снаружи баков с элегазом и имеют нормальную проводимость. Параметры катушек приведены в таблице 4. Таблица 4. Параметры катушек магнитного поля Параметр Значение Магнитное поле, Гс 400÷1000 Однородность магнитного поля на оси <10-2 Ускорительные трубки изготавливаются из керамического материала и обеспечивают получение внутри трубок вакуума на уровне 10-8 МПа. Для предотвращения развития разрядных процессов и возникновения перекрытий по внешней поверхности трубок электрическое поле вдоль трубок должно регулироваться принудительно (Рис.2). Для регулирования поля могут применяться промежуточные экраны. Внешний диаметр ускорительных трубок равен 220 мм. 13.3. Система транспортировки электронных пучков Конструкция системы транспортировки электронного пучка, включающая в себя секции сверхпроводящих тороидальных и прямолинейных соленоидов, аналогична конструкции системы электронного охлаждения Бустера. Главное отличие состоит в том, что один прямолинейный соленоид используется для проводки сразу двух электронных пучков. Большая энергия электронного пучка накладывает требование на радиус поворотов 50 тороидальных соленоидов. Для энергии электронов до 2.5 МэВ радиус поворота в торах составляет один метр. Оптическая система транспортировки электронного пучка согласованна с оптической системой коллайдера (см. раздел оптическая система коллайдера) 14. НИОКР по системам охлаждения Система электронного охлаждения разрабатывается и изготавливается совместно с ИЯФ им. Будкера (Новосибирск), FZJ (Юлих, Германия) и ВЭИ (Москва). Высоковольтный генератор типа «динамитрон» будет испытан в ВЭИ на полное напряжение 2.5 МВ. Прототип канала стохастического охлаждения (для продольной степени свободы) планируется испытать на циркулирующем пучке в Нуклотроне. 51 Литература 1. Design and Construction of Nuclotron-based Ion Collider fAcility (NICA), Conceptual Design Report, edited by I.Meshkov and A.Sidorin, JINR, Dubna, 2008 (see http://nucloserv.jinr.ru/nica_webpage/Nica_files/reports/CDR_07/CDR_NICA%20.html). 2. V.D.Kekelidze, A.N.Sisakian, A.S.Sorin et al., The MultiPupose Detector – MPD, Letter of intent, Dubna, 2008. 3. E.D.Donets, in "Physics and Technology of Ion Sources", Ed. by I.G. Brown, Wiley &Sons, NY, 1989, p. 245; E.D. Donets, et al., Rev. Sci. Instrum. 75 (2004), 15431545. 4. V.A. Teplyakov, The First CW Acclerator in USSR and A Birth of Accelerating Field Focusing, Proceedings of EPAC 2006, Edinburgh, Scotland THPPA03, Prize Presentation; 5. O.K.Belyaev, Yu.Budanov, A.Maltsev, I.Zvonarev, NICA RFQ Technical design report, Protvino, 2008. 6. Khodzhibagiyan, H.G., and Smirnov, A.A., The concept of a superconducting magnet system for the Nuclotron, Proc. of the 12th Int. Cryogen. Eng. Conf., 1988, pp. 841844. 7. Baldin, A.M., et al., Superconducting fast cycling magnets of the Nuclotron, IEEE Trans. on Applied Superconductivity, vol. 5, 2 (1995) p. 875877. 8. A.D. Kovalenko, NUCLOTRON: status & future, Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austria. [1] M.J.Rhoades-Brown and M.Harrison, BNL-47070, AD/RHIC-106, 1991. [2] D.Trbojevic, RHIC/AP/136, 1997. [3] RHIC Design Manual, TABLE OF CONTENTS, Rev. Date: October 2000, http://www.agsrhichome.bnl.gov/NT-share/rhicdm/00_toc1i.htm [4 “The RHIC desing overview”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 499 (2003) 245–263 [5] R. Anholt, V. Becker, Atomic collisions with relativistic heavy ions. IX, Phys. Rev. A V36, № 10, 4628, 1987. [6] R. Anholt, W.E. Meyerhof ……, Atomic collisions with relativistic heavy ions. VIII, Phys. Rev. A V36, № 4, 1586, 1987. [7] D.Möhl, Sources of emittance growth ,CAS - CERN Accelerator School: Intermediate Course on Accelerator Physics,15 - 26 Sep 2003, Zeuthen, Germany [8] P. Grafstrom, Lifetime, cross-sections and activation, CAS - CERN Accelerator School and ALBA Synchrotron Light Facility : Course on Vacuum in Accelerators - Vacuum in Accelerators 16 - 24 May 2006 - Platja d'Aro, Spain / Brandt, Daniel (ed.) (CERN) [9]S.P. Møller Beam-residual gas interactions CAS - CERN Accelerator School : Vacuum Technology 28 May - 3 Jun 1999 - Snekersten, Denmark [10] W.-M. Yao et al., J. Phys. G 33, 1 (2006) and 2007 partial update for the 2008 edition available on the PDG WWW pages (URL: http://pdg.lbl.gov/) http://pdg.lbl.gov/2007/reviews/passagerpp.pdf [11] 3.2.2.1 Bremsstrahlung; Radiation length, pp. 220-224, A. Fasso, K. Göbel, M. Höfert, J. Ranft, G. Stevenson, Editor: H. Schopper, Landolt-Börnstein, Elementary Particles, Nuclei and Atoms, I/11, 1990 [12] http://hepwww.rl.ac.uk/Atlas-SCT/engineering/material_budget/material/calculator.xls [13] J. Wei, M. Blaskiewicz, W. Fischer, H.C. Hseuh, U. Iriso, L. Wang, and S.Y. Zhang. Electron cloud effects - observations, mitigation measures, and challenges in RHIC and SNS. In Proceedings of CARE Workshop, Geneva, November 2004. Proceedings of CARE Workshop, Geneva, November 2004. [14] O. Grobner. Bunch induced multipacting. LHC Project Report 127, 1997 [15]http://ab-abp-rlc.web.cern.ch/ab-abp-rlc-ecloud [16] http://wwwslap.cern.ch/collective/electron-cloud/Programs/Ecloud/ecloud.html 52 [17] F. Le Pimpec, F. King, R.E. Kirby, M. Pivi, Secondary Electron Yield Measurements of TiN Coating and TiZrV Getter Film, SLAC-TN-03-052 \ revised 27th August 2004. [18] F. Le Pimpec, R.E. Kirby, F.K. King, M. Pivi, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 564 (2006) 44–50 [19] Доклад Филиппова А.В. [20] W. Fischer,* M. Blaskiewicz, J. M. Brennan, H. Huang, H.-C. Hseuh, V. Ptitsyn, T. Roser, P. Thieberger, D. Trbojevic, J. Wei, and S.Y. Zhang, Electron cloud observations and cures in the Relativistic Heavy Ion Collider, PHYSICAL REVIEW SPECIAL TOPICS - ACCELERATORS AND BEAMS 11, 041002 (2008). 53