ИТЭФ-2009

NEW TRENDS IN PARTICLE ACCELERATION
Тенденции в развитии ускорителей заряженных частиц
L.S. Shirshov
Institute for High Energy Physics, Protvino, Russia
1
ИТЭФ-2009
•
•
Впервые существование электрона как отдельной частицы зафиксировал
в 1897 году английский физик, руководитель Кавендишской лаборатории
Джозеф Джон Томсон. Он исследовал катодные лучи, отклоняющиеся в
магнитном и электрическом полях, и доказал, что они представляют
собой поток отрицательно заряженных частиц — электронов. По существу,
этот стеклянный прибор длиной 27 см явился первым ускорителем
заряженных частиц, напоминающий нам про хорошо известные всем
телевизоры, где поток электронов ускоряется электрически полем и затем,
попадая на люминофор, вызывает свечение экрана.
В 1997 году отмечалось столетие открытия первой элементарной частицы
– электрона и журнал ЦЕРН-курьер опубликовал статью
http://cerncourier.com/cws/article/cern/28160, посвященную этому событию,
где для сравнения приводились размеры Большого электронпозитронного коллайдера LEP (Large Electron Positron collider). В
настоящее время в этом реконструированном подземном кольце-туннеле
с периметром 26,7 км идет подготовка к пуску нового коллайдера LHC (
Large Hadron Collider), который должен обеспечить в ноябре
протон-протонные столкновения с энергией 7 ТэВ.
2
Заряженные частицы, такие, как электроны, атомные ядра или ионы, можно
ускорять электрическим полем. Полученная энергия соответствует
разности потенциалов которую проходит частица. При энергии в миллион
вольт она составит 1 МэВ. Такие ускорители называют высоковольтными,
они позволяют достигнуть энергию 10 МэВ, ограниченную напряжением
пробоя.
В 1911 году Эрнест Резерфорд обнаружил при облучении
альфа-частицами атомов золота, что атомы
практически пусты, почти вся их масса сосредоточена
в маленьком ядре.
Когда частицы соударяются становится возможным исследование
их свойств и внутренней структуры. Сейчас мы называем
такой эксперимент методикой рассеяния. Чем выше применяемая
энергия, тем более мелкие составляющие частиц можно увидеть.
В 1919 году Резерфорду удалось расщепить ядро азота, бомбардируя его
быстрыми альфа-частицами радиоактивного источника.
3
Начало истории ускорителей
Сотрудники Резерфорда Кокрофт и Уолтон в 1931 году осуществили
первую ядерную реакцию, расщепив ядра лития протонами с энергией
700 кэВ. Развитие физики ядра требовало создания пучков заряженных
частиц с энергиями, сравнимыми со средней энергией связи нуклона в
ядре порядка десятка мегаэлектрон-вольт. Для получения высоких
энергий требовалось искать новые методы ускорения заряженных
частиц.
В начале 30-х годов прошлого века в Беркли заработал первый
циклический ускоритель- циклотрон, за разработку которого Э.Лоуренс
получил Нобелевскую премию по физике в 1939 году. Впервые в 1935 году
с использованием ускорителя энергия альфа-частиц (равная 11 МэВ)
превысила максимальную энергию природных радионуклидов. В те же годы
предложена конструкция линейного ускорителя с трубками дрейфа, но из-за
слабого развития СВЧ-техники в то время, данный метод не получил
широкого распространения.
4
Новый этап развития ускорителей
Цель: прикладные исследования в
области ядерной физики.
Следствие: ограниченность
информации по техническим
проектам и решениям.
В 1944 году В.И. Векслер
сформулировал принцип
автофазировки, который
независимо был открыт в США
Мак-Милланом в 1945 году.
Выдвинутые идеи нашли
воплощение в конструкциях
электронных и протонных
синхротронов.
Произошел переход от установок
на столе к промышленному
масштабу производства крупных
ускорителей.
В работу включились институты и
специализированные заводы.
Политические задачи, связанные с
военной обороной стран,
привели к определенной
изоляции специалистов.
Строительство ускорителей
заряженных частиц на высокие
энергии происходило в
развитых странах.
5
Международное сотрудничество
•
•
•
Европейский центр ядерных исследований CERN был создан в 1954 г.
вблизи Женевы с целью объединения усилий физиков европейских
стран для изучения микромира. В 1956 году здесь состоялась первая
международная конференция по ускорителям, которая позволила
установить контакты между специалистами разных стран. Впервые
были доложены принципиально новые идеи. Качественно новым этапом
в развитии ускорителей стал принцип жесткой фокусировки,
сформулированный в 1952 г., и реализованный в последующих
конструкциях протонных синхротронов.
Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) был создан на
основе Соглашения, подписанного 26 марта 1956 г. в Москве
представителями правительств одиннадцати стран-учредителей, с
целью объединения их научного и материального потенциала для
изучения фундаментальных свойств материи.
С этого времени проекты новых ускорителей стали носить открытый
характер и в создании новых установок принимали участие специалисты
стран с разным политически устройством. В качестве наглядного
примера можно рассмотреть создание и запуск “Серпуховского
ускорителя” – протонного синхротрона с энергией выведенного пучка 706
ГэВ.
протонный синхротрон У-70
7
Перспективы развития У-70
•
В 80 годы прошлого столетия был
разработан проект УНК протонпротонного коллайдера с энергией
3+3 ТэВ. На фото показан вид
канала инжекции протонов длиной
2,7 км в основное кольцо с
периметром 21 км.
8
Новые возможности
ускорительного комплекса ИФВЭ
Модернизация комплекса У-70 предусматривает переход к ускорению легких ионов.
9
The J-PARC accelerator complex consists of 3 accelerators, a linear accelerator, a rapid
cycle synchrotron (RCS, 3GeV) and a 50 GeV (Max) synchrotron.
http://j-parc.jp/Acc/en/gaiyoE.html
10
Сравнительный анализ мощности протонных пучков
11
В декабре 2008 г. в кольце J-PARC ускорен протонный пучок до энергии 30 ГэВ.
В апреле 2009 года в ходе эксперимента T2K (Tokai to Kamioka) произошло первое
наблюдение пучка нейтрино, созданного в Комплексе протонного ускорителя
Японии.
12
Использование сверхпроводящих магнитов в ускорителях
•
•
В Национальной лаборатории им. Э.
Ферми FNAL (США) с 1987 года
работает ускорительнонакопительный протонантипротонный комплекс Tevatron с
энергией до 1.8 ТэВ в системе
центра масс, который стал первой в
мире крупной установкой,
использующей СП-магниты для
создания "магнитной дорожки".
Второй крупномасштабной
установкой, использующей СПмагниты для '' магнитной дорожки''
протонного пучка стала HERA
(Германия), которая с 1992 года
стала осуществлять столкновения
встречных электрон-протонных
пучков с энергиями, соответственно,
30 и 820 ГэВ. Создание этой
установки в содружестве научных
центров десяти стран позволило
ввести в строй действующих первый
в мире ускорительно-накопительный
комплекс, на котором организованы
встречи пучков легких и тяжелых
частиц.
•
•
В 1993 году в Объединенном
институте ядерных исследований
(Дубна) введен в действие
жесткофокусирующий
сверхпроводящий ускоритель
релятивистских ядер - нуклотрон,
ставший третьим примером
использования СП-магнитов в
больших кольцах. Он позволяет
ускорять протоны и ионы тяжелых
элементов (включая уран). За счет
использования СП-магнитов
удалось снизить энергозатраты.
В 2000 г. в Брукхэйвенской
национальной лаборатории (США)
заработал релятивистский
коллайдер тяжелых ионов RHIC
(Relativistic Heavy Ion Collider). Этот
коллайдер с двумя СП-кольцами
предназначен для ускорения ионов
золота при энергии 100 ГэВ/нуклон.
В качестве инжектора RHIC
использован AGS (Alternating
Gradient Synchrotron) - протонный
синхротрон с переменным
градиентом, запущенный в 1960 г.
13
14
15
Основной Инжектор (Main
Injector)
•
•
•
•
•
Теплые магниты 2T
E_max=150GeV
E_inj=8 GeV
Min cycle time 1.4s
Ускоряет протоны и
антипротоны до 150GeV для
инжекции в Tevatron
• Ускоряет протоны до 120
GeV для производства
антипротонов и Нейтринного
эксперимента
• В 1998 году запущен новый
инжектор (Main Injector).
16
Мюонный Коллайдер
•
В США активно обсуждают планы
создания новых коллайдеров, среди
которых следует отметить мюонный
коллайдер и сверхбольшой
адронный коллайдер VLHC(Very
Large Hadron Collider). Мюонный
коллайдер, идею которого в конце
60-х гг. предложил Г.И. Будкер,
находит новых сторонников.
Несмотря на малое время жизни
мюонов (2,2 мкс), современные
технологии позволяют за время
порядка 1 мкс создать "сгустки" из
мюонов и ускорить их для
столкновений в ТэВ-ном диапазоне
энергий.
