Создан прототип принципиально нового релятивистского кулера для охлаждения ускоренных пучков тяжелых частиц
- 12.07.2018
Ученые Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разработали прототип системы электронного охлаждения (кулер) для создаваемой в ускорительном центре FAIR в Германии установки HESR, на которой будет изучаться структура экзотических ядер. Кулер необходим для эффективного накопления частиц, так как помогает сформировать очень плотный пучок ионов. Чем плотнее он будет, тем больше событий произойдет в результате столкновения пучка с мишенью. Кулер, прототип которого изготовили в ИЯФ СО РАН, будет рекордным – энергия ускоренных в нем электронов составит 10 МэВ. Стоимость прототипа оценивается примерно в 350 тысяч евро.
Секция прототипа системы электронного охлаждения. Фото Александр Маруков
HESR (High energy storage ring) – одна из установок ускорительного центра FAIR при институте JSI. Экспериментальная программа HESR включает эксперименты по столкновению пучков антипротонов высокой энергии с мишенью. При этом антипротоны аннигилируют прямо внутри ядра, что дает новый взгляд на его структуру. Целью является изучение экзотических ядер. Неохлажденный пучок ионов занимает все поперечное пространство камеры ускорителя, и добавить в него новые частицы невозможно. Если же ионы охладить, они сожмутся в тонкий шнур, освобождая место для еще одной порции. За счет этого в бустере можно накапливать в десятки раз больше частиц. Электронные системы охлаждения (или кулеры), изобретенные в ИЯФ СО РАН, открыли настолько широкие перспективы, что в настоящее время ионные накопители без них практически не используются.
«Немецкие коллеги решили снабдить свою установку высоковольтным кулером с энергией 10 МэВ. Предыдущий по мощности кулер работал при энергии 4 МэВ на коллайдере Тэватрон в Америке. Если кулер для HESR будет построен – это будет абсолютный рекорд среди установок такого класса. Пока мы сделали только прототип – одну секцию на 600 киловольт. Для системы охлаждения на 10 МэВ потребуется 15 таких секций, которые будут установлены друг на друга. На старых принципах такую установку сделать невозможно, электрические пробои будут слишком сильные», – прокомментировал академик РАН, ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН Василий Пархомчук.
При строительстве этого прототипа был реализован принципиально новый подход. Он основан на генерации электроэнергии с помощью турбогенератора. При такой схеме в систему подается сжатый воздух, который является изолятором. При помощи потока воздуха можно передавать энергию по пластиковой трубе, не опасаясь пробоя. В секциях кулера энергия сжатого воздуха будет преобразовываться в электрическую при помощи турбины. Между ними нет электрической связи, только эта «воздушная» труба, а управление будет осуществляется бесконтактно радиоволнами, поэтому секции можно ставить друг на друга.
«Прототип кулера для HESR – это начало перехода на релятивистские кулеры. Электроны начинают двигаться со скоростью, близкой к скорости света, и позволяют контролировать качество высокоэнергетичных пучков ионов. Турбогенератор создает энергию для всех изолированных секций из сжатого воздуха», – пояснил Василий Пархомчук. Далее в Германии секцию установят в огромную бочку, наполненную специальным газом, который используется для увеличения электрической прочности установок. Одна секция рассчитана на 600 киловольт. В конечном варианте должно быть 15 таких секций. Высота кулера будет составлять около 12 метров, а его диаметр – 4 метра.
Предположительно, установка HESR заработает через 10-15 лет. Помимо системы охлаждения, ИЯФ СО РАН разрабатывает и изготавливает для FAIR специальные фокусирующие магниты и высокочастотные системы.