Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике Институт Ядерных Исследований РАН 27 марта 2008 года Концептуальный Проект Ускорительного Комплекса NICA ОИЯИ Nuclotron-based Ion Collider fAcility И.Н.Мешков (от имени Группы NICA ОИЯИ) 1 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 2 Project leaders: A. Sissakian, A. Sorin Accelerator group leaders: I. Meshkov, A. Kovalenko JINR N.Agapov, V.Alexandrov, A.Alfeev, O.Brovko, A.Butenko, B.Vasilishin, V.Volkov, E.D.Donets, E.E.Donets, A.Eliseev, I.Issinsky, G.Khodzhibagiyan, V.Karpinsky, V.Kobets, O.Kozlov, A.Kuznetsov, V.Mikhaylov, V.Monchinsky, A.Sidorin, G.Sidorov, V.Shevtsov, A.A.Smirnov, A.V.Smirnov, V.Toneev, G.Trubnikov, V.Zhabitsky. IHEP O. Belyaev, Yu. Budanov, I. Zvonarev, A. Maltsev INR V. Matveev, L. Kravchuck Editors: I. Meshkov A. Sidorin Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 3 Содержание доклада: 1. Коллайдер тяжёлых ионов – выходные параметры 2. Схема и режим работы комплекса 3. Светимость 4. Инжектор 5. Бустер-синхротрон 6. Нуклотрон 7. Коллайдер 8. Оценки стоимости 9. Коллаборация NICA Заключение Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 4 1.Коллайдер тяжёлых ионов: выходные параметры Ион-ионные встречные пучки Два места встречи Частицы р ÷ 238U92+, p, d Макс. магн. жёсткость, Тм 45 Макс. энергия, МэВ/н р: 12.6 238U92+: 4.36 Проектные "контрольные" параметры: 238U92+ Частицы Энергия, ГэВ/н 1.0 3.5 Светимость, см-2с-1 6.61025 1.11027 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 5 2. Схема и режим работы комплекса Booster Krion & Linac Existing beam lines (solid target exp-s) Nuclotron здание 205 MPD Collider C = 251.2 m Spin Physics Detector (SPD) Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 6 2. Схема и режим работы комплекса (продолжение) Injector: 2×109 ions/pulse of at energy 6 MeV/u 238U32+ Booster (30 Tm) 2(3?) single-turn injections, storage of 3.2×109, acceleration up to 50 MeV/u, electron cooling, acceleration up to 400 MeV/u Collider (45 Tm) Storage of 15 bunches 1109 ions per ring at 3.5 GeV/u, electron and/or stochastic cooling Stripping (40%) IP-1 Two superconducting collider rings IP-2 2х15 injection cycles 238U32+ 238U92+ Nuclotron (45 Tm) injection of one bunch of 1.1×109 ions, acceleration up to 3.5 GeV/u max. Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 7 2 x 1.51010 ions of 238U92+ 2. Схема и режим работы комплекса (продолжение) Time Table of The Storage Process KRION RFQ RFQ DTL Booster Nuclotron Collider 3.5 GeV/u Eion/A 2 cycles of injection, electron cooling (?) 400 MeV/u electron cooling 100(50?) MeV/u 6 MeV/u stripping to 238U92+ 470 keV/u 25 keV/u 30 injection cycles of 1109 ions 238U92+ per cycle 2s 0.4s 2s 3s 4.5s 135 s 238U32+ Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 8 3. Светимость и как за неё бороться Lmax nb f 0 2 N bunch 4 * 1) Интенсивность пучков: nbunch & Nbuch 2) * "hour-glass effect" minimum lbunch & 3) = min 3.1. = min Nbunch? 3.2. = (t) L = L(t) Laverage lbunch? nbunch? (0 ) T prep Texp 2Tinj 0 L( t ) dt (t ) Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 9 3. Светимость и как за неё бороться (продолжение) 1) Интенсивность пучков: nbunch & Nbuch nbunch limitation: "electron cloud" effect, multibunch beam instability, technical parameters of the injection system. Nbunch limitation: Laslett tune shift, Beam-beam effect, Coherent instabilities Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 10 3. Светимость и как за неё бороться (продолжение) 2) * "hour-glass effect" minimum lbunch & s * s2 * as ( s ) L() = Lmaxf(), = lbunch/* minimum lbunch e-cooling + "bunch compression" ("rotation") minimum KRION e-cooling in booster Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 11 3. Светимость и как за неё бороться (продолжение) 3) = min 3.1. = min Nbunch? lbunch? nbunch? Nbunch lbunch L nbunch Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 12 3. Светимость и как за неё бороться (продолжение) 3) = min 3.2. = (t) Intrabeam scattering (IBS) Emittances x,y(t) dp(t)/p L(t) IBS ~ 50 s storage a cooling is required! Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 13 3. Светимость и как за неё бороться (продолжение) Colliding beams parameters Чтобы обеспечить "контрольные" параметры, нужно: 1. Circumference, m 225 2. *, m 0.5 110-3 3. p/p (one ) 4. Bunch length (), m 5. Beam emittance (), mmmrad 6. Bunch intensity 7. Bunch number per ring 8. Average luminosity for UxU, 3.5 GeV/u, cm-2s-1 0.3 0.26 (1-2)109 15 1.11027 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 14 4. Инжектор: Источник КрИон + линак d KRION Linac Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 15 4. Инжектор (продолжение) 4.1.Крион – криогенный ионный источник на основе электронной струны Е.Д.Донец, Е.Д.Донец, и др. Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 16 4.1. Крион 4. Инжектор (продолжение) (продолжение) Q- Total number of electrons/ions in the electron strings (nC) vs applied magnetic field [T] nC 22 Q- = aB3 20 18 16 f(B) = CB3 Nion B3 14 12 10 Источник B [T] Крион-2 3.0 Крион-6Т 6.0 (Nion)exp 8 6 4 (Ne)exp 2 Ions Nion/pulse Au30+ 5108 exp Au32+ 2109 scaled B2 Normalized emittance 0.2 mmmrad (BNL) 0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 T, B Dependency of a number of string electrons/ions on solenoid magnetic field ( 1 m stringсеминар ) Общемосковский по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 17 4. Инжектор (продолжение) 4.1.Крион (продолжение) Крион-2 с полем 3 Т Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 18 4. Инжектор (продолжение) 4.2. Линейный ускоритель: RFQ + RFQ DTL (O.Belyaev, Yu.Budanov, I.Zvonarev, A.Maltsev, IHEP ) 1st section - Radio Frequency Quadrupole (RFQ) Electrodes of RFQ 2H cavities of "Ural" RFQ Main parameters Injection energy 200 keV/ion Extraction energy 473 keV/u Acceptance Normalized Unnormalized 0.5 mmmrad 70 mmmrad Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 19 4. Инжектор (продолжение) 4.2. Линейный ускоритель (продолжение) Drift Tube Linac of RFQ type (RFQ DTL) (IHEP) Electrodes of RFQ DTL Sector H-cavity Cavity of "Ural" RFQ DTL Main parameters (A/Z = 8) Section number 4 Overall length 13.6 m Acceleration rate 0.34 MeV/m Normalized acceptance 0.5 mmmrad Extraction energy 6.2 MeV/u Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 20 5. Бустер-синхротрон Booster layout KRION + Linac Booster e-cooler Synchrophasotron Nuclotron Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 21 5. Бустер-синхротрон (продолжение) Выбор типа магнитной системы: "Тёплая" или сверхпроводящая? Сравнение параметров (V.Mikhailov) Parameter Warm magnets SC magnets Electric parameters Power consumption, MW 2.0 0.3 12.0 MW (active + reactive) 1.8 MVA (reactive) Maximum voltage, kV 4.0 0.3 Maximum current, kA 3.0 4.0 Peak power Red – hard for realization, green – easily to realise, blue - conventional Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 22 5. Бустер-синхротрон (продолжение) Выбор типа магнитной системы (продолжение) Mechanical parameters Parameter Dipole weight, t Dipole cross-section, m2 Warm magnets SC magnets 3.0 1.5 0.73 x 0.4 Vacuum conditions Desorption coefficient, 104 105 102 104 H2, CO H2 molecules/ion Residual gas Red – hard for realization, green – easily to realise, blue - conventional Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 23 5. Бустер-синхротрон (продолжение) Выбор типа магнитной системы (продолжение) Warm and SC magnets inside the Synchrophasotron yoke Warm magnets SC magnets A.Butenko A.Butenko Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 24 5. Бустер-синхротрон (продолжение) Main Booster parameters Ions 238U32+ Circumference, m 216 SC magnetic Injection/extraction energy,system MeV/u 6.2/400 ("quasy-SIS100", A.Kovalenko, G.Khodzhibagiyan, et al.) Magnetic rigidity, Tm 2.4/25.0 Transition energy, MeV/u 3.9 Maximum dipole field, T 1.8 Cycle repetition period, s 4.0 Vacuum, Torr 10-11 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 25 5. Бустер-синхротрон (продолжение) Booster cycle diagram B = 1.8 T Fast extraction, 3.210E9 ions E-cooling? 