Электронное охлаждение глазами посвященных
Логическим продолжением конференции НЕАСС-98 стало рабочее совещание МЕЕС-98 (Medium Energy Electron Cooling), проходившее 14 и 15 сентября в Лаборатории ядерных проблем. Это небольшое по числу участников совещание посвящалось обсуждению довольно интересной и перспективной научной идеи. Как оказалось, идею эту и реализуют очень интересные люди, называющие себя “электрон кулинг комьюнити” (то есть общество любителей электронного охлаждения). Из интервью и электронных посланий некоторых участников МЕЕС-98 мы составили этот рассказ.
1. “Электрон кулинг комьюнити”
А. Сидорин (ОИЯИ): Есть на Земле группа людей, которые называют себя “электрон кулинг комьюнити”. Это по четыре-пять человек в полутора десятках лабораторий, отделенных друг от друга сотнями и тысячами километров. Разделите их число на количество жителей планеты, и вы получите исчезающе малую вероятность случайной встречи с любым из них. Однако были два дня на исходе бабьего лета, когда два десятка представителей комьюнити можно было застать одновременно в конференц-зале НЭОНУ. Неслучайность такого события очевидна, и к этой неслучайности приложили руку с разных концов земли Джим Маклахлан, Александр Скринский и Игорь Мешков. А имя ей “рабочее совещание по электронному охлаждению в области средних энергий” – МЕЕС-98.
Два десятка человек – “узок круг этих людей, страшно далеки они от народа” – но кто это были! Те, кто под руководством Будкера начинали ЭПОХУ: интеллигентно-выдержанный Скринский, неунывающий Диканский, добродушно-мрачный Пархомчук, блестящий Мешков – люди, с царской небрежностью раздавшие свои фамилии установкам, формулам, идеям. Те, кто продолжил эпоху электронного охлаждения на западе: Маклахлан (нет, это не указка, а кисть подрагивает в его нервных пальцах, и широкополая шляпа художника, невидимая, витает над его головой), размеренный Дитер Мёль (и каждое слово, раздельно произнесенное им, аккуратно становится на место), невозмутимый Даг Рейстад (о, уж он-то точно знает), лукаво-застенчивый Иохан Штайн (впервые приехавший в Россию из своего уютного COSY). Те, кто строит новые установки сегодня: методичный Сергей Нагайцев, колоритно-вальяжный Геральд Джексон, напористый Александр Шемякин… Перечислять ли далее? Вы знаете их по публикациям, по выступлениям на конференциях, с кем-то знакомы лично.
Чем занимались они в Дубне? Проще ответить на другой вопрос: как живет комьюнити между встречами? Многие давным-давно дружат семьями, многие знакомы лишь по фамилиям, но электронная почта скрадывает расстояния:
- Вы слышали, Нагайцев получил 200 миллиампер…
- Новосибирцы запустили SIS…
- К нам заезжал на несколько дней мистер Рао (загадочная страна Китай). Я так и не понял, дал ли им Госсовет деньги на проект или нет…
- Дербенев собирается работать у нас – очень приятный человек…
- Читали последнюю статью Данареда? Отличная работа…
Общие проблемы – мало времени на эксперименты (заказчику подавай пучок, тонкие эффекты охлаждения его не интересуют), мало денег на развитие, трудно финансируются новые проекты. А сколько еще непонятного и поэтому интересного.
Две жизни назад один из первых моих учителей говорил так: “Для нормальной работы человеку нужно немного: нормальное жилье, чтобы на работе думал о работе, а не о том, что потолок протекает; нормальную зарплату, чтобы на работе не боялся штаны порвать, и, самое главное, чтобы иногда кто-то похлопал по плечу и сказал – парень, ты делаешь хорошее дело”. В жизни нынешней первые два пункта снятся лишь изредка, осталось только самое главное. И, может быть, школа электронного охлаждения в Дубне состоит пока только из начальных классов (из одиннадцати сотрудников сектора – трое аспиранты) и охлаждать особенно нечего (разве что клинское пиво). Но не награда ли за малый твой труд: рассказать коллегам о планах, показать невзрачное, по винтику собранное (а ведь работает!) железо. Выслушать совет. Услышать искреннее восхищение твоими идеями и результатами (“Надо и нам такой спектрометр сделать”… Г. Джексон). Из первых рук узнать, что и как делают в мире. Просто пожать эти самые первые руки. И не случайно очень разные люди нашли время и средства и не испугались приехать в нашу неухоженную страну, где новый кризис учит вспоминать предыдущий как безоблачное и счастливое время. Каждый в меру сил, мы делаем общее дело.
2. Из истории идей и людей
Д. Рейстад (Упсала, Швеция): Благодаря электронному охлаждению возможно уменьшение эмиттанса и разброса по импульсам накопленного пучка без потерь частиц. Охлаждаемыми частицами могут быть протоны, антипротоны или ионы, для простоты мы будем называть их “ионами”. Охлаждение осуществляется при совмещении ионного пучка на одной из секций накопителя с “холодным” пучком электронов, имеющих ту же среднюю скорость, что и ионы. В движущейся системе отсчета горячий ионный газ смешивается с холодным электронным. Выравнивание температур происходит за счет “кулоновских” столкновений электронов и ионов.
Электронное охлаждение было предложено Г. И. Будкером в шестидесятые годы. Первая практическая реализация этого метода была осуществлена в Новосибирске в 1974 году, при определяющем участии Н. Диканского, И. Мешкова, В. Пархомчука и А. Скринского, принявших участие также и в этом рабочем совещании. С тех пор системы электронного охлаждения стали штатным оборудованием на многих накопителях низких энергий (меньше 1 ГэВ на нуклон) в Европе, США и Японии.
Идеи использовать электронное охлаждение для улучшения условий проведения экспериментов на накопителях промежуточных (больше 1 ГэВ на нуклон) и высоких (больше 10 ГэВ на нуклон) энергий в настоящее время активно разрабатываются в нескольких лабораториях, наиболее серьезно в Национальной лаборатории имени Ферми (Фермилаб в США) и также в ДЕЗИ (Гамбург, Германия).
В Фермилаб в рамках программы по повышению светимости Тэватрона до 1033 см-2Ч сек-1 планируется сооружение нового накопительного кольца, называемого “Ресайклер”. Электронное охлаждение антипротонов с энергией 8 ГэВ в этом накопителе может позволить ускорить темп накопления и повысить интенсивность пучка антипротонов, и было бы эффективно как заключительный шаг программы. Поэтому в 1995 году в Фермилаб была начата программа R&D по электронному охлаждению средних энергий. Две основные задачи этой программы – определить возможности электронного охлаждения антипротонов с энергией 8 ГэВ и разработать и проверить соответствующую технологию. Главная техническая трудность – получить высококачественный, монохроматичный, стационарный электронный пучок с энергией в несколько МэВ и током несколько сот миллиампер.
С. Нагайцев (Фермилаб, США): Когда я еще учился на I курсе Новосибирского университета, И. Н. Мешков привел меня в свою лабораторию в ИЯФ. Тогда я ни о какой науке даже не мечтал – это был интерес мальчишки, но затем электронное охлаждение стало моей профессией, делом всей жизни. И когда в 91-м году передо мной встал выбор: заниматься наукой либо коммерцией – я уехал в университет Индианы, где есть единственное в США кольцо с электронным охлаждением. В Индиане закончил аспирантуру, получил докторскую степень и после этого продолжил работу по тематике электронного охлаждения уже в Фермилаб, где сейчас возглавляю проект электронного охлаждения. Темой занимается группа из 5 человек, в основном представители России и США.
Д. Мёль (ЦЕРН): Хочу отметить основополагающий вклад российских физиков в разработку систем электронного охлаждения. Важно, что сама эта идея пришла из России, ведь только после пионерских работ, выполненных в Новосибирске, метод электронного охлаждения распространился во всем мире: в ЦЕРН, в Фермилаб, в DESY. Сегодня очень актуальной темой является развитие идеи электронного охлаждения в области промежуточных энергий, эти исследования очень важны для многих крупных проектов.
3. Сегодняшние проблемы.
Д. Рейстад: В настоящее время две различные схемы систем электронного охлаждения интенсивно исследуются научными группами Фермилаб, ОИЯИ и ИЯФ имени Будкера в Новосибирске.
Первая схема основана на использовании электростатического ускорителя - “Пеллетрона”. Первоначально такая схема была предложена Т. Эллисоном (IUCF, Блумингтон, Индиана) для повышения светимости в ныне прекращенном проекте по строительству SSC в США. Она предполагала электронное охлаждение протонов с энергией 12 ГэВ в так называемом бустере средней энергии, обсуждавшемся в рамках проекта SSC.
Другая схема, предложенная И. Мешковым (ОИЯИ) и А. Скринским (ИЯФ имени Будкера) основана на использовании циркулирующего электронного пучка. Электронный пучок ускоряется до конечной энергии и после этого циркулирует около одной десятой доли секунды в отдельном небольшом накопительном кольце, в конструкции которого реализовано несколько новых идей в области ускорительной физики. Ускорение электронов осуществляется индукционным ускорителем, нетрадиционно использующим принцип работы бетатрона.
Д. Мёль: основная идея этого совещания – выбор систем охлаждения для ионных пучков промежуточных энергий (до 10 ГэВ). По сравнению с предыдущими работами в этом направлении появилось новое требование: необходимость “перевода” электронных пучков с высокой энергией в диапазон нескольких МэВ и по-прежнему очень “холодных”, то есть с очень малой температурой. Это требование поставило перед физиками ряд вопросов о стабильности высокоэнергетических “холодных” электронных пучков и о самой возможности их эффективной рекуперации с высокой энергии в диапазон до нескольких МэВ с сохранением низкой температуры. В настоящее время предлагается несколько различных схем, и целью прошедшего совещания было их сравнение, выявление преимуществ и недостатков, определение, какой из методов в будущем может быть реализован.
4. Содержание совещания
Д. Рейстад: Рабочее совещание собрало более двадцати ученых из России, США, Германии, ЦЕРН, Японии и Швеции. В нескольких интересных докладах обсуждались возможности и ограничения систем электронного охлаждения. Другие относились к развитию технологии двух схем, описанных выше. Кроме того, были изложены полученные результаты и встреченные трудности на существующих установках, а именно, на недавно принятой в эксплуатацию системе электронного охлаждения синхротрона SIS (GSI, Германия) и системы электронного охлаждения COSY (Юлих, Германия). В своем докладе А. Скринский обсуждал возможности использования непрерывного электронного охлаждения при работе накопителя в режиме коллайдера или в экспериментах с внутренней мишенью. Т. Винклер из GSI рассказал о планируемых экспериментах по использованию сгруппированного пучка от линейного ускорителя для электронного охлаждения. А. Варнер описал разрабатываемую в Фермилаб установку R&D. Эти два дня прошли в интенсивных и плодотворных дискуссиях, как по проблемам электронного охлаждения средних энергий, так и по другим вопросам, вызывающим общий интерес. Рабочее совещание, несомненно, имело большой успех как в развитии проекта системы электронного охлаждения Фермилаб, так и в понимании физики процесса электронного охлаждения на других установках, в том числе на накопителе CELSIUS (Упсала, Швеция).
С. Нагайцев: Особенность этого совещания в том, что здесь собрались все крупные эксперты метода электронного охлаждения. Присутствие на одном совещании Диканского, Скринского, Мешкова, Пархомчука – вообще событие чрезвычайное, это почти невозможно…
С Дубной нас сейчас связывают очень тесно множество договоров, мы пытаемся эти связи не только поддерживать, но и развивать, в том числе – за счет расширения по другим направлениям. Почти вся группа электронного охлаждения из Фермилаб (за исключением одного человека) участвовала сначала в НЕАСС, затем – в МЕЕС-98, многие (и я в том числе) привезли свои доклады.
Основная наша цель: представить на обсуждение свой проект в целом. Хотя электронные средства связи предоставляют мгновенный обмен информацией, живого человеческого общения они не заменяют. И здесь мы представили на суд коллег законченную картину проекта – надеялись, что они покритикуют, и, естественно, нас притиковали очень успешно. В этом и есть основная ценность таких совещаний - поскольку физика ускорителей тесно связана с техническими деталями, а число режимов работы, которые могут быть реализованы в одном ускорителе, очень велико, и это многообразие режимов иногда маскирует реальные физические эффекты. Поэтому очень важно, чтобы мы все говорили на одном языке – для этого и нужно собраться, вместе все обсудить и понять друг друга.
Д. Мёль: Думаю, это совещание было плодотворным для всех его участников, и они возвратились в свои лаборатории с ясным представлением о дальнейших направлениях исследований, о возможностях решения тех или иных проблем, а также с полученными ответами на многие из своих вопросов.
5. До встречи в Упсала!
Д. Мёль: Благодарю российских друзей за радушный прием, оказанный всем участникам совещания, несмотря на то трудное время, которое переживает сейчас Россия. Поскольку новое правительство в вашей стране сформировано из имеющих доверие политиков, я надеюсь, что многие проблемы, возникшие с кризисом, в ближайшее время будут решены.
Д. Рейстад: В заключение я хочу использовать возможность объявить о том, что следующее совещание по вопросам электронного охлаждения будет организовано в Упсала с 19 по 21 мая 1999 года. Оно называется ECOOL-99 и будет иметь целью обсуждение всех аспектов электронного, а также связанных с ним вопросов лазерного и стохастического охлаждения. Это совещание также будет официально включать в себя MEEC-99 и, если потребуется, продолжится до субботы, 22 мая, для специального обсуждения проблем электронного охлаждения промежуточных энергий.
Я хочу закончить эти строки выражением моей глубокой признательности организаторам конференции за создание условий для полезной и приятной работы.