nica28oct06draf4

DRAFT4
РАСЕТ ПАРАМЕТРОВ ИНЖЕКЦИОННОГО КОМПЛЕКСА
НУКЛОТРОНА ДЛЯ ПРОЕКТА NICA С ИСТОЧНИКОМ ДОНЦА
И 50м БУСТЕРОМ
Draft-4 отличается от предыдущего, в основном, следующим: для рассмотрения из
Draft-3 взят только вариант 3, как имеющий наибольшую вероятность для дальнейшего
рассмотрения при обсуждении проекта; сделано некоторое уточнение, касающееся потерь
ионов урана при прохождении обдирочной мишени после бустера; главное внимание
уделено возможности использования имеющегося работоспособного оборудования и,
следовательно, минимизации затрат и времени на сооружения головной части комплекса
при максимальном удовлетворения заданных условий. В дискуссионном порядке
предложен план основных работ по реализации проекта с позиций сроков, рекомендуемых
свыше.
На заседании Круглого стола, посвященного разработке концептуального
проекта NICA, были заслушаны доклады от двух групп, каждая из которых
представила свой независимый вариант ускорительного комплекса. В обоих
вариантах была выполнена достаточно глубокая (насколько это было
возможно за ограниченное время подготовки) проработка структурных схем
проекта. Каждый представленный к рассмотрению вариант проекта имеет
свои особенности и преимущества, которые, безусловно, должны будут
войти в консолидированный проект.
Ниже на основе этих двух вариантов предпринято усилие предложить
схему головной части ускорительного комплекса, которая отвечала бы
заданным начальным «граничным» условиям и, с другой стороны, имела бы
наиболее реалистичную почву для ее скорейшего осуществления. Работа
выполнена в ответ на предложение принять участие в общей дискуссии по
проекту. Материал, безусловно, не является проработанным в деталях и
подлежит уточнениям, что и отмечено грифом.
Поставленная здесь задача, состоящая в поиске оптимальных решений на
участке ускорения от ионного источника до Нуклотрона, видится как
первоочередная. Объектом оптимизации являются параметры, определяющие
интенсивность и энергию пучка, при максимальном использовании
имеющегося оборудования и помещений, а следовательно, минимизации
трудозатрат и времени на сооружение этой части комплекса. Взятая здесь за
основу простая цель получить в Нуклотроне максимальную интенсивность и
энергию, которые будут востребованы (какой бы ни была конфигурация
коллайдера или другого экспериментального оборудования), при строго
реалистичных условиях сооружения комплекса. Расчеты и оценки,
представленные ниже, сделаны далеко не для всех характеристик и
параметров составляющих комплекса. Здесь предлагается рассмотреть
первое приближение и принять (или не принять) предлагаемый подход для
дальнейшей проработки.
1
Ускорения пучка урана для инжекции в Нуклотрон.
В схеме ускорения, приведенной ниже, используется:
а) Источник Донца /1/ с зарядностью ионов урана q= 32+, ожидаемой
интенсивностью от 0,8.1010ррр до 6.1010ррр, частотой повторения f =2500/s и
эмиттансом ε=1π.10-6π m.rad /2/ (по /3/ 6π.10-6π m.rad).
б) Форинжектор, высоковольтный импульсный трансформатор, на
высоковольтном терминале которого устанавливается источник (как и в
рабочем режиме Синхрофазотрона и Нуклотрона). При эксплуатации
форинжектора ЛУ-20 напряжение V на нем не должно превышать 630 – 650
кВ. В данной схеме оно принято равным 600кВ, что даст энергию частиц
W=Vq/A=81keV/u (β=0,0131).
в) Полицилиндрический резонатор РСС, ускоряющий пучок урана на
энергию 400keV/u.
г) Линейный ускоритель Альвареца на энергию около 2 МeV/u.
д) Бустер на энергию ионов урана до 23,3 МeV/u.
е) Нуклотрон.