17
СП-диполь коллайдера Tevatron. СП-обмотка зафиксирована
воротниками. Обратный магнитный поток замыкается через
“теплое” железо. Магнитное поле в центре достигает 4,5 -5 Тесла.
•
•
•
После открытия в 1961 году
сверхпроводящих (СП) материалов
с высоким значением критических
параметров, стало очевидно, что
появился серьезный конкурент у
традиционных электромагнитов.
В 70-х годах с целью удвоения
энергии протонного синхротрона
FNAL был принят проект
Doubler/Saver в рамках которого
обычные магниты были заменены
на сверхпроводящие.
Реализация этого проекта FNAL
позволила в 1983 г. получить в
существующем туннеле с
периметром 6,28 км энергию
800 ГэВ.
18
Выводы и итоги первого применения СП-магнитов
• Впервые отклоняющие СП
магниты для ускорителя
были применены во FNAL
(США), и созданная
конструкция во многом
определила последующие
разработки. К основным
достижениям конструкторов
можно отнести плоский
транспонированный СП
кабель, известный как
резерфордовский тип
токонесущего элемента.
• Размещение железного
магнитопровода обратного
потока вне криостата
привело к уменьшению
материала в области
криогенных температур.
• Многие предложения,
реализованные в СП
магнитах FNAL, привели к
стилю, основная
особенность которого в
точной фиксации обмоток с
помощью листов сборного
бандажа.
• FNAL разработал
конструкцию СП магнита,
позволившую организовать
массовое производство
магнитов в заводских
условиях, но в то же время с
сохранением точностей
изготовления магнитов.
19
СП-диполь установки HERA в криостате.
Магнитное поле от 4,5 до 7,5 Тесла.
•
Недостатком разработки FNAL
стала сложная конструкция
криостата и необходимость
юстировки СП обмотки
относительно ярма, что
усложняет эксплуатацию
оборудования.
• Для протонного кольца
установки HERA были
разработаны конструкция
СП- диполя с "холодным"
ярмом.
20
СП-диполь "суперколлайдера" SSC
21
Судьба "суперколлайдера"
• Сверхпроводящий "суперколлайдер" SSC (Superconducting
Supercollider) был рассчитан в США на получение энергии
взаимодействия протонных пучков 20 X 2 ТэВ в кольце с
периметром 87 км. Проект был подготовлен в 1979 г.
• После подготовки физического обоснования SSC собирались с
1988 финансового года затратить 5 млрд. $ на создание SSC.
• К началу 90-х годов выяснилось, что упомянутые цифры
финансирования проекта SSC, следует по меньшей степени
удвоить.
•
Осенью 1993 года сооружение "суперколлайдера"
SSC было остановлено по финансовым причинам.
22
Магнитная система LHC
23
Большой адронный коллайдер
LHC (Large Hadron Collider)
•
•
•
Проект LHC ориентирован на
СП магниты с "холодным"
ярмом при сверхтекучем гелии.
Для охлаждения до
температуры сверхтекучего
гелия СП-магнитов LHC,
занимающих 24 км часть
кольца, требуется криогенное
оборудование для получения
150 кВт на уровне 4.5 К.
Полный вес "железа" магнитной
структуры, охлаждаемой до
температуры сверхтекучего
гелия, составляет около
тридцати тысяч тонн.
• Дипольные магниты LHC
отличаются тем, что надо
отклонять два встречных
пучка протонов в узком
туннеле. Для экономии
места два СП-магнита
заключены в общее ярмо.
• Всего на LHC установлено
1232 СП-диполей. Полная
энергия, запасенная в одном
магните, составляет
примерно 10 МДж.
• Отклоняющее магнитное
поле в СП- диполе
составляет 8,36 Тесла.
24
СП-диполи RHIC рассчитаны на создание поля 3,4 Тл
25
"Нуклотрон" - третий пример использования СП диполей для
"магнитной дорожки" ускорителя тяжелых частиц.
•
•
•
В 1993г. в Дубне введен в действие жесткофокусирующий
сверхпроводящий ускоритель релятивистких ядер - "Нуклотрон",
ставший третьим примером использования СП магнитов в больших
кольцах.
Магнитная система нуклотрона, имеющего периметр ~252 м, включает
96 дипольных магнитов длиной 1,5 м.
В основу положена конструкция магнита, известная под оригинальным
названием "Window frame magnet" - "оконная рама".
•
•
Дипольные магниты нуклотрона создают магнитное поле ~2 Т, которое
формируется в основном холодным ярмом. Плоская СП обмотка
служит для намагничивания ярма, прямоугольная форма которого
определила название "оконная рама".
