Нуклотрон: есть медленный вывод!

29 декабря 1999 года успешно завершен сеанс работы сверхпроводящего ускорителя релятивистских ядер нуклотрона.

Завершено испытание 1-ой очереди системы медленного вывода пучка, с использованием экономичной сверхпроводящей технологии.

Впервые в мире осуществлен вывод пучка ускоренных частиц с помощью сверхпроводящих магнитных элементов в экспериментальный павильон на физические установки.

В сеансе работы нуклотрона, состоявшемся в период с 17 по 29 декабря, были проведены рабочие испытания системы медленного вывода (МВ) пучка и впервые в мире на сверхпроводящем синхротроне получен внешний пучок частиц для проведения экспериментов.

Завершение создания I-й очереди системы МВ нуклотрона являлось первоприоритетной задачей коллектива Лаборатории в 1999 году. В течение января-июля были выполнены работы по завершению изготовления и стендовым испытаниям всех элементов МВ нуклотрона, изготовлению источников питания с системами управления и контроля, а также подготовка участка сверхпроводящего кольца ускорителя длиной около 12 м к переоборудованию и монтаж первоочередных элементов магнитной оптики начального участка канала транспортировки пучка от нуклотрона в экспериментальный зал (“измерительный павильон”), где проводилась подготовка физической аппаратуры и детекторов для первых экспериментов на выведенном пучке. Комплекс работ по сборке и вакуумным испытаниям участка МВ был завершен к началу октября, а полномасштабные криогенные испытания выполнены в период с 13 по 17 октября.

Необходимо отметить, что хотя по своей сути система резонансного вывода пучка из нуклотрона основана на традиционном подходе, используемом на синхротронах, однако, она уникальна по технологии (технология “типа нуклотрон”) и вследствие этого обладает целым рядом рекордных технических параметров. В частности, все магнитные элементы системы МВ: 4 квадрупольные линзы, 2 пары секступольных линз резонансной системы и двухсекционный магнит Ламбертсона (МЛ), осуществляющий непосредственно вывод частиц из ускорителя, - способны работать с частотой повторения циклов до 1 Гц. Кроме того, магнит Ламбертсона обладает не только минимальным весом и размерами поперечного сечения при заданном рабочем зазоре, но и минимальным уровнем рассеянного магнитного поля в области циркулирующего пучка (менее 0,01 Т при поле в рабочем зазоре около 2 Т). Угол отклонения частиц в МЛ может быть скорректирован в пределах 10-12 процентов за счет подключения внешнего токодобавочного источника. Конструктивно блок МЛ, имеющий общий вес более 3 тонн и длину 3 м, выполнен так, что обеспечена возможность его перемещения в горизонтальной плоскости на ±20 мм с точностью ±0,1 мм даже в рабочих условиях сверхпроводящего ускорителя, то есть при температуре магнита минус 268,5⁰С, охлаждаемого жидким гелием в вакуумном объеме криостата и еще при наличии промежуточного теплового экрана, охлаждаемого жидким азотом.

Уникальным по техническому исполнению является также блок электростатического септума (ЭСС), обеспечивающий повышение эффективности вывода частиц за счет дополнительного их отклонения в горизонтальной плоскости. В этом блоке сочетаются высокое напряжение (до 200 кВ), высокий и чистый вакуум, криогенные температуры, необходимая точность юстировки. Блок ЭСС может перемещаться аналогично блоку МЛ с целью выбора оптимального положения относительно геометрической оси камеры ускорителя.

В процессе рабочих испытаний системы МВ в сеансе предстояло экспериментально прояснить, во-первых, качество режима циркуляции инжектируемого в нуклотроне пучка при наличии МЛ и ЭСС, урезавших в месте их расположения рабочую апертуру камеры ускорителя на 30 процентов, во-вторых, каковы будут потери пучка в режиме ускорения и, наконец, насколько хорошо выбраны параметры МЛ, т.е. соответствует ли угол отклонения частиц, попадающих в его рабочий зазор, расчетному. Но, конечно же, главной задачей сеанса являлось получение выведенного из нуклотрона пучка.

Ответ на первый вопрос был получен практически сразу же после начала работы с пучком - режим циркуляции инжектируемого пучка устройства вывода не ухудшали. Думаю, что читатели еженедельника “Дубна”, увидев в номере от 24 декабря информацию о ходе сеанса нуклотрона, это отметили. Однако, думаю, лишь немногие специалисты обратили внимание на слова “...проводится наладка... режима ускорения пучка”. Обычно этот процесс занимает полчаса-час, но в данном сеансе... При настройке режима ускорения обнаружилось, что в ускорителе происходит относительно медленное, но фатальное выбывание частиц из пучка, приводящее к существенной потере его интенсивности уже за времена порядка 20-30 миллисекунд. В связи с тем, что оперативно устранить этот эффект не удалось, эксперимент по выводу пучка был проведен на протонах с энергией 0,2 ГэВ при особо тщательной настройке всех систем ускорителя, а в качестве регистрирующих приборов были использованы детекторы, позволяющие обеспечить требуемую чувствительность. Один из блоков детекторов был установлен на трассе начального участка канала вывода непосредственно за выводным окном из вакуумного кожуха криостата, а второй регистрировал характеристики пучка, выведенного в экспериментальный зал.

После включения системы возбуждения резонансной раскачки пучка и оптимизации ее параметров в канале вывода был устойчиво зарегистрирован пучок с интенсивностью (5-8)10³ протонов за цикл. При этом эффективность вывода составила около 10 процентов. Выведенный пучок был зарегистрирован также системой детекторов в экспериментальном павильоне, расположенной в плоскости существующих каналов пучков синхрофазотрона. Транспортировка пучка от нуклотрона проводилась включением магнитных элементов канала.

Таким образом, главная задача сеанса, несмотря на возникшие трудности, была решена.

В завершение этого короткого комментария считаю своим долгом выразить большую благодарность коллективу, насчитывающему более 350 человек из всех отделов ЛВЭ, за самоотверженную работу на всех этапах - от поиска необходимых решений до их реализации в устройствах, оборудовании, элементах, в обеспечении проведения стендовых испытаний и сеансов на ускорителе. Мы благодарны многим подразделениям Института, особенно Азотному цеху ОГЭ, за их вклад в обеспечение сеансов работы нуклотрона.

Завершение работ I-й очереди системы МВ нуклотрона было бы невозможно без помощи дирекции Института, которая в 1999 г. выполнила все свои обязательства по финансовой поддержке в рамках выделенного гранта, регулярно обсуждала ход работ на своих заседаниях. Дирекция ЛВЭ еженедельно анализировала итоги выполнения плана-графика, а оперативные совещания с ответственными за отдельные участки и системы в период максимальной концентрации работ проводились практически ежедневно.

Естественно, сделан только первый шаг. 10 января, в первый рабочий день 2000 года, рабочие итоги 16-го сеанса нуклотрона и задачи на ближайший период обсуждены в коллективе специалистов, в дирекции Лаборатории и Института. Намечен срок следующего сеанса - это март.