Полицилиндрический резонатор РСС. Между ФИ и бустером
устанавливается линейный ускоритель на низкую энергию. Согласно
предложению /4/, одобренного для рассмотрения Комиссией экспертов, это
полицилиндрический резонатор РСС, на энергию ионов урана 400 keV/u.
Однако в этом случае ожидаемый захват составляет 75%, а эффективный
эмиттанс пучка на его выходе возрастает до 5π (множитель 10-6m.rad здесь и
в дальнейшем опущен). Если в действительности характеристики РСС не
будут существенно ниже предсказанных, то в рассматриваемом плане такое
можно считать приемлемым.
Здесь напрашивается вариант, в котором с целью получения 100% захвата
в РСС пучок из ФИ направляется в небольшой (а следовательно, недорогой
или у кого-то позаимствованный) ускоритель RFQ, а уже затем в РСС.
Ускоренный в РСС пучок направляется в линейный ускоритель Алвареца,
а затем в бустер. Энергия пучка в ЛУ-2 ≈ 2 MeV/u. Более точное значение
энергии будет зависеть от реализации имеющихся технических
возможностей (см. ниже).
Энергия ЛУ Альвареца на 5MeV/u интуитивно кажется неоптимальной,
поскольку бустер будет недоиспользован, в то время как сооружение
дорогостоящего линейного ускорителя на энергию 5MeV/u, нерационально и,
главное, потребует весьма существенных трудозатрат и времени, которых
можно избежать. Мировая практика показывает целесообразность возможно
большего переноса функциональной нагрузки на бустер
2
Бустер/5/. Периметр 50м, 1/5 периметра Нуклотрона, что позволяет
инжектировать в течение его цикла ускорения от одного до пяти сгустков из
бустера. Такая возможность предусматривается при работе с легкими ионами
или при достижении в камере Нуклотрона вакуума, приемлемого для
ускорения тяжелых ионов. Использование приведенного соотношения
значительно упрощает перевод пучка в Нуклотрон, ускорение в котором
происходит на 5-й кратности, позволяя вводить пучок сразу в его
сепаратрису, в принципе без потерь, что, естественно, существенно облегчает
режим ВЧ захвата в ускорение.
Максимальное поле в бустере принято Вmax=1,2Т /6/ и при ρВ=3,4m,
(Вρ)max=4,08 T.m. Для инжекции пучка из ЛУ 2 MeV/u (β=0,0652) параметры
режима будут следующие: (Вρ)i=1,52T.m, Вi=0,447Т, Перекрытие поля в
бустере kВ=Вmax/Вi=1,2Т/0,447Т=2,69 дает уменьшение эмиттанса пучка после
ускорения также в kВ раз. Таким образом, эмиттанс пучка урана, ускоренного
в бустере, составит ε = 5π/2,69 =1,9π. Частотный диапазон ускорения равен
fm/fi = 0,219/0,0652 ≈ 3,4. Для получения максимальной интенсивности
должна быть использована многократная резонансная инжекция пучка в
бустер и возможность источника «Крион» работать на большой частоте
посылок – 2500/s. Длительность оборота пучка при инжекции из ЛУ-2
составляет 2,56 mks, что при длительности пучка из источника 8 mks будет
составлять только 2,56/8=0,32 его части, или 2.1010 ррр. При 3-х сгустках
через каждые 400 mks (или более, в зависимости от вакуума в кольце бустера
и условий резонанса) это даст около полной интенсивности одного сгустка,
т.е. 6.1010ррр. Если пока (до получения результатов численных расчетов)
отвлечься от потерь пучка на остаточном газе в кольцевой камере бустера, то
потери по тракту от источника до выхода из бустера ориентировочно могут
составить около 2, что дает интенсивность бустера NВ=3.1010ррр.
Кулоновский предел в бустере находится около NK= 1,8.1011ррр.
