Крион для НИКИ – в Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ испытан прототип источника ионов для мега-проекта NICA


https://www.youtube.com/jinrtv

Крион – так называется уникальный инструмент —  источник высокозарядных ионов, который будет использоваться  в Лаборатории физики высоких энергий Объединенного института ядерных исследований в проекте NICA. Криогенный ионизатор необходим для генерации ионов золота, которые направляются в ускоряющие структуры Нуклотрона.

Прототип источника ионов Крион 6Т испытывали во время сеанса на нуклотроне, и сейчас этот источник вернулся, что называется, на свою базу — в научно-экспериментальный отдел инжекции и кольца нуклотрона, в сектор №3 источника высокозарядных ионов —  в разобранном виде, где его снова собирают.

На 49-й сессии Программно-консультативного комитета по физике частиц в докладе о ходе работ по реализации проекта «Нуклотрон-NICA» не могли обойти вниманием такой важный элемент, как Крион.

Анатолий Сидорин, заместитель начальника ускорительного отделения Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ: «Мы в тестовом варианте провели сеанс с прототипом источника, который был создан, чтобы отработать конструкцию для уже боевого источника для проекта NICA. Этот тестовый источник используется уже во  втором  сеансе. В первом он использовался для ускорения ионов аргона. В этом сеансе – для ускорения ионов углерода, аргона и криптона. Он показал  надежность и воспроизводимость  результатов, удобство в управлении. Я думаю, что следующий его клон  будет уже хорош в работате на комплексе NICA».

Следующего клона – конструкцию нового источника, который будет называться Крион Н1- первый вариант для NICA — разрабатывает Александр Рамздорф, научный сотрудник Лаборатории физики высоких энергий.

Александр Рамздорф, научный сотрудник отделения ускорительных установок НЭО инжекции и кольца нуклотрона: «В рамках проекта NICA у меня задача – участвовать в сборке, обслуживании источников типа Крион, а также разработка нового источника для проекта NICA. Этот источник будет называться Крион Н1. Главное его отличие от Криона 6Т в том, что он будет более приспособлен к непрерывной работе на коллайдере NICA. Во-первых, он будет требовать гораздо меньшего  технического обслуживания, потому что  теплопритоки к гелиевой части будут уменьшены, и за счет этого подливать  криожидкости придется не раз в сутки, а раз в двое-трое суток. Для постоянно работающей машины очень важно иметь как можно меньше  перерывов  и произвести  как можно больше физических результатов. Это достаточно сложная задача, потому что она включает в себя  много разных расчетов из разных областей — здесь и высокий вакуум, и сильное магнитное поле. Нужно моделировать на компьютере процессы, которые будут происходить в ионом источнике. Это и тепловые расчеты, и прочностные — в общем, достаточно сложная задача, но она очень интересная.  Крион Н1 будет установлен на ускорителе HILAC».

Пучок ионов из установки Крион Н1 будет инжектироваться в HILAC — линейный ускоритель тяжелых ионов — один из главных инжекторов для будущего коллайдерного комплекса NICA. (HILAC был запущен в Лаборатории физики высоких энергий в 2016 году).

Хотя научные сотрудники научно-экспериментального отдела инжекции и кольца нуклотрона надеются задействовать на NICA новый источник — Крион Н1, может оказаться, что Криону 6Т придется быть первым на NICA, ведь ионы потребуются в конце следующего года. Будет ли к этому времени готов новый источник – еще вопрос. А электронно-струнный ионизатор Крион-6Т – готов выполнить свою задачу.

Евгений Донец, главный научный сотрудник  отделения ускорительных установок НЭО инжекции и кольца нуклотрона: «Электронно-струнный ионизатор Крион 6Т. 6Т — это значит, он с соленоидом на 6 Тесла. Он выполняет серьезную функцию. Для того, чтобы ускорять тяжелые ионы на нашем ускорительном комплексе, их электронную оболочку нужно в значительной мере удалить. Полностью мы пока не можем  удалять с тяжелых ионов, но в значительной мере мы можем удалять. Этот процесс довольно сложный. Он связан с тем, что  нужно ввести атомы в электронный пучок, а в нашем случае – это электронная струна – и, удерживая там довольно долго (сотню миллисекунд), удержать в объеме электронной струны одни и  те же атомы – это довольно сложная задача.  Для этого нужно, чтобы в объеме, где это все происходит, был сверхвысокий вакуум, в принципе порядка 10 в минус 12-й степени Тorr.  После удержания  ионы из этой ловушки выводятся  и впрыскиваются  в наш ускорительный комплекс. Если зарядность достаточна – то есть достаточное число электронов удалено, тогда они могут  восприняться дальнейшей ускорительной системой — там линейный ускоритель и т.д.».

Электронная струна – это обнаруженное в ЛВЭ ОИЯИ стационарное состояние высокотемпературной однокомпонентной электронной плазмы, удерживаемой сильным магнитным и слабым электрическим полями. Состояние электронной струны квазистабильное и спокойное в достаточно широких пределах параметров, так что она может использоваться для удержания положительных ионов и доведения их до высоких зарядовых состояний за счет обдирки орбитальных электронов электронами струны. Электронно-струнный ионный источник был разработан в этой Лаборатории  и применен на нуклотроне.