Использование трубчатого СП кабеля упрощает конструкцию
криостата и облегчает доступ к магнитной системе ускорителя.
26
Конструкция СП-диполей установки "Нуклотрон”
магнитная индукция ниже 2 Тл
27
Переход к быстроциклирующим СП-магнитам
• В ускорительной технике СП-магниты ранее в основном
использовались для отклонения и фокусировки встречных
пучков в ускорительно-накопительных комплексах, где скорость
нарастания магнитного поля была весьма малой (таблица).
• Переход к быстроциклирующим СП-магнитам требует в первую
очередь снизить уровень динамических потерь в конструкции
дипольного магнита.
• Впервые быстроциклирующий ионный синхротрон был создан в
Дубне на основе СП-магнитов типа “оконная рама”, где
профиль магнитного поля определяется формой железных
полюсов, а на сверхпроводящую обмотку приходится
вспомогательная роль генератора магнитного потока.
• Данный тип магнитов планируется использовать в составе
магнитной структуры первой ступени комплекса проекта FAIR.
28
Наименование
Апертур
а мм
Макс. поле,
B0, Тл
Поле
инжекции
Tл
dB/dt
Тл/с
Макс.
ток, кA
Время
нарастания,
сек
Tevatron
76
4,4
0,66
0,29 T/s
4,4
13
HERA
75
4,68
0,23
0,007
5,03
-
RHIC
80
3,46
0,4
0,07
5,05
44
SSC
50
6,6
0,68
0,005
6,5
-
UNK-II
80
5,11
0,69
0, 125
5,073
20
LHC
56
8,36
0,58
0,008
11,5
-
Nuclotron
110 x 55
2,08
0,03
2–4
6,0
1
SIS-100
форма
110 x 55
эллипс
2
0,05
4
6,0
0,5
SIS-200
80
4
2
1
5,83
2
SIS-300
100
6
2
1
4
29
Общий вид установки FAIR
30
Требования к диполю SIS300
Внутренний диаметр обмотки, мм
100
Диаметр рабочей апертуры, мм
80
Центральное поле, Тл
6
Скорость изменения магнитного поля, Тл/с
1
Температурный запас, К
1
Эффективная длина магнита, мм
Цикл по полю, Тл
Временной цикл, с
2600
1.6 – 6 – 1.6
4.4 – 11 – 4.4
31
СП-диполь SIS100 B=0-2 Тл, 4 Тл/с, 1 Гц
•
•
•
Впервые быстроциклирующий ионный синхротрон был создан в Дубне на
основе СП-магнитов типа “оконная рама”, где профиль магнитного поля
определяется формой железных полюсов, а на сверхпроводящую обмотку
приходится вспомогательная роль генератора магнитного потока.
Данный тип магнитов планируется использовать в составе магнитной структуры
первой ступени комплекса проекта FAIR.
Основным недостатком такой конструкции магнитов является ограничение
максимальной величины достигаемого магнитного поля значением индукции
насыщения материала ярма (как правило, ниже 2 Тл).
32
СП-диполь SIS300 dB/dt=1 T/s,
магнитное поле B от 2 Тл до 4 или 6 Тл?
•
Использование СП-обмотки в качестве основного генератора
магнитной топографии взывает определенные сложности, которые
необходимо решить при разработке конструкции дипольного магнита.
• Мы рассмотрели основные варианты конструкций СП-диполей
для адронных ускорительно-накопительных комплексов и
динамику развития этой достаточно специфической области
техники низких температур и высоких значений магнитного поля.
•
Предстоит выбрать вариант или изогнутого однослойного СП-диполя,
где планируется достигнуть магнитное поле Bmax=4,5 Tл, или отдать
предпочтение двухслойному СП-диполю, где достигнуто магнитное
поле Bmax=6.8 Tл.
33
Итальянский подход
• Продолжением конструкции магнитов RHIC стал вариант
однослойного СП-диполя, где планируется достигнуть
магнитное поле Bmax=4,5 Tл, используя пять обмоточных
блоков изготовленных из Резерфордовского кабеля с
сердечником (подобного наружному кабелю диполей LHC).
• В отличие от предыдущей конструкции, взамен
стеклотекстолитовых проставок, будет использоваться
ламинированный бандаж толщиной 30 мм, набранный из
пластин нержавеющей стали толщиной 3 мм, что позволит
обеспечить лучшую механическую прочность, а также
отодвинуть железное ярмо.
• Однако насыщение магнитного ярма будет играть большую роль,
что вынудит использовать дополнительные корректирующие
СП-магниты.