Указанный режим многооборотной резонансной инжекции в двух
плоскостях проработан в /5/ и практически применен в ФИРАНе /7/. При
таком накоплении выигрыш интенсивности для источника с большой
длительностью пучка может составлять от одного порядка и выше.
Конечная энергия в бустере для ионов с зарядностью 32+ составляет
W=23,3MeV/u (β= 0,219).
Больший периметр бустера брать не имеет смысла, т.к. при инжекции в
Нуклотрон потребуется решать задачу захвата в режим ВЧ ускорения (что,
так или иначе, приведет к потерям интенсивности, даже в режиме
адиабатического захвата), а также теряется возможность в одном цикле
Нуклотрона инжектировать из бустера 5 сгустков.
Режим работы Нуклотрона.
Более простым представляется режим инжекции одного сгустка в
Нуклотрон из бустера с зарядностью 32+, что будет составлять в первом
3
приближении те же 3.1010ррр. Для 5-кратной инжекции это 1,5.1011ррр.
Кулоновский предел в этом случае лежит в районе NK= 2,6.1011 ррр. Энергия
в конце ускорения для (Вρ)N = 40Tm (что реально, хотя и меньше
максимального значения) будет W32 = 0,928GeV/u.
Для получения более высокой энергии путем обдирки на твердом
углероде ионов урана с энергией W=23,3MeV/u зарядность по кривой
И.С.Дмитриева составляет q=82+, что весьма благоприятно с точки зрения
сужения спектра зарядов, т.к. соответствует удалению ровно 4-х оболочек и
сохранению последних 3-х. Эффективность прохождения пучком стриппера
составит приблизительно 20%, т.е. на входе Нуклотрона будет Ni=6.109ррр.
При достаточно высоком вакууме в камере Нуклотрона, позволяющем
осуществить пятикратную инжекцию, интенсивность в нем могла бы
приблизиться к 3.1010ррр. Предел по кулоновскому заряду здесь составляет
NК=3,6.1010ррр.
Энергия ионов в Нуклотроне, с которой они могут быть выведены и
направлены в коллайдер или на мишень, для q = 82+ и (Вρ)N = 40Tm
составляет 3,3GeV/u.
С целью повышения энергии здесь напрашивается заманчивый вариант
ускорения ионов с q=32+ в Нуклотроне до энергии, позволяющей произвести
после вывода их полную обдирку, а затем направить в бустер, который
должен иметь хороший вакуум. Там пучок будет циркулировать до снижения
поля в Нуклотроне, соответствующего инжекции q=92+, после чего пучок
переводится обратно в Нуклотрон, где ускоряется до энергии 3,8GeV/u.
Однако тут также неизбежны потери, которые пока трудно оценить.
Эмиттанс ускоренного пучка будет зависеть как от энергии, так и
рассеяния пучка на остаточном газе в камере.
Комментарии и выводы.
Значения интенсивности и энергии пучка, фигурирующие в изложенных
выше расчетах, в первом приближении отвечают заданным значениям. Для
Нуклотрона это интенсивность 1010ррр – 1011ррр, энергия (реально
достижимая) ~1GeV/u – 3,3GeV/u. Однако следует отметить, что в
приведенных оценках, (как и в докладах групп 1 и 2) не рассматривался
вопрос потерь интенсивности, связанных с вакуумом, что, безусловно,
внесет определенные поправки. Такие расчеты потребуют определенного
времени. Здесь пока стояла задача найти оптимальную расстановку
ускорительных элементов и их параметров. В зависимости от результатов
расчетов потерь на остаточном газе будут зависеть уточнения и изменения в
предлагаемой схеме (впрочем, как и во всех других). Последовательные
итерации позволят приблизиться к оптимальному варианту инжекционного
комплекса.
Главное отличие предложенной выше схемы состоит в использовании
теплого бустера, имеющего 50-метровый периметр.
Преимущества такого технического решения следующие:
4
1. Бустер позволяет инжектировать пучок в кольцо Нуклотрона с
энергией 23,3МeV/u, что повышает в нем кулоновский предел в 4,6 раза по
сравнению с инжекцией из линейного ускорителя на энергию 5МeV/u
(предложение Группы I) и составляет NK= 1,8.1011ррр.
