NEW TRENDS IN PARTICLE ACCELERATION Тенденции в

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 Тэ. В. 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 Мэ. В. Такие ускорители называют высоковольтными, они позволяют достигнуть энергию 10 Мэ. В, 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 кэ. В. 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 Мэ. В) 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 70 6 Гэ. В.

протонный синхротрон У-70 7

Перспективы развития У-70 • В 80 годы прошлого столетия был разработан проект УНК протонного коллайдера с энергией 3+3 Тэ. В. 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, 3 Ge. V) and a 50 Ge. V (Max) synchrotron. http: //j-parc. jp/Acc/en/gaiyo. E. html 10

Сравнительный анализ мощности протонных пучков 11

В декабре 2008 г. в кольце J-PARC ускорен протонный пучок до энергии 30 Гэ. В. В апреле 2009 года в ходе эксперимента T 2 K (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 Тэ. В 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 Гэ. В. 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 Гэ. В/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 2 T E_max=150 Ge. V E_inj=8 Ge. V Min cycle time 1. 4 s Ускоряет протоны и антипротоны до 150 Ge. V для инжекции в Tevatron • Ускоряет протоны до 120 Ge. V 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 Тэ. В-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 Гэ. В. 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 Тэ. В 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 к. Вт 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 1993 г. 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 Апертура мм Макс. поле, B 0, Тл Поле инжекции Tл d. B/dt Тл/с Макс. ток, к. A 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 SIS 300 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 – 1. 6 4. 4 – 11 – 4. 4 31

СП-диполь SIS 100 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 SIS 300 d. B/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 SIS 300 Operating current ( B 0=4. 5 T) 8926 A Peak field on conductor 4. 901 T Bpeak/B 0 Since 2005 the INFN groups working in applied superconductivity expressed a strong interest in developing the fast cycled superconducting dipole for SIS 300. 1. 087 Current sharing temperature 5. 69 K Working point on load line 79. 8% Inductance per unit length 2. 95 m. H/m 35

Вариант конструкции 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 1. 2. 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 • • Зависимость динамических потерь от скорости изменения тока в треугольных циклах 1. 6 к. А – Imax для модели дипольного магнита SIS 300. 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