4.0 s Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 26 5. Бустер-синхротрон (продолжение) Electron cooler (I.Meshkov, A.Sidorin, A.Smirnov) Main E-cooler parameters Electron cooler EC-35 (Budker INP for IMP, Lanzhou) Electron energy, keV 55 (35?) Ion energy, MeV/u 100.0 E-beam current, A 1.0 Overall length, m 4.0 Cool. section length, m 2.5 Solenoid B-field, kG 1.5 B-field inhomogeinity 110-4 Te / Te||, meV 200/0.5 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 27 5. Бустер-синхротрон (продолжение) Problems to be solved Problem Comments 1. SC magnetic system novel, there is prototype 2. Injection scheme rather conventional 3. Space charge at injection rather conventional 4. Beam collimation, desorption, vacuum, etc. novel, no real experience 5. Acceleration conventional 6. electron cooling rather conventional 7. Fast extraction rather conventional 8., … Many others… rather conventional Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 28 6. Нуклотрон Parameter SC Proton Synchrotron Status (March 2008) Project 1. Circumference, m 251.5 2.05 1.5 3. Max. magn. rigidity, Tm 45 33 4. Cycle duration, s 2.0 5.0 5. B-field ramp, T/s 2.0 1.0 p–U, p, d p-Fe, d 2. Maximum B-field, T 6. Accelerated particles 7. Max. energy, GeV/u 6. Intensity, ions/cycle 12.6(p), 4.36( 238U92+) 11011(p), 1109(A/Z = 2) 4.1(d), [3.0( 238U92+)] 11011(p), 1106(Fe24+) 2108(d) Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 29 6. Нуклотрон (продолжение) Развитие Нуклотрона (Нуклотрон-М) Цель – достичь к 2010 г. параметров, необходимых для реализации проекта NICA: ускорение тяжелых ионов A~200, с интенсивностью пучков ~ 109 A/цикл, частотой повторения 0.2-0.4 Гц при энергии ~ 3.5 ГэВ/н для U92+ разработка новой инжекционной системы модернизация RF системы, систем диагностики и управления пучками усовершенствование вакуумной системы усовершенствование систем электро- и крио-питания развитие минимально необходимой инфраструктуры Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 30 6. Нуклотрон (продолжение) Развитие Нуклотрона (Нуклотрон-М) Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 31 6. Нуклотрон (продолжение) «Кувырок» - одна из ключевых задач! RF phase and (later) amplitude jumps – bunch “overturn” in phase space (A.Eliseev) E Bunch length (phase length) Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 32 6. Нуклотрон (продолжение) Ускорительное отделение ЛВЭ 13.07.2007 Г.В.Трубников Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 33 6. Нуклотрон (продолжение) Новый источник КРИОН-6Т Модернизация криогеники Модернизация системы питания Каналы вывода Модернизация ВЧ системы Радиационная защита Модернизация вакуумной системы Системы управления и диагностика Наладочные и тестовые работы. Регулярные сеансы. Каждый сеанс – очередной этап Проектирование и работы по новым: линаку, бустеру, ВЧ-станциям, поляризованному источнику. Ремонтно-строительные работы ВСЕГО (2007-2010): материалы и оборудование: 2387 k$ Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике оплата работ + договора: 3165 k$34 И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 7. Коллайдер 1. Circumference, m 225 2. Colliding particles p ÷ U, p, d 3. Number of interaction points 2 4. Maximum B-field, T 5.0 (4.0) 5. Max. magn. rigidity, Tm 45 (37.5) 6. Bunch number per ring 15 7. Bunch intensity (1-2)109 8. (x / y)* , m 0.5 / 0.5 9. (Dx, / Dy)* , m 0 / 0 8. Average luminosity for UxU, 3.5 GeV/u, cm-2s-1 1.11027 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 35 7. Коллайдер (продолжение) Кольца коллайдера "Twin" dipole magnets Прототип: диполь УНК (ИФВЭ) Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 36 7. Коллайдер (продолжение) Bunch number limitation by technical parameters of the injection system (A.B.Kuznetsov) lbunch Kicker pulse jitterc Circulating bunch lseparatrix Injected bunch kickerc lbunch 0.5(kicker + jitter)c Circulating bunch s kicker 300 ns nbunch 15 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 37 7. Коллайдер (продолжение) Single bunch parameters limitation Nbunch lbunch IBS rate Qincoherent ξ (beam-beam IBS 50 s parameter) L(IBS) = L(0)/2 Cooling! Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 38 7. Коллайдер (продолжение) Electron cooler Three prototypes HESR (FAIR) 8 MeV x1.0 A electrons (14.7 GeV antiprotons) Fermilab E-cooler Two E-cooler projects of Budker INP 4.3 MeV x 0.5 A electrons Electron cooler for NICA (7.9 GeV antiprotons) Main E-cooler parameters Max.electron energy, MeV 2.4 E-beam current, A 1.0 Cool. section length, m 6.0 SC solenoid B-field, T 2.0 COSY 2 MeV x1.0 A electrons (3.7 GeV protons) B-field inhomogeinity семинар по релятивистской 210-5 Общемосковский ядерной физике TeИ.Н.Мешков / Te|| Проект NICA 50 eV / 5 meV ИЯИ РАН, 27.03.08 39 7. Коллайдер (продолжение) Stochastic cooling 1 cool W 1 d NM dt N N bunch CRing = 225 m Lbunch = 0.3 m Nbunch = 1109 C Ring W – band width of the feed back M – “the mixing factor” l bunch Stochastic cooling for NICA: cool = 50 s W = 18 GHz Hopeless! Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 40 7. Коллайдер (продолжение) Stochastic cooling (contnd) S-cooling with “shifted” PU electrodes [T.Katayama, I.Meshkov, D.Moehl] y z x h d It makes 1 1 sufficient 0.75 a conventional f_PU ( x) 0.5 S-cooling system 0.25 0 of 5 GHz band width ION BEAM 0.3 0.3 0.2 f_ion( x) 0.1 f_io 0 0 12 0 86 6 4 2 00 2 ( d_x ) 2d 8 xx 4 6 86 12 8d_x 2d Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 41 8. Оценки стоимости Проекта Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 42 8. Оценки стоимости Проекта (продолжение) 8.1. Процедура оценок: 3 независимые оценки, представленные 1) А.Д.Коваленко, 2) Руководителями «подпроектов» NICA: А Бутенко,В.Волков, В.Кобец, В.Михайлов, В.Мончинский, А.Сидорин, Г.Трубников, Г.Жоджибагиян, 3) И.Мешков. «Усреднение» руководствуясь «здравым смыслом» Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 43 8. Оценки стоимости Проекта (продолжение) 8.1. Процедура оценок (продолжение) Учитывались составляющие стоимости: Трудозатраты (1 чел.-месяц = 1 k$), Стоимость материалов и изготовления, Сторонние контракты. 8.2. Оценивались следующие работы: Разработка проекта (“paper work”), Конструирование (от эскизов до выпуска рабочих чертежей), Изготовление, Сборка - монтаж, Пуско-наладочные работы. Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 44 8. Оценки стоимости Проекта (продолжение) 8.1. Процедура оценок (продолжение) Учитывались составляющие стоимости: Трудозатраты (1 чел.-месяц = 1 k$), Стоимость материалов и изготовления, Сторонние контракты. 8.2. Оценивались следующие работы: Разработка проекта (“paper work”), Конструирование (от эскизов до выпуска рабочих чертежей), Изготовление, Сборка - монтаж, Пуско-наладочные работы. Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 45 8. Оценки стоимости Проекта (продолжение) 8.3. Оценивалась стоимость «поэлементно», например: Элементы Бустера Станция обдирки ионов 1. СП магнитная система 1. Обдирочная мишень 2. Вакуумная система 2. Радиационная защита 3. Системы впуска-выпуска Коллайдер 4. ВЧ система 5. Система эл-го охл-ия 1. СП магнитная система 6. Сточники питаия 2. Вакуумная система 7. Устройства диагностики ……………………………… Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 46 8. Оценки стоимости Проекта (продолжение) 8.4. Результаты оценок (US k$) Нуклотрон-М 5,200 Инжектор Бустер со станцией обдирки ионов 11,150 16,500 Коллайдер 55,800 Линии транспортировки пучков 2,500 R & D разного рода 1,900 Итого 93,050 Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 47 9. Основные этапы проекта NICA /MPD I этап ускорительный комплекс Нуклотрон-М (2008-2010) и необходимая инфраструктура, программа R&D подготовка рабочего проекта II этап разработка и изготовление–элементов Начало экспериментов 2014 г. (2008-2012) комплекса ускорителя развитие инфраструктуры III этап окончание изготовления, монтаж (2010-2012) IV этап наладка, приемка и запуск в эксплуатацию (2013-2014) Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 48 НИИЯФ МГУ им. Д.В.Скобельцина МИФИ 10. Коллаборация NICA ОИЯИ ИЯФ им. Г.И.Будкера ИФВЭ МРТИ NICA ВНИИЭФ ВНИИТФ ИТЭФ им. А.И.Алиханова ИЯИ РАН ФИ РАН им. П.Н.Лебедева Общемосковский семинар по релятивистской ядерной физике И.Н.Мешков Проект NICA ИЯИ РАН, 27.03.08 49 Спасибо за Ваш интерес к проекту! 50