2. Для увеличения энергии частиц в Нуклотроне (т.е. без перевода в его в
коллайдер и обратно, предложение там же), пучок перед инжекцией может
быть ободран до зарядности 82+, что дает конечную энергию 3,3GeV/u и
N=3.1010ррр.
3. Наиболее важное. Практически все подходящие для сооружения
бустера элементы несколько лет лежат на складе, и отказываться от их
использования было бы большой ошибкой. Имеется в виду, конечно,
амстердамский синхротрон, который по своим данным, как нельзя лучше,
подходит для настоящего проекта ускорительного комплекса. Единственное,
что потребует доработки, это его вакуумная камера. Но есть пути, как
сделать камеру бустера более высоковакуумной. Имеющиеся зазоры
магнитов достаточны, чтобы без ущерба для динамики пучка при
необходимости несколько уменьшить рабочую апертуру (эмиттанс пучка
электронно-лучевого источника изначально очень мал, что и является одной
из специфических черт данного проекта). Имеющимся в лабораториях
Института специалистам вполне по силам решить задачу получения
сверхвысокого вакуума в бустере. Помещение для бустера имеется, и в свое
время даже были начаты работы по размещению там ускорителя такого
размера.
4. Рассматривать вариант сооружения 80-метрового сверхпроводящего
(предложение Группы II) в настоящее время не представляется однозначным,
поскольку на его сооружение, включая подготовку помещения, потребуются
немалые средства. Гораздо проще и во много раз дешевле использовать в
схеме инжекции пучка в Нуклотрон, как сказано выше, имеющийся
амстердамский ускоритель. А вот при создании коллайдера без СП магнитов
обойтись невозможно. По сему логично уже сейчас начать такую работу, с
выделением средств в этом направлении.
Создание РСС. Коль скоро, не столь сложное изготовление такого
линейного предускорителя кажется реальным и быстрым, то, очевидно, его
надо начинать, как можно раньше, чтобы получить уверенность при
проведении других работ.
Создание линейного ускорителя Альвареца на энергию 1,5 – 2 MeV/u. В ЛВЭ
имеются два линейных ускорителей такого типа, ранее использовавшихся
для ускорения протонов на энергию 9MeV. Их комбинация
после
соответствующей реконструкции позволит получить энергию на выходе ЛУ
(2х9MeV)32/238=2,4MeV/u, сэкономив значительные средства как на
материалы, так и производство.
Полученные данные сведены в Таблицу 1.
Здесь предпринята также попытка в более-менее конкретной форме
предложить виртуальный план последовательности и сроков выполнения
работ для описанной выше части Проекта (см.Таблицу 2).
5
Автор пользуется случаем выразить свою признательность Г.Г.Гульбекяну
за предоставление весьма полезных физических данных и интересные
обсуждения, а также О.Н.Борисову за помощь при работе над данным
отчетом.
ССЫЛКИ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Доклад Группы источников.
Там же.
Н.И.Веников. Источники ионов для ускорителей. ИАЭ-3217, 1979.
В.В. Кобец и др. Предложение.
И.Иссинский, В.Михайлов. Бустер-накопитель, ОИЯИ, Р1-91-2, 1991.
Н.А.Морозов. Отчет, ЛЯП, 2006.
А.М.Громов, П.А.Черенков. Труды III ВСУЗЧ, II, стр. 110, 1973.
