Актуальные проблемы методики и техники физического эксперимента в релятивистской ядерной физике и сверхпроводящие синхротроны нового поколения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

, да

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2-96-422

На правах рукописи УДК 539.1.03 + 539.1.07

КОВАЛЕНКО Александр Дмитриевич

АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ МЕТОДИКИ И ТЕХНИКИ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА В РЕЛЯТИВИСТСКОЙ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКЕ И СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ СИНХРОТРОНЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

'Специальность: 01.04.01 — техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в форме научного доклада

Дубна 1996

Работа выполнена в Лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных исследований.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

доктор физико-математических наук, профессор

доктор физико-математических наук, профессор

Адамович Марат Иванович

Дмитриевский Виталий Петрович

Глаголев

Виктор Викторович

Ведущее научно-исследовательское учреждение: Институт физики высоких энергий, г. Протвино

Защита диссертации состоится ". - X// _ 199^ года

часов на заседании диссертационного совета Д-047.01.02 в Лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных исследований, г.Дубна, Московской области, конференц-зал ЛВЭ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЛВЭ ОИЯИ.

Диссертация разослана ".

49 - X/ 1996 г.-

Ученый секретарь диссертационного совета -доктор физ.-мат. наук, профессор М.Ф Лихачев

СОДЕРЖАНИЕ

I. ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................3

II. СОЗДАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НОВЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ДЛЯ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА НА УСКОРИТЕЛЬНОМ КОМПЛЕКСЕ ЛВЭ ОИЯИ.............................................................................6

II. 1. Проблематика исследований и основные задачи развития

экспериментальной базы........................................................................6

II.2. Нуклотрон - новый инструмент для исследований релятивистских

ядерных взаимодействий......................................................................10

11.2.1. Вводные замечания...........................................................:.........10

11.2.2. Концепция Нуклотрона..............................................................11

11.2.3. Основные особенности Нуклотрона..........................................15

11.2.4. Первые пучки и физические эксперименты на внутренней мишени..................................................................................................20

11.2.5. Интенсивности пучков в Нуклотроне........................................25

И.2.6. Внешние пучки на Нуклотроне..................................................28

II.3. Новые пучки на ускорительном комплексе ЛВЭ ОИЯИ и их использование......................................................................................29

11.3.1. Новые пучки тяжелых ионов.....................................................29

11.3.2. Новый канал поляризованных нейтронов и его использование.......................................................................................31

11.3.3. Генерация пучков нейтронов.....................................................32

III. РАЗВИТИЕ МЕТОДИКИ И ТЕХНИКИ РЕГИСТРАЦИИ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РЕЛЯТИВИСТСКИХ АДРОНОВ И ЯДЕР В 4 л - ГЕОМЕТРИИ..................................................34

111.1. Актуальные проблемы развития метода ядерных фотоэмульсий.........34

111.2. Установка "СЛОН" - новый аппаратурный комплекс для

исследования взаимодействия релятивистских ядер............................37

111.3. Пластиковые трековые детекторы в исследовании фрагментации

релятивистских ядер на пучках ядер синхрофазотрона.......................41

IV. АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ СИНХРОТРОНОВ/КОЛЛАЙДЕРОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ КАК ПЕРСПЕКТИВНОЙ БАЗЫ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ПРИ СВЕРХВЫСОКИХ

ЭНЕРГИЯХ АДРОНОВ И ЯДЕР..................................................................44

IV. 1. Вводные замечания.................................................................................44

1У.2.Супернуклотрон и встречные электрон-ядерные столкновения.............46

IV.3. Проблемы создания адронных коллайдеров на энергию

масштаба ЮОТэВ...............................'...................................................47

1У.3.1. Энергия и светимость пучков...................................................47

^.3.2. Концепция магнита..................................................................49

ГУ.З.З. Криогенно-магнитная система типа Нуклотрон для

коллайдера на энергию 2x100 ТэВ.......................................................52

ГУ.4. Выводы.........................................................................................57

V. ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................58

I. ВВЕДЕНИЕ

Современный этап познания материального мира характерен несомненными и выдающимися достижениями физики элементарных частиц и атомного ядра, накоплением большого количества экспериментальных данных о характеристиках процессов взаимодействия частиц и ядер в области энергий до 1,8 ■ 1012 эВ, наличием уникальных ускорительных комплексов, детектирующей аппаратуры и систем обработки огромных объемов информации, а также значительным числом национальных и интернациональных научных и прикладных программ исследований, разработки и создания новых устройств для генерации пучков, требующих новых подходов и технологий в различных областях науки и техники.

Исследования в области релятивистской ядерной физики, начатые в ЛВЭ ОИЯИ более 25 лет назад А.М.Балдиным и возглавляемым им коллективом, привели к наблюдению новых физических явлений и закономерностей, формулировке и экспериментальной проверке новых принципов и критериев, характеризующих высоковозбужденную ядерную «атерию. Принципиальным результатом явилось установление в экспериментах на синхрофазотроне границы области предельной фрагментации ядер Е « 3,5 ГэВ/нуклон, определяющей начало 1симптотического режима и возможность исследования кварк-глюонных .тепеней свободы в ядрах. Постановка экспериментов в новой области 1сследований стимулировала преобразование синхрофазотрона в 'скоритель релятивистских ядер и поляризованных дейтронов с развитой истемой внешних пучков и возможностями их широкого использования для >ешения как фундаментальных, так и прикладных задач. В рамках рограммы по релятивистской ядерной физике было предложено и еализовано новое направление использования явления сверхпроводимости в скорительной технике, приведшее к созданию Нуклотрона - первого верхпроводящего синхротрона, основанного на использовании иниатюрных экономичных сверхпроводящих магнитов.

На протяжении 15 лет, с 1970 года, синхрофазотрон был единственным в мире ускорителем, обеспечивающим постановку экспериментов на пучках релятивистских ядер с энергией выше 3,5 ГэВ/нуклон.

С 1986 года исследование релятивистских ядерных столкновений заняло значительное место в научных программах ряда ведущих научных центров мира, особенно в ЦЕРН и БНЛ (США). Наряду с обширной программой текущих экспериментов, выполняемых крупными международными сотрудничествами ученых из многих стран, включая Россию, на SPS ЦЕРНа и AGS БНЛ, в этих центрах предусматривается дальнейшее развитие базовых установок. Так, в БНЛ ведется сооружение коллайдера релятивистских ядер RHIC на энергию 2x100 ГэВ/н, а в ЦЕРНе исследования в области релятивистской ядерной физики будут продолжаться на крупнейшем ускорительном комплексе мира - коллайдере LHC. Исследование кварк-глюонной структуры ядер в релятивистских электрон-ядерных взаимодействиях составляет основу научной программы ускорительного комплекса CEBAF (США).

Использование пучков релятивистских ядер в прикладных целях также приобрело важное значение. Особенно следует отметить изучение физических аспектов электроядерного метода получения энергии и трансмутации радиоактивных отходов. Сохраняют актуальность и проблемь: радиационного воздействия релятивистских тяжелых ионов в связи с развитием программ длительных космических полетов.

Таким образом, релятивистская ядерная физика приобрела мирово< признание и очень высокую значимость. На изучении релятивистски) ядерных столкновений концентрируются усилия крупных международны; сотрудничеств ученых и специалистов в различных областях. Постанови задач связаны с фундаментальными проблемами космологии, астрофизики физики высоких энергий, ядерной физики, а также с прикладны» использованием пучков заряженных частиц. Актуальными задачам] методики и техники эксперимента в рамках перечисленных выше пробле! являются получение пучков в диапазоне энергий от сотен МэВ до десятко ТэВ, развитие техники детекторов частиц, особенно с регистрацией в полно]

телесном угле (4л- геометрия), поиск новых концепций постановок экспериментов и реализация эффективных путей получения новых значимых экспериментальных данных. Решение этих задач и явилось основной целью научной деятельности автора в течение тридцати лет.

В докладе кратко изложены основные результаты, полученные автором и совместно с коллегами в период 1976-96 гг., явившиеся новым шагом в методике и технике физического эксперимента в релятивистской ядерной физике. При этом получены новые физические результаты, введен в действие первый сверхпроводящий ускоритель нового поколения -Нуклотрон, развиты экспериментальная база и пучки ускорительного комплекса ЛВЭ ОИЯИ, являющегося, центром коллективного пользования для исследователей из научных организаций более чем 30 стран, показаны перспективность и принципиальная возможность создания на основе сверхпроводящих магнитных систем типа Нуклотрона адронных коллайдеров на энергию до 100 ТэВ.

- Основные результаты развития ускорительного комплекса ЛВЭ и использования новых его возможностей описаны во второй главе диссертации. Большая часть главы посвящена вопросам создания и первым экспериментальным результатам работы Нуклотрона. Создание Нуклотрона решает проблему получения ускоренных пучков ядер вплоть до самых тяжелых и обеспечивает возможность постановки экспериментов в области энергий от 5 МэВ/нуклон до 6 ГэВ/нуклон.

Развитие методики и техники эксперимента на ускорительной базе ЛВЭ было достигнуто также в результате получения новых пучков тяжелых ионов, поляризованных и неполяризованных нейтронов, а также создания и применения новых физических приборов таких как замороженная протонная поляризованная мишень, установка с сильным магнитным полем - СЛОН и другие. Эти результаты обсуждаются в последнем разделе второй главы и в третьей главе. Надо отметить, что предоставление пучков пользователям ускорительного комплекса не прерывалось и в период ввода в действие Нуклотрона.

Развитие концепции Нуклотрона с целью создания наиболее экономичных ускорительно-накопительных комплексов вплоть до энергий 100 ТэВ рассмотрено в четвертой главе. В отличие от широко обсуждаемых в настоящее время предложений создания е+е- -, - коллайдеров, а также адронных коллайдеров, основанных на СП-магнитах с сильными полями (8-И2 Т), криомагнитная система типа Нуклотрона наиболее проста, экономична, надежна и в большей степени и отвечает задачам развития техники и технологий, в которых заинтересовано общество в целом. Практика показала, что ориентация на миниатюрные сверхпроводящие магниты с полем 2-2,5 Т обеспечила реализуемость проекта нового ускорителя и развитие базы ЛВЭ для физического эксперимента даже в условиях экономического кризиса в странах-участницах ОИЯИ.

Таким образом, есть основания оптимистически оценивать возможности решения проблемы создания адронных и ядерных коллайдеров типа Нуклотрона на энергию в десятки ТэВ как перспективной техники физического эксперимента 21 века.

II. СОЗДАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НОВЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ДЛЯ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА НА УСКОРИТЕЛЬНОМ КОМПЛЕКСЕ ЛВЭ ОИЯИ

11.1. Проблематика исследований и основные задачи развития экспериментальной базы

По определению релятивистская ядерная физика исследует процессы, в которых частицы, составляющие ядерную материю, движутся с относительными скоростями, близкими к скорости света. Построение теории атомного ядра и ядерных взаимодействий в релятивистской области базируется на фундаментальных проблемах квантовой теории поля. Становление и развитие релятивистской ядерной физики было связано, главным образом, с новейшей революцией в микрофизике - представлениями о цветных кварках, успехами квантовой хромодинамики (КХД),

таких как автомодельность, масштабная инвариантность, предельная фрагментация и др., а также с получением пучков релятивистских ядер на ускорителях.

В 1970 году на синхрофазотроне ЛВЭ впервые было осуществлено ускорение дейтронов до энергии 8,9 ГэВ и затем в 1971 году экспериментально доказано существование кумулятивного ядерного эффекта и масштабной инвариантности в релятивистских ядерных столкновениях. (А.М.Балдин. Кр.сообщения ФИАН, Москва, 1971 ,с.35 A.M.Baldin et al. Proc.Rochester Meeting APS /DPF, 1971, p.131). Начало в ЛВЭ экспериментов в новой области исследований - релятивистской ядерной физике -стимулировало разработку большого числа предложений постановок экспериментов с использованием широкого спектра пучков и различных методик регистрации. В целом предложения сводились к:

- изучению цветных степеней свободы в ядрах и актуальных проблем КХД больших расстояний;

- исследованию свойств высоковозбужденной ядерной материи;

- использованию пучков многозарядных ионов высоких энергий в прикладных исследованиях.

Основные задачи развития экспериментальной базы ЛВЭ состояли в следующем:

- развитие синхрофазотрона как ускорителя релятивистских и поляризованных ядер, включая создание новых типов источников высокозарядных ионов и поляризованных ядер, повышение интенсивности пучков, обеспечение более широкого и эффективного использования ускорителя потребителями (внешние пучки, разветвленная сеть каналов, новые экспериментальные площади),

разработка и создание специализированного ускорителя релятивистских ядер Нуклотрона;

- развитие методик регистрации множественного рождения частиц в условиях 4л-геометрии с детальным изучением образования вторичных адронов, нуклонов (протонов и нейтронов), анти-частиц, ядерных фрагментов, у-квантов.

Обнаружением кумулятивных пионов было положено начало изучению цветных степеней свободы в релятивистских ядерных столкновениях. Дальнейшее исследование процессов кумулятивного рождения частиц потребовало повышения интенсивности пучков протонов и дейтронов на синхрофазотроне и привело к установлению одного из главных параметров проектируемого Нуклотрона - минимальной энергии пучков. В безразмерных релятивистски-инвариантных переменных Ь*, имеющих смысл относительных расстояний между частицами в пространстве 4-скоростей (А.М.Балдин. Доклады АН СССР, т.222, N 5, с. 1064)

= Щ2 = (щик) - 1], ■

т, тк т, тк

где, рк - 4-импульсы, т,, тк- массы частиц / и к в реакции I + II —> 1+..., эта

граница соответствует значению 1>1 ц > 5 или кинетической энергии,

например, налетающего ядра I в системе покоя ядра II, Ен ^ 3,5 ГэВ/нуклон.

Справедливость этого вывода, стратегически важного, была проверена в

сериях экспериментов с пучками р, <1, тс, у,у на мишенях с атомными весами от

дейтерия до урана, регистрацией кумулятивных я*,К1, р, р,сЦ, Не и в

диапазоне энергий от 1 до 400 ГэВ на ускорителях ЛВЭ ОИЯИ, ИТЭФ,

ИФВЭ, ЕрФИ, ЬВЬ (Беркли, США) и др.

Возможность изучать ненуклонные степени свободы в релятивистских ядерных столкновениях (асимптотическая область), а также переходную область от нуклонной материи к кварк-глюонной обеспечили конкурентоспособность выполняемых в Дубне экспериментов и привлечение большого числа пользователей.

Ускорительный комплекс ЛВЭ ОИЯИ схематически представлен на рис.1. Для постановки экспериментов в настоящее время имеются два действующих ускорителя - синхрофазотрон и нуклотрон, имеющие общий инжектор - линейный ускоритель ЛУ-20. Транспортировка пучков может оперативно осуществляться как в синхрофазотрон, так и в Нуклотрон по соответствующим каналам. Синхрофазотрон обеспечивает получение

зал, корп. 1Б

Рис.1. Схема ускорительного комплекса Синхрофазотрон-Нуклотрон. 1- инжектор ЛУ-20, 2- источники ядер, 3- станция внутренних мишеней Нуклотрона, 4- ожижители гелия, 5 - установка СЛОН, 6 - канал поляризованных нейтронов.

пучков протонов с максимальной энергией 9 ГэВ, ядер (включая З2316+) с импульсом до 4,5 ГэВ/с на нуклон, векторно и тензорно поляризованных дейтронов, а также вторичных пучков квазимонохроматических нейтронов и др. Физические установки и детектирующая аппаратура располагаются главным образом в двух экспериментальных павильонах (корп.205 и корп. 1 Б), в которые выводятся пучки синхрофазотрона по направлениям МВ-1 и МВ-2 и транспортируются к соответствующим мишенным станциям. Современное состояние ускорительного комплекса синхрофазотрон' - это результат многолетней работы большого коллектива. Основные этапы модернизации и развития синхрофазотрона отражены в большом числе оригинальных работ, докладов и обзоров (см.например, И.Н.Семенюшкин, ЭЧАЯ, т.27, с.571-592,1996).

В период 1992-95 гг. усилиями автора и его коллег был достигнут значительный прогресс в развитии пучков, методики и техники эксперимента на синхрофазотроне - впервые получены ядра серы, создан уникальный канал поляризованных квазимонохроматических нейтронов,

проведен первый эксперимент с использованием замороженной протонной поляризованной мишени. В это же время было завершено сооружение Нуклотрона, осуществлены ввод его в действие и получение первых физических результатов. Современный уровень базы ЛВЭ позволяет выполнять программу экспериментов, включающую:

- исследование процессов множественного рождения частиц и фрагментации в столкновениях релятивистских ядер, поиски возможных коллективных и квазистационарных состояний ядерной материи;

- многонуклонные взаимодействия, изучение подпороговых и кумулятивных процессов, образование антиматерии, подпороговое рождение частиц, включая тяжелые (например, 1Д|/) ;

- исследование спиновых эффектов в реакциях с поляризованными пучками дейтронов, протонов, нейтронов, а также с поляризованной протонной мишенью;

- поиски экзотических и мультикварковых систем, узких резонансов, гиперядерных и изоядерных систем, Н-дигиперонов и других систем со странностью;

- изучение корреляций между частицами.

Основываясь на результатах, уже полученных в перечисленных выше направлениях, можно уверенно прогнозировать растущую значимость изучения области начала асимптотического режима для решения центральных проблем физики сильных взаимодействий (КХД больших расстояний) и актуальность дальнейшего развития методики и техники эксперимента в этой области.

11.2. Нуклотрон - новый инструмент для исследований релятивистских

ядерных взаимодействий

Н.2.1. Вводные замечания

В марте 1993 г. состоялся первый сеанс работы Нуклотрона -сверхпроводящего синхротрона, основанного на новой концепции применения сверхпроводимости в ускорительной технике - сверхпроводящих

магнитах с полем, формируемым ферромагнитными сердечниками со сверхпроводящей обмоткой возбуждения. Замена в традиционном ускорительном электромагните обычной обмотки возбуждения на сверхпроводящую при ограничении амплитуды поля величиной 2-^2,5 Т обеспечили ускорителю новое качество - миниатюризацию поперечного сечения, экономичность, упрощение изготовления, сборки и эксплуатации. Благодаря выбору этой концепции современный синхротрон, рассчитанный на ускорение протонов и ядер до энергии 6 ГэВ/нуклон (при отношении заряда к массе ускоряемой частицы ЯА=1/2), был построен в период 1987-92 гг. и смонтирован в технологическом тоннеле с поперечными размерами ~2,5хЗ м2 , окружающем фундамент синхрофазотрона. Нуклотрон введен в действие и работает на физический эксперимент.

К настоящему времени проведено десять сеансов работы Нуклотрона общей продолжительностью -2400 часов. Выполнен ряд исследований по программе освоения нового ускорителя, получены уникальные экспериментальные данные по режимам работы крупномасштабной криогенно-магнитной системы в условиях переменных динамических тепловых нагрузок, осуществлен набор данных при взаимодействии ускоренных пучков дейтронов и протонов с внутренними ядерными мишенями и получены новые физические результаты по изучению ядро-ядерных взаимодействий в области перехода от нуклонной фазы к кварк-глюонной. Автор участвовал в разработке концепции Нуклотрона и исследовании ряда его систем, а с 1992 г. непосредственно руководил заботами по запуску Нуклотрона и вводу его в действие. В последующем изложении рассматриваются основные особенности Нуклотрона и те новые шчества базы для физических и методических исследований ЛВЭ, которые «ке реализованы или реализуются в процессе освоения Нуклотрона.

II.2.2. Концепция Нуклотрона

В первоначальном варианте (В.П.Алексеев и др. ОИЯИ, 9-7148, Дубна, 973) Нуклотрон рассматривался как трехкаскадный ускорительный •.омплекс, включающий в себя линейный ускоритель на энергию 10 МэВ на

нуклон, промежуточный кольцевой ускоритель (ПКУ), ускоряющий частицы до энергии 0,75 ГэВ на нуклон (рассматривались как сверхпроводящий, так и теплый варианты), и основной сверхпроводящий кольцевой ускоритель (ОКУ) - на энергию 20+25 ГэВ на нуклон. Предлагалось разместить ПКУ и ОКУ концентрически в тоннеле с периметром ~251,5 м, охватывающем фундамент синхрофазотрона. В этом случае максимальная напряженность магнитного поля в поворотных магнитах ОКУ должна была быть на уровне 6Т. Разработки СП- магнитов с высоким значением поля, получивших название "типа cos 0", в то время уже велись в ряде лабораторий, но окончательного, реализуемого в крупных сериях, варианта не было. И более того, опыт изготовления и испытаний прототипов дипольных сверхпроводящих магнита типа "cos 0" с полем 4Т в РТИ АН (Москва) и в ЛВЭ показал, что создание ОКУ на базе СП-магнитов с высоким полем потребует затрат, намного превосходящих реальные финансовые возможности ЛВЭ и ОИЯИ. Тем самым, этот путь создания Нуклотрона был не реален и встала проблема поиска новой концепции Нуклотрона, более экономичной, технологичной и реализуемой в условиях ЛВЭ.

Экономичный, материалосберегающий импульсный магнит со сверхпроводящей обмоткой, ферромагнитным (стальным) ярмом типа "оконная рама" и полем В=2+2,5 Т для синхротронов был предложен И.А.Шелаевым. Создание и исследование образцов таких магнитов показало (С.А.Аверичев и др. ОИЯИ, Р8-11700, Дубна,1978), что в условиях лабораторного производства могут быть обеспечены необходимые точности и налажен технологический процесс для их серийного изготовления. Однако построенный на магнитах с полем В « 2 Т в существующем тоннеле Нуклотрон обеспечивал получение пучков ядер с максимальной энергией Е « 6 ГэВ/нуклон и, соответственно, bi и =12, т.е., в три раза ниже, чем i первоначальном варианте. Тем не менее, при этом расширяют« возможности исследований в асимптотической области ядерны? столкновений, границей которой является b,k > 5, и изучения проблек хромодинамики больших расстояний. Таким образом, проблема выбор, энергии Нуклотрона была решена - 6 ГэВ/нуклон.

Это стимулировало дальнейшую деятельность по поиску наиболее эффективных и технологичных решений магнитно-криостатной системы Нуклотрона, на основе СП-магнитов с полем, формируемым "железом". В результате А.А.Смирновым был предложен дипольный магнит с обмоткой из трубчатого сверхпроводящего кабеля. Испытания первого образца магнита с циркуляционной системой охлаждения потоком двухфазного гелия показали перспективность СП-магнитов с обмоткой из трубчатого СП-кабеля. Помимо электротехнических и технологических преимуществ в магнитах этого типа осуществлялось наиболее эффективное охлаждение СП-обмотки, что в сочетании с малой ее индуктивностью обеспечивало их способность работать при скорости нарастания поля dB/dt = 4 Т/с, т.е. с частотой повторения циклов 1 Гц.

Окончательно концепция Нуклотрона, явившаяся далее основой проекта его создания, была разработана к 1983 году [1], а проект "Реконструкция магнитной системы синхрофазотрона на сверхпроводящую -Нуклотрон" утвержден в декабре 1986 года. Основные параметры ускорителя и условия его создания были доложены автором на VIII Международном семинаре по проблемам физики высоких энергий [2] и состояли в следующем:

- Нуклотрон - это жесткофокусирующий синхротрон с разделенными функциями, обеспечивающий ускорение ядер до энергии 6 ГзВ/нуклон (Z/A=0,5);

- магнитная система основана на сверхпроводящих магнитах с ферромагнитным ярмом и максимальным полем 2 -ь 2,2 Т;

- используются быстроциклирующие сверхпроводящие магниты с обмоткой из трубчатого сверхпроводящего кабеля и циркуляционной системой охлаждения двухфазным гелием;

- вакуум в камере ускорителя - 10-'° Topp;

- криогенный комплекс строится на базе трех промышленных рефрижераторов/ожижителей гелия типа КГУ-1600/4,5 суммарной мощностью 3x1,6 кВт на уровне 4,5 К;

- частота повторения циклов ускорения до 0,5-1,0 Гц;

- нуклотрон размещается в тоннеле цокольного этажа здания синхрофазотрона на уровне -3,76 м относительно медианной плоскости синхрофазотрона;

- инжекция частиц на первом этапе осуществляется от инжектора синхрофазотрона, обеспечивающего ускорение протонов до энергии 20 МэВ и ядер с 0,33 < < 0,5 до энергии 5 МэВ/нуклон;

- для получения пучков тяжелых ионов вплоть до урана и высоких интенсивностей протонов, дейтронов, а - частиц и, особенно, поляризованных дейтронов, необходимо развитие инжекционного комплекса;

вывод ускоренных пучков производится в направлении существующих экспериментальных залов ЛВЭ с максимальным использованием имеющихся каналов;

- максимальная длительность выведенного пучка до 10 сек.

По сравнению с синхрофазотроном новый ускоритель обеспечивает:

- возможность получения ускоренных пучков тяжелых ядер (А> 32) и многозарядных ионов вплоть до урана;

- уменьшение поперечных размеров, эмиттанса и импульсного разброса ускоренного пучка;

- варьируемую в широких пределах растяжку выведенных пучков;

- уменьшение примерно в три раза потребляемой электроэнергии.

Исходя из условий непрерывного обеспечения и развития программы

физических экспериментов на ускорительном комплексе ЛВЭ и минимальных затрат предусматривались также:

- работа и развитие синхрофазотрона в период создания Нуклотрона и плавный переход на новый ускоритель без потери качеств и набора пучков для эксперимента;

увеличение в 1,5 раза максимальной энергии пучков; максимальное использование имеющейся инфраструктуры ускорительного комплекса ЛВЭ;

разработка, изготовление, монтаж и наладка основного оборудования всех систем Нуклотрона в основном силами ЛВЭ и ОИЯИ.

11.2.3. Основные особенности Нуклотрона

Общий вид Нуклотрона в тоннеле показан на рис.2. Диаметр вакуумного кожуха составляет 70 см, удельный вес магнитной системы - 300 кг/м. общая охлаждаемая масса - 80 тонн. Минимальное время охлаждения от 300 К до 4,5 К, достигнутое в сеансах, составляет 72 часа при двух параллельно работающих гелиевых ожижителях общей мощностью 3.2 кВт. Криогенно-магнитная система Нуклотрона уникальна. Она обеспечивает не только миниатюризацию поперечного сечения магнитной системы ускорителя, минимальный вес на единицу длины, но и еще одно новое качество - рекордную крутизну нарастания тока в СП-обмотке возбуждения, что существенно как для обеспечения частоты повторения циклов до 0,5-1 Гц, так и для получения режима квазинепрерывного ускоренного пучка.

На Нуклотроне также впервые реализована схема параллельного охлаждения СП-магнитов двухфазным гелием.

Разработка, исследование и оптимизация СП-магнитов Нуклотрона -по большой цикл работ, выполненный в период 1976-92 годов с участием автора.

Испытания первого образца импульсного дипольного магнита, имеющего размеры ферромагнитного ярма 1400 х 256 х 166 мм3 и апертуру 90 (горизонтальная) х 42 мм2 для Нуклотрона показали [3], что в данной конструкции:

- обеспечивается получение рабочего магнитного поля 2Т (при токе в СП-обмотке ~ 6 кА) с интегральной относительной неоднородностью ~4 • Ю-4 в апертуре радиусом 20 мм;

- в СП-обмотке, представляющей собой мельхиоровую трубку 05 мм, на внешней поверхности которой уложена 31 сверхпроводящая жила, каждая диаметром 0,5 мм и состоящая из 1045 нитей 010 мкм в медной матрице, обеспечивается конструктивная плотность тока ~12 кА/см2 при температуре 4,5 К;

- для поддержания рабочей температуры обмотки необходим поток двухфазного гелия с удельной скоростью прокачки 12-260 кг/м2 в секунду в зависимости от скорости изменения магнитного поля;

- обеспечиваются упрощение криостата, высокая эффективность охлаждения, минимальное количество гелия, циркулирующего в системе, необходимая электрическая прочность изоляции обмотки, технологичность и надежность устройства в целом.

Окончательный выбор параметров СП-магнитов Нуклотрона был сделан с учетом всех требований к апертуре, магнитной структуре кольца, необходимости размещения мультипольных корректоров, систем ввода и вывода пучка, диагностической аппаратуры и др. В результате в условиях ЛВЭ и Опытного производства ОИЯИ была изготовлена крупная серия сверхпроводящих магнитов нового типа, отвечающих всем требованиям магнитных элементов современных СП-синхротронов. Основные характеристики СП-диполей и квадруполей Нуклотрона представлены в таблице 1 [4]. Перед установкой в кольцо каждый магнит прошел индивидуальные полномасштабные испытания на стенде в режиме максимальных рабочих нагрузок. Магниты практически не требовали предварительной тренировки. После трех-четырех циклов достигался критический ток перехода в нормальное состояние - 7,5 кА. Испытания

велись в режимах питания постоянной серией треугольных импульсов при частотах повторения циклов 0,5 Гц (dB/dt = 2 Т/с) и 1,0 Гц (dB/dt = 4 Т/с) без пауз.

Таблица 1

Основные параметры структурных СП- магнитов Нуклотрона

Параметр Единица изм. Диполь Квадруполь

Масса кг 500 200

Конфигурация ярма "оконная рама" гиперболич. полюса

Длина ярма (по железу) мм 1370 430

Апертура (гориз./вертик.) ММг 110x55 120 х 63

Число витков в обмотке 2x8 4x5

Индукция при 0= 6,0кА) Т 1,98

Градиент поля (1 = 5,6 кА) Т/м 33,4

Длина СП-кабеля в обмотке М 62 24

Запасенная энергия кДж 19,8 6,9

Магнитные измерения проводились как в "теплом" режиме при токе питания 40А, так и в "холодном" при амплитуде тока до 6400 А. По результатам "теплых" измерений в СП-диполях выполнялась коррекция "косых" дипольной и квадрупольной составляющих, причины появления которых были установлены автором [5], а также выявлялись и другие возможные дефекты изготовления. При этом обеспечивались точности относительных измерений эффективной длины магнитов не хуже 1 • 10 4 , определения высших гармоник магнитного поля -1- Ю-4 и воспроизводимость результатов на уровне ~ 10 5. На основании исследований, выполненных автором с коллегами, была также оптимизирована СП-обмотка свадрупольных линз регулярной структуры, что обеспечило расширение забочен области их апертуры. Анализ данных "холодных" магнитных пмерений показал [6], что в пределах полного динамического диапазона пменения токов в диполях и квадруполях обеспечивается качество

магнитного поля, сооответствующее требованиям устойчивости бетатронного движения частиц.

Всего в магнитной структуре кольца Нуклотрона используется 96 дипольных магнитов, 64 квадрупольные линзы. Для осуществления необходимой привязки всех систем ускорителя к циклу магнитного поля и обеспечения обратных связей в системе управления движением и ускорением пучка используется специальный измерительный период, в котором помещены структурные элементы с высокоточными и высокостабильными измерительными системами поля и градиента в их апертурах. Эти элементы включены последовательно в соответствующие цепи питания СП-диполей и линз кольца Нуклотрона. Расчеты и обоснование магнитной структуры Нуклотрона выполнены В.А.Михайловым,И.Б.Иссинским,Б.В.Василишиным с сотрудниками [ОИЯИ, 9-86-512; 9-89-265]. Выбранная магнитная структура состоит из 8 суперпериодов, в каждый из которых входит 3 регулярных ИООО периода и один период, не содержащий дипольных магнитов. Регулярный период включает в себя фокусирующую и дефокусирующую квадрупольные линзы, 4-дипольных магнита и два малых свободных промежутка, предназначенных для размещения мультипольных корректоров и диагностического оборудования. Выбранные частоты бетатронных колебаний: СЬс = 6,8 и = 6,85.

С точки зрения криогеники кольцо Нуклотрона образовано двумя полукольцевыми криостатами длиной ~ 124 м каждое, подключенными каждое к своему гелиевому рефрижератору (рис. 3). С диаметрально противоположной стороны криостаты соединяются "теплым" участком в виде' тонкостенного (1=0,5мм) вакуумопровода, замыкающего высоковакуумную камеру ускорителя. На этом участке (рис.4) размещена дистанционно управляемая станция внутренних мишеней и диагностическое оборудование (ионизационные мониторы профиля, радиального положения и интенсивности пучков).

Входы и выходы трубчатых СП-обмоток всех элементов подключены в параллель соответственно к прямому и обратному гелиевым коллекторам, проходящим вдоль полуколец криостатов.

Рис.3. Общая схема криогеники Нуклотрона. 1 - вакуумный кожух, 2 - тепловой экран, 3 - прямой коллектор жидкого гелия, 4 - обратный коллектор гелия, 5 - дипольный магнит, 6 - квадрупольная линза, 7 - сателллтный рефрижератор, 8 - сепаратор, 9 - основной рефрижератор/ожижитель гелия КГУ 1600/4,5, 10 ч- 17 - системы компрессии и баланса газообразного гелия.

Рис.4. "Теплый" участок кольца Нуклотрона.

Датчики температуры, обеспечивающие ее контроль в диапазоне от 300 К до 4,5 К, установлены на входе и выходе обмоток и на ярме магнитов (всего 600 точек контроля). Внутри кожуха имеется также тепловой экран, охлаждаемый жидким азотом. Концепция криогенно-магнитной системы Нуклотрона была предложена Г.Г.Ходжибагияном и А.А.Смирновым. В результате проведенных исследований были найдены и реализованы условия устойчивого охлаждения такой системы. Экспериментальные данные, полученные в сеансах работы Нуклотрона [7], показывают перспективность развития магнитных систем типа Нуклотрона для современных сверхпроводящих ускорителей.

Размещение кольца Нуклотрона на отметке по высоте -3,76 м относительно действующего инжектора и физических установок привело к необходимости поворотов пучков в двух плоскостях при инжекции и выводе.

Нуклотрон - это сложный и тонкий физический прибор, работа которого зависит от весьма большого числа параметров. Это пространство параметров разделено на 32 подсистемы. Контроль и частично управление их работой осуществляется автоматизированной системой на базе современных ЭВМ, разработанной В.И.Волковым с сотрудниками.

Несмотря на новизну и нетривиальность многих решений, использованных при создании Нуклотрона, ввод в действие нового сверхпроводящего ускорителя и опыт прошедших сеансов показали высокую надежность его систем и воспроизводимость режимов его работы.

II.2.4. Первые пучки и физические эксперименты на внутренней мишени

Все десять сеансов работы Нуклотрона прошли в соответствии с плановыми сроками. Программы сеансов были весьма напряженными ввиду короткой продолжительности каждого из них, обусловленной недостатком финансовых средств. Основными составляющими программ сеансов являлись:

- охлаждение кольца и обеспечение рабочего режима магнитно-криостатной системы;

- обеспечение заданных режимов цикла питания магнитов и линз, отладка системы защит и эвакуации энергии;

- настройка режима циркуляции и ускорения пучка;

- обеспечение экспериментов на внутренней мишени;

- исследования динамики пучков и освоение новых режимов работы Нуклотрона и его систем.

Во всех сеансах было обеспечено охлаждение магнитов в штатном режиме и поддержание их в сверхпроводящем состоянии в течение сеанса. Время захолаживания варьировалось от 72 до 110 часов. На рис.5 показан график изменения температуры в течение сеанса, а на рис.6 -промежуточное распределение температур в магнитных элементах кольца в процессе охлаждения. Принципиальным для устойчивости работы в режиме нагрузки циклом было установление рабочего значения перепада давления

Пеане плечо.

ЗМ-1Г ТЗ -ЧН-ЧГ ТЗ ЕИ1Г ТЗ ¿Н4Г ТЗ ВЛ Т1

7Д1 N Т1

Рис.5. Изменение температуры в выбранных оператором контрольных точках: 1 - азотный экран; 2 - наиболее удаленная от ввода гелия квадрупольная линза; 3 - один из близкорасположенных к вводу гелия магнитов; остальные кривые - для промежуточных элементов между 3 и 2.

Амплитуда цикла магнитного поля поднималась до В=1,2 Т, (соответствует 60% максимального проектного значения) при скорости нарастания поля 0,4 * 0,7 Т/с. Длительность плоской вершины варьировалась

от 0,1 до 10 с, а частота следования циклов от 0,1 до 0,3 Гц. Надо отметить, что значительное время в сеансах было уделено наладке системы датчиков переходов и исследованию возможностей повышения ее помехоустойчивости при сохранении необходимой чувствительности и быстродействия при обнаружении зарождения нормальной фазы в сверхпроводящих магнитах и других элементах. Эта система еще не доведена до уровня 100%-ной надежности, однако имеющийся объем экспериментальной информации и результатов испытаний позволяют прогнозировать успешное завершение этого комплекса работ в ближайших сеансах Нуклотрона.

Дат«: 8:30 10-07-199.4 г.

200, Кг

1 окт. 2 окт. 3 окт. 4 окт. 5 окт. 6 окт. 7 окт. S окт. Септчм—магнит: 1-42.Б 2-42.9 3-43.3 4—<15.2 5-43.7 ¿-45.2 7-43.S S-44.4 9-38.7

АЗОТНЫЕ ТЕМПЕРАТУРЫ. 5М4В-Т1 БМ4В-Т2 7Д1-Т1 7Д1-Т2 7Ф2-Т1 7*2-Т2 8Д4-Т1 8Д4-Т2 эк».М2-лв зкр.Н2-пр

85.<4 86.2 92.0 87.7 88. ¿ 85.1 84. ¿ 83.й 99. 1 81.8

ДАВЛЕНИЕ АЗОТА В ТАНКЕ 0.909ХЕ-5 Па КОЛИЧЕСТВО АЗОТА В ТАНКЕ 1407 кг

ЛЕВОЕ ПОЛУКОЛЬЦО ПРАВОЕ ПОЛУКОЛЬЦО

ДАВЛЕНИЕ АБСОЛЮТНОЕ <*Е-Б, Па) PI РЗ DP PI РЗ DP

2.¿98 1.72Б 0.989 3.070 1.72Б 1.322

Рис.6. Отображение температур каждого из элементов кольца в процессе охлаждения. Верхние значения - температура ярма магнитов, средние - выход СП-обмоток, нижние (образуют сплошной фон на рисунке) - температура на входе гелия в СП-обмотки.

За прошедший период проведены испытания работы Нуклотрона со всеми типами источников ионов, используемыми в ЛВЭ: дуоплазматрон -(p,d), лазерный - (i2C6+), электронно-лучевой - (84Кг29+), "Полярис" - (dt). В наибольшей степени работа проводилась с пучком дейтронов. Устойчивая и длительная циркуляция инжектированного пучка, ускорение дейтронов до

энергии 0,2 ГэВ/нуклон и первые ядерные взаимодействия на внутренней мишени были получены во втором сеансе, проходившем с 26 июня по 6 июля 1993 года. Результаты были доложены на Международной конференции по физике высоких энергий [ 8 ] и опубликованы в работе [ 9 ] . Интенсивность ускоренного пучка составляла ~2 • 109 частиц/цикл. Динамика пучка была достаточно стабильной.

Физические эксперименты с пучками релятивистских дейтронов начались с марта 1994 года, когда был получен пучок с импульсом до 3,1 ГэВ/с на нуклон [10] . Результаты первой серии экспериментов, выполненных сотрудничеством в рамках проекта СФЕРА, опубликованы в работе [11]. Основная статистика была получена при импульсе ускоренного пучка дейтронов 3,8 ГэВ/с. В качестве мишеней использовались пленки СН2 (полиэтилен) и Аи толщиной 1,57 и 1,72 мкм соответственно. Интенсивность пучка дейтронов была на уровне 2 • 109 частиц в цикле, что было достаточно для оперативного набора данных. За время экспозиции 8 часов была выполнена серия измерений выходов у-квантов, к-, К-мезонов и ядерных фрагментов от протонов до изотопов гелия и лития. В частности было выделено около 50 событий рождения К+-мезонов в области ниже кинематического предела для нуклон-нуклонных взаимодействий.

60 50

— 40 со п

30 20 10

0.1 1 10 100 Энергия(ГэВ/нукл)

Рис.7. Зависимость параметра наклона спектров вторичных протонов, вылетающих под углом 9 = 103°, в различных реакциях от энергии налетающего ядра.

V УуИ"

;о

О ИЯИСЖЭ вСФЕРА(й*СН2) □ ИАЭ(С*С) Ф 2м ПК (Й+С) Одаск(р»РЬ) V СКА(р*С) Д ИТЭФ (р*С)

А + С —> р(103 ) + ...

(ЁУр2) <Рст/с1£Мр = С-ехр(-ТЯо)

* ■1' ■ ■ ■ ■ ......... ......

5

Развитие техники эксперимента при исследовании переходного режима "нуклонная материя - кварк-глюонная фаза", уже реализованное в ЛВЭ с вводом в действие Нуклотрона, иллюстрирует рис.7, на котором показаны результаты измерений характеристик протонов в реакции d + С—» -> р(103°) + ... при энергиях налетающего дейтрона 0,7; 1,4; 2,1 Гэв/нуклон, полученные на установке СФЕРА в декабрьском 1994 года сеансе Нуклотрона совместно с данными других экспериментов. Время набора статистики составило ~ 17 часов, интенсивность пучка 4- 109 d/цикл, внутренняя мишень - СНг толщиной 1,57 мкм. Видно, что на Нуклотроне обеспечены высокие точности измерений характеристик подобных реакций. Это связано с высокой светимостью, достигаемой при взаимодействии ускоренного пучка с тонкой внутренней мишенью.Расчеты ожидаемых светимостей были выполнены А.С.Артемовым [ NIM, А366, р.254-258, 1995 ]. Данные для дейтронного пучка с интенсивностью 5- 1010 d/цикл приведены в Таблице 2, где обозначены: Ть - расчетное время взаимодействия пучка с мишенью, Lc - усредненная за время цикла (t = 10 с) светимость.

Таблица 2

Пучок Энергия (ГэВ/нукл) Мишень Ть (с) Lc (см-*с-1)

d 1,0 С,СН2 3- 10-2 2- 10»

Au 3- 10-< 1- ЮЗ'

6,0 С,СН2 ~ 10' 4- Шзз

Au 4- Ю-з 2- 1032

В сеансах Нуклотрона были выполнены измерения при взаимодействии пучка дейтронов с различными мишенями в диапазоне энергий 0,2 - 2,0 ГэВ/нуклон. В частности, при энергии дейтронов 1,3 ГэВ/нуклон и полиэтиленовой мишени Ть ~ 500 мс, что дает оценку светимости при средней интенсивности пучка за время взаимодействия N «2109 на уровне Ь = 3,5 • 1032 см^.с1.

Нуклотрон позволяет изучать ядерные взаимодействия с использованием внутренних мишеней в диапазоне от 5 МэВ/нуклон до максимальной. При этом вариация энергии пучка может осуществляться и контролироваться с высокой точностью (~ 10 4 в области Е > 1 ГэВ). Процесс перестройки энергии осуществляется автоматически после задания оператором новых параметров цикла магнитного поля. Информация о параметрах ускорителя и пучка передается в локальную сеть АСУ Нуклотрона, которая связана с общей сетью Ethernet и тем самым доступна всем пользователям ускорителя.

В сеансах были исследованы и реализованы различные режимы работы ускорителя, важные для развития техники постановки физических экспериментов. Например [12]:

- циркуляция ускоренного пучка при выключенном высокочастотном напряжении;

- ускорение до заданной энергии с последующим замедлением пучка и выходом на "стол" магнитного поля при меньшей энергии;

- режим длительной (до 10 с) циркуляции ускоренного пучка.

В первом примере перевод пучка на "стол" магнитного поля с выключением напряжения высокочастотных ускоряющих станций приводит к получению ускоренного пучка с однородной плотностью частиц во времени. Второй пример показывает возможности совмещения в одном цикле ускорителя работы различных установок, например, с выводом части пучка и последующим обеспечением экспериментов на внутренней мишени при меньшей энергии. Режим длительной циркуляции был осуществлен при энергии пучка дейтронов 0,2 ГэВ/нуклон с выключением в.ч. напряжения при переходе на "стол" магнитного поля. Этот эксперимент продемонстрировал высокое качество систем ускорителя и реализуемость режима длительного медленного вывода, начиная с минимальной проектной энергии.

И.2.5. Интенсивности пучков в Нуклотроне

Основные параметры пучков, обеспечиваемых существующим инжектором и источниками частиц, приведены в таблице 3. Как показал

опыт инжекции пучков в Нуклотрон, потери частиц в канале инжекции при оптимальной настройке режимов не превышают 10%. Основное ограничение числа инжектируемых частиц связано со схемой однооборотной инжекции (т = 8,3 мкс для ядер и ~ 4,2 мкс для протонов), принятой в Нуклотроне.

Таблица 3

Тип частиц Тип источника Тимп (мкс) Интенсивность(част/цикл)

выход ЛУ-20 камера Нуклотрона

Р Дуоплазматрон 500 МО"4 8,3- Юн

а Дуоплазматрон 500 3- Ю'з 4,5-10"

ёТ ПОЛЯРИС 500 3-10'° 4,5- 108

а Дуоплазматрон 500 6-10'2 1-10"

бЬР+ Лазерный 30 1-Ю» 2,8-10«

7Ы3+ Лазерный 30 5-10'» 1,2-10")

пО Лазерный 20 2-101» 0,8-101»

1б08+ Лазерный 10 3-Ю' 2,4-10'

Лазерный 10 2-Ю' 1,6-10'

24М£12 Лазерный 5 1-Ю9 1,8-10'

Лазерный 5 1-10» МО»

зг514+ КРИОН- С 100 2-Ю8 1,7-10'

4оАг'6+ КРИОН- с 100 2-106 1,7-106

84Кг34+ КРИОН- с 100 1-Ю5 0,8-104

Общей проблемой является минимизация потерь частиц в ускорителе на всех этапах: первый оборот, начало циркуляции пучка, захват в режим ускорения, ускорение. Экспериментальные результаты, полученные в сеансах Нуклотрона, показывают, что потери частиц в режиме циркуляции могут не превышать 15-20%. Коэффициент захвата в режим ускорения составляет 0,5 и при ускорении теряется еще ~ 50% частиц. После завершения этапа освоения нового ускорителя можно ожидать получения ускоренных пучков с числом частиц Ыуск ЛМинж = 0,25 - 0,35 и более. Отметим, что даже при существующих в штатном режиме потерях частиц интенсивность пучков не ограничивает постановку экспериментов с использованием внутренних мишеней.

Актуальной проблемой является повышение эффективности использования существующих в ЛВЭ источников ядер и их развитие. С точки зрения длительности пучка наиболее адекватен Нуклотрону лазерный источник, разработанный В.А.Мончинским с сотрудниками. При

26

использовании лазерного источника на Нуклотроне достигается существенное повышение интенсивности пучков ядер от углерода до кремния по сравнению с получаемыми на синхрофазотроне.

Для повышения эффективности использования электронно-лучевых источников Е.Д.Донца (КРИОН) необходим более короткий вывод ионов из источника (первые эксперименты в этом направлении уже сделаны) и дальнейшее их развитие. Повышение интенсивности пучков тяжелых ионов будет достигнуто после завершения модернизации головной части ЛУ-20 и обеспечения ускорения ионов с Х/А > 0,28 в ЛУ-20.

Наиболее сложную проблему представляет получение на Нуклотроне интенсивных пучков поляризованных дейтронов. Источник поляризованных дейтронов ПОЛЯРИС, разработанный Ю.К.Пилипенко с сотрудниками, используется на синхрофазотроне с 1986 года. Значимость программы физических исследований на пучках поляризованных частиц весьма велика. Актуальными являются физические эксперименты как с первичными пучками векторно и тензорно поляризованных дейтронов, так и со вторичными пучками поляризованных протонов и нейтронов, получаемыми в реакциях стриппинга. При существующем источнике и потерях поляризованных дейтронов при ускорении в ЛУ-20 в лучшем случае можно рассчитывать на интенсивность ускоренного пучка поляризованных дейтронов ~ (5 • 107 - 1 • 108 ) частиц/с . Актуальной проблемой является повышение этого уровня в 5-10 раз. Для решения этой проблемы предусматриваются дальнейшие работы по повышению интенсивности пучка в источнике, улучшение согласования источника ПОЛЯРИС с ЛУ-20, а также исследование возможностей увеличения импульсного тока источника.

Динамика спина в процессе инжекции, ускорения и вывода поляризованных дейтронов в Нуклотроне была детально рассмотрена теоретически [13]. При инжекции пучка происходит поворот вектора поляризации на угол 0 а 13°, что должно быть учтено соответствующим поворотом вектора поляризации в источнике на входе в ЛУ-20. Далее в Нуклотроне при ускорении до энергии 5,6 ГэВ/нуклон