34
a curved 4.5 T magnet for SIS300
Operating current
( B0=4.5 T)
8926 A
Peak field on conductor
4.901 T
Bpeak/B0
Since 2005 the INFN groups
working in applied
superconductivity expressed a
strong interest in developing
the fast cycled
superconducting dipole for
SIS300.
Current
temperature
1.087
sharing
5.69 K
Working point on load
line
79.8%
Inductance per unit length
2.95
mH/m
35
Вариант конструкции
2D finite element model
110˙ 500 nodes
4 load-s teps :
1.collaring
2.iron yoke
as s embly
3.cool-down
4.energiz ation
36
Инженерное решение
37
Модель двухслойного СП-диполя ИФВЭ
• Проект ускорителя тяжелых ионов FAIR (комплекса
ионных синхротронов с фиксированной мишенью)
базируется на концепции быстроциклирующих СПдиполей с высоким значением индукции магнитного
поля.
• В ИФВЭ разработана конструкция и изготовлена
модель сверхпроводящего дипольного магнита с
пониженными тепловыделениями и высоким
качеством поля, работающего в режиме переменных
магнитных полей со скоростью изменения магнитного
поля до 1 Тл/сек и амплитудой поля до 6,8 Тл.
38
Общий вид поперечного сечения СПдиполя (I квадрант)
Поперечное сечение СПдиполя:
•
•
•
•
•
•
•
•
1 – обмотка;
2 – межвитковые проставки;
3 – шпонка:
4 – бандаж;
5 – вырез;
6 – магнитопровод;
7 – обечайка;
8 – отверстие для II-фазного
He
39
Конструкция СП-диполя
•
•
В магнитах с СП-обмоткой,
которые работают в областях
высоких значений магнитного
поля по сравнению с обычными
электромагнитами, где
топография задается железным
ярмом, область однородного
поля определяется положением
каждого витка сверхпроводника
в обмотке магнита.
В дипольных магнитах
оболочечного типа плотность
тока распределена по азимуту
пропорционально cosθ, причем
обмотка расположена
достаточно близко от рабочего
участка (апертура ускорителя 40
составляет менее 100 мм).
Механическая структура
•
•
•
В модели магнита применен
способ предварительного
нагружения СП-обмотки путем
совместного воздействия
воротников, ярма и обечайки.
В конструкции шихтованный
магнитопровод выполнен в виде
полуколец, охватывающих
воротники, фиксирующие СПобмотку и воспринимающих
часть нагрузки от сил
магнитного поля.
Сварной корпус обечайки
воспринимает усилия и служит
оболочкой магнита.
41
Общий вид лобовых частей СПобмотки диполя.
42
Геометрические параметры СП-диполя.
43
Общий вид
СП-диполя.
44
Тренировка СП-диполя
Quench current, kA
1.
7.8
7.6
7.4
7.2
7
6.8
6.6
6.4
6.2
2.
1
2
3
4
5
6
Quench sequence
7
20
Рабочий ток диполя был
достигнут на третьем вводе
тока, а итоговый
максимальный ток,
составляющий 7738 A
(магнитное поле около 6.8
Tл), был получен на
восемнадцатом вводе тока.
Различие между
критическим током
проволок и диполя
составляет около 7%.
45
Скоростная зависимость тока перехода в
нормальное состояние модели СП-диполя
Total losses, J/magnet
175
Current, kA
7.8
7.6
7.4
7.2
7
6.8
6.6
6.4
6.2
150
1.6-3-1.6 kA
1.6-4-1.6 kA
125
100
75
50
25
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Current ramp rate, A/s
•
0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Current ramp rate, A/s
•
Зависимость динамических потерь
от скорости изменения тока в
треугольных циклах 1.6 кА – Imax
для модели дипольного магнита
SIS300.
Ток перехода диполя в нормальное
состояние не уменьшается при
скоростях ввода тока вплоть до
1300 A/с (1.15 Тл/с).
46
Заключение
• Быстроциклирующие СП-диполи с высоким
значением индукции магнитного поля могут быть
востребованы и при создании ускорителей
короткоживущих элементарных частиц.
• Можно отметить, что свыше полувека идея создания
мюонного коллайдера не находит технического
воплощения именно из-за трудностей быстрого
набора энергии в кольце ускорителя.
• В области создания СП-магнитов на высокие поля
обширный фронт работ, где можно найти много
интересных тем и внести свой вклад…….
47
THANK YOU
FOR ATTENTION !
48
ИТЭФ-2009
Спасибо за
внимание!
49