28.10.2006
И.Иссинский
Таблица 1
Источник
Параметр
Зарядность q урана
Интенсивность пучка для поля в соленоиде В
6Т , ррр
12Т, ррр
Эмиттанс, 10-6m.rad
Значение
32+
8.109
6.1010
1π
Форинжектор
Напряжение U, kV
Энергия, keV/u,
Эмиттанс, 10-6m.rad
600
81
1π
Резонатор РСС
Энергия, keV/u,
Эмиттанс, 10-6m.rad
480
5π
Линейный ускоритель ЛУ-2
Энергия, keV/u,
Эмиттанс, 10-6m.rad
2
5π
Бустер
Периметр П , m
(Вρ) max, Т.m
ρБ , m
Сепаратриса S , градусы, (%)
Эффективность инжекции, %
Аксептанс (V x H) 10-6m.rad
50
4,08
3,4
227, (63)
100
100π х 400π
6
Интенсивность, ррр
Кулоновский предел интенсивности, ррр
Конечное поле Вк , Т
Энергия ускоренного пучка WВ , MeV/u
Эмиттанс ускоренного пучка
Зарядность q после обдирки
3.1010
1,8.1011
1,2
23,3
1,9π
82+
Нуклотрон
Max энергия ионов урана, GeV/u
(Вρ)N , Т.m
Интенсивность пучка (32+), ppp
Интенсивность пучка (82+), ppp
Кулоновский предел (для q 82+ и 32+), ррр
3,3
40
1,5.1011
3.1010
(0,4и 2,6)1011
Вариант схемы NICA с источником КРИОН, РСС и бустером
EIBIS U32+,ФИ, W=80keV/u, N≈6.1010ppp
PCC,W=480keV/u, N≈3.1010ppp
LINAC, W=2MeV/u, N≈3.1010ppp
Str.
q=82+
U82+
S82 ≈
0,2
Nuclotron
W = 3,3Gev/u
N(32+)=5циклов x
x 3.1010 =
=1,5.1011ppp
N(82+)=3.1010ppp
Str.
q= 92+
U92+
S92 ≈ ?
Collider
7
Booster
U32+
W=23,3MeV/u
N=3.1010ppp
Таблица 2
График выполнения работ (вариант)
Устройство,
оборудование
1. Ионный источник
1.1. Соленоид
1.2. Стенд
1.3. Вся компоновка
Разработка
технич.
заданий
ПодгоДоработЗапуск,
товка тех. ка, изготов- получен.
докуменление,
результатации
монтаж
тов
нояб 06
апр 07
май 08
авг 08
дек 06
дек 06
авг 07
сент 07
июн 08
июн 08
авг 08
нояб 08
дек 06
янв 07
фев 07
мар 07
июл 07
ноя 07
апр 07
мар 07
мар 07
апр 07
дек 07
дек 07
дек 07
дек 07
2. Вакуум Нуклотрона
нояб 06
2.1. Расчетные работы
2.2. Повышение вакуума в
нояб 06
кольце Нуклотрона
3. Резонаторный
ускоритель
3.1. Резонаторы
3.2. Вак. система
3.3. Генераторы
3.4. Диагностика
3.5. В целом
4. Линейн. ускоритель ЛУ-2
4.1. Резонаторы
4.2. Вак. бочки
4.3. Генераторы
4.4. Вак. система
4.5. В целом
5. Система транспортировки пучка
5.1. Ионопроводы
5.2. Вак. системы
6. Бустер
6.1. Подготовка помещения
6.2. Монтаж на месте
6.3. Реконструкция вак.
камеры
6.4. Системы питания
6.5. Система диагностики
нояб 06
нояб 06
дек 06
дек 06
май 08
янв 07
июл 07
янв 08
ноя 06
дек 06
дек 06
мар 07
янв 07
янв 07
сен 07
май 07
май 07
май 08
янв 07
февр07
мар 07
фев 07
ноя 07
ноя 07
янв 07
дек 06
апр 07
янв 07
сен 07
дек 07
дек 06
апр07
июн 07
дек07
дек 06
дек 06
янв 07
янв 07
июн 07
июн 07
авг 07
авг 07
7. Нуклотрон
По отдельному графику
Iss/D/Нуклот/Supernuc/Схемы/ЛуАмбус28окт06draft4
8
дек 07
дек 07
Примечания