Евгений Донец, главный научный сотрудник  отделения ускорительных установок НЭО инжекции и кольца нуклотрона: «Электронно-лучевой  ионный источник был впервые создан здесь, в этой Лаборатории – криогенный вариант. Он представлял собой вот что: была электронная пушка, которая обеспечивала электронный пучок с током порядка 1А, и этот пучок имел  однопролетный режим, то есть электроны уходили с катода и дальше на коллекторе собирались. Этот режим энергозатратный и требует решения  многих задач, связанных с тем, что пучок очень плотный. Когда мы его высаживаем на коллектор, коллектор начинает плавиться, и там возникают проблемы. Во-вторых, мощность установки оказывается – киловатты.  А когда мы исследовали этот режим, то мы обнаружили, что если мы не собираем электроны на коллектор, а отражаем, то они отражаются снова на катод, а оттуда снова отражаются — многократно пролетают это пространство. Таким образом, мощность, которая требуется, уменьшается в 100-250 раз, и тогда они не требуют никакого охлаждения, буквально работает как в лаборатории простой».

Александр Рамздорф, научный сотрудник отделения ускорительных установок НЭО инжекции и кольца нуклотрона: «Это криогенная машина. Здесь используется жидкий гелий и жидкий азот. Жидкий азот — как тепловой экран для уменьшения теплопритока к криостату с жидким гелием. Жидкий гелий используется, во-первых, для охлаждения сверхпроводящего соленоида с очень высоким магнитным полем порядка 5 Тл (Тесла) до температуры 4,2 К (Кельвина), то есть зоны, когда сверхпроводник имеет сверхпроводимость».

Пока Крион 6Т перемещался в другое здание, на ускоритель, у специалистов возникли идеи, как еще улучшить его работу. Идея эта заключается  в формирования трубчатой электронной струны. В случае успеха для трубчатого электронно-струнного ионного источника увеличение эффективности ионизации и выхода высокозарядных ионов может составить 100-1000 раз по сравнению с ионным источником, основанным на линейной электронной струне.

Алексей Бойцов, научный сотрудник отделения ускорительных установок НЭО инжекции и кольца нуклотрона: «Физикам-пользователям  хочется больше ионов, поэтому больше интенсивности требуется. И мы в нашей группе работаем над модификацией, над улучшением параметров источников. Мы хотим отказаться, например, от жидкого  гелия и жидкого азота, как один из вариантов, потому что это  и энергозатратно, и человеческий ресурс требуется.  Поэтому перешли на вариант с кулерным охлаждением, его экспериментируем.  Источник, что находится здесь, будет работать на кулерном охлаждении. Также важное направление – это увеличение интенсивности. Наш источник тоже будет  струнным. Выход ионов  зависит от объема этой струны. Мы хотим этот объем увеличить, превратив эту струну в цилиндр, в трубку, тогда объем электронов увеличится раз в 100, и, соответственно, выход  ионов тоже увеличится. Решаем ряд инженерных задач, расчетных.  Даже вывод из такого источника – нетривиальная задача, потому  что ионы находятся на периферии, и они будут разлетаться при выводе их  из соленоида. И нам нужно будет их   сгруппировать вдоль как бы одной магнитной линии. Много разных интересных задач. Мы работаем, что-то получается, иногда возникают трудности, но мы их преодолеваем. Пока мы будем получать пучки здесь, работать здесь. Но если мы достигнем хорошей интенсивности и нам удастся осуществить достаточно быстрый вывод, который будет требоваться, допустим, для  того же ускорителя, то возможно, его будем пробовать установить и на комплексе NICA» .

Разные варианты ионного источника предлагаются для NICA. Выбор есть.  В Лаборатории жив еще Крион, который называют прародителем нынешнего поколения Крионов. Он особенно дорог специалистам, с него по сути все и началось.

Евгений Донец, главный научный сотрудник отделения ускорительных установок НЭО инжекции и кольца нуклотрона: «Крион2 – это один из первых источников, из криогенных, которые мы здесь создали. Его предназначение было – выйти на ускоритель. Мы вышли с ним  на ускоритель, отработали несколько сеансов. Все было хорошо. Потом нам захотелось увеличить интенсивность, и мы начали исследовать процесс образования ионов – как электроны себя ведут. И к своему удивлению обнаружили, что если мы начинаем запирать электроны с обеих сторон, то это электронное комьюнити  (объединение) живет интересной жизнью. Сначала когда мы инжектируем больше и больше электронов, оно взрывается и выбрасывает эти лишние электроны. Когда мы еще инжектируем, оно еще быстрее  взрывается. И, в конце концов, когда мы еще какое-то количество инжектируем, она вдруг затихает. Количество электронов нарастает и становится полностью спокойная электронная система — горячая электронная плазма чистая, в которую можно ввести ионы, они будут там жить, ионизоваться. После этого мы, к сожалению,  были вынуждены  ехать на сеансы. И вот это самое интересное явление мы как следует не исследовали. Оно ждет своего часа.  Эта установка мне дорога, именно здесь это было обнаружено. Это был конец 1994 года, когда вокруг была разруха, а мы обнаружили это явление.

Источник высокозарядных ионов «Крион» представляет собой уникальный инструмент, с помощью которого в области атомной физики, физики заряженной плазмы и ускорительной техники получены и получаются результаты выше мирового уровня.  Стендовый Крион-6Т после сборки заработает еще лучше, чем работал. Электронно-струнный ионизатор – это источник высокозарядных ионов.

Алексей Бойцов, научный сотрудник отделения ускорительных установок НЭО инжекции и кольца нуклотрона: «Ионы в струнном источнике — разных металлов – то же золото, которое можно испарять, а также  инертные газы, которые можно инжектировать – криптон, аргон, ксенон — что пользователь захочет, то мы будем стараться получить».

Эксперименты на NICA будут проводить с тяжелыми ионами золота, поскольку ядра этого металла удобнее ускорять. Основная физическая программа в проекте нуклотрон — NICA связана именно с экспериментами на ядрах золота.

Научно-информационный отдел ОИЯИ, 2018
Редактор портала: Инна ОРЛОВА
Видео: Евгений ГОРЯЧКИН

http://www.jinr.ru

http://www1.jinr.ru/News/Jinrnews_rus.html