Новые перспективы в нашем сотрудничестве с Фермилаб

С 1 по 14 февраля по приглашению руководства Отдела пучков представители ЛЯП ОИЯИ посетили Национальную ускорительную лабораторию имени Ферми, США. Во время визита обсуждались как ход реализации совместного проекта по созданию системы электронного охлаждения с циркулирующим пучком (разрабатываемой совместно Фермилаб и ОИЯИ в рамках проекта повышения светимости Тэватрона) так и перспективы расширения сотрудничества наших научных центров. О сути обсуждавшихся вопросов рассказывает научный сотрудник НЭОНУ Анатолий Олегович Сидорин.

Один из проектов повышения светимости Тэватрона (базовой установки Фермилаб) предполагает размещение дополнительного антипротонного кольца в туннеле основного инжектора - так называемого Ресайклера. В это кольцо будет “сбрасываться” отработанный пучок антипротонов из Тэватрона, его энергия будет понижаться до 8 ГэВ, затем, после охлаждения, он будет дополняться новой партией антипротонов, снова ускоряться и инжектироваться в Тэватрон для повторного использования. Таким образом, при той же интенсивности антипротонного источника, интенсивность пучка антипротонов в Тэватроне удастся повысить примерно в три раза.

Магнитная система Ресайклера будет строиться на базе использования магнитотвердых материалов. Охлаждение пучка антипротонов и компенсацию его нагрева при инжекции дополнительной партии должна осуществлять система электронного охлаждения. Для охлаждения интенсивных ионных пучков с энергией несколько ГэВ необходимо получать электронные пучки высокой интенсивности с малыми угловым разбросом и узким энергетическим спектром, что при энергии электронов в несколько МэВ является непростой технической задачей.

Многие проблемы позволяет решить схема системы электронного охлаждения с циркулирующим пучком, когда накопитель ионов дополняется небольшим электронным. Оба кольца имеют общую прямолинейную секцию, где пучки, двигаясь с близкими скоростями, обмениваются энергией. После выравнивания температур электронное кольцо заполняется новой порцией “холодных” электронов.

Оригинальная разновидность такой системы была предложена на Международной конференции по электронному охлаждению в области промежуточных энергий, состоявшейся год назад в Новосибирске, в докладах Д. Джексона из Фермилаб и И. Н. Мешкова. Новизна этой схемы заключается в использовании соленоидального магнитного поля для фокусировки электронов и в применении бетатронного метода для их ускорения. На этой же конференции было принято решение о совместной реализации такой системы, которое было закреплено в договоре, подписанном в агусте прошлого года. В рамках проекта в Фермилаб создается простая физическая модель электронного кольца с небольшим, невысокой однородности магнитным полем, на которой можно будет исследовать некоторые вопросы динамики электронного пучка.

Лаборатория ядерных проблем ОИЯИ разрабатывает и сооружает прототип системы электронного охлаждения, с помощью которого должен быть получен электронный пучок со всеми требуемыми высокими характеристиками. Технический проект этой установки (названной “прототип модифицированного Бетатрона”), разработанный в отделе новых ускориетлей и констркуторском отделе ЛЯП, и был представлен американским коллегам сотрудниками ЛЯП профессором И. Н. Мешковым, ведущим конструктором конструкторского отдела лаборатории С. В. Мироновым и научным сотрудником НЭОНУ А. О. Сидориным.

В результате обсуждения проекта на научном семинаре Отдела пучков, ученые Фермилаб высоко оценили основные технические и конструктивные решения, положенные в его основу. В настоящее время готовится договор, регламентирующий сроки и этапы изготовления в ОИЯИ основных элементов модифицированного Бетатрона, которое будет финансироваться американской стороной. Изготовление первых соленоидов уже начато в мастерских ЛЯП. В дальнейшем в ОИЯИ будет совместно с Фермилаб осуществляться программа физических исследований на этой установке.

Обсуждение работ по созданию системы электронного охлаждения не было единственной цель. Поездки. 12 и 13 февраля в Фермилаб состоялось малое рабочее совещание по проблеме компенсации эффекта встречи пучков в Тэватроне. В совещании, организованном Владимиром Шильцевым, возглавляющим работы в этой области в Фермилаб, приняли участие представители нескольких ведущих ускорительных центром мира - ИЯФ им. Будкера, ДЭЗИ, СЛАК,ЦЕРН и ОИЯИ.

Вкратце суть обсуждаемой проблемы сводится к следующему. При столкновении протонного и антипротонного сгустков последний испытывает фокусирующее действие пространственного заряда протонов. Частоты поперечных колебаний антипротонов в фокусирующей системе накопителя смещаются в сторону резонансных значений, и этот эффект ограничивает максимальную величину тока накопленных частиц и, как следствие, светимость Тэватрона. Казалось бы, эту проблему легко решить, дополнив фокусирующую систему Тэватрона еще одной дефокусирующей линзой, компенсирующей действие протонного сгустка. Однако ситуация осложняется тем, что заряд протонных сгустков неодинаков (это вызвано особенностями системы инжекции протонного пучка), и фокусное расстояние такой линзы должно изменяться с частотой, соответствующей периоду следования сгустков в протонном пучке.

Решить эту проблему можно, нейтрализовав собственный заряд протонного и антипротонного пучков в точках встречи. Подобная система, в которой для нейтрализации используется электронный пучок, разрабатывается в ЦЕРН и была описана в докладе Х. Риеге. Возможность использовать для этой цели плазму высокой плотности проанализировал в своем выступлении Г. Ступаков (СЛАК). Основной недостаток этого метода заключается в том, что система нейтрализации пучков должна располагаться внутри детектора и может существенно повлиять на условия проведения физических экспериментов.

Другая возможность - использовать в качестве электростатической линзы пучок электронов, который совмещается с пучком антипротонов на прямолинейном участке накопителя. Ток пучка электронов должен быть промодулирован в соответствии с током пучка протонов. Использование такой электронной линзы для компенсации эффекта встречи пучков предлагалось учеными ОИЯИ для проектов SSC и LHC, ее основные характеристики и конструкция были представлены в докладах А. Зинченко. Именно такая схема принята за основу разрабатываемой в Фермилаб системы компенсации, названной “электронный компрессор”.

Конструктивно электронный компрессор очень похож на традиционную систему электронного охлаждения - электронный пучок формируется и транспортируется от электронной пушки к месту совмещения его с пучком антипротонов и далее к коллектору (где осуществляется рекуперация его энергии) в продольном магнитном поле, создаваемом системой соленоидов. Специфические требования к характеристикам такой системы были изложены в докладах В. Шильцева, В. Данилова, А. Серого, А. Бурова (Фермилаб, ИЯФ им. Будкера). О методах формирования и контроля параметров замагниченных пучков электронов рассказал в своем докладе И. Н. Мешков.

Небольшое по составу участников, совещание оказалось очень продуктивным и по объему рассмотренного фактического материала, и по количеству высказанных новых идей. Многие экспериментальные исследования свойств интенсивных пучков электронов с параметрами, необходимыми для устройств компенсации эффекта встречи, могут быть выполнены на стенде электронного охлаждения ЛЯП ОИЯИ. Договоренность о начале совместных работ в этой области была достигнута между И. Н. Мешковым и В. Шильцевым.

В заключение визита состоялась встреча и. о. главного инженера ОИЯИ И. Н. Мешкова и директора Фермилаб Джона Пиплса. В ходе беседы была высказана взаимная заинтересованность в сотрудничестве наших научных центров и намечены конкретные шаги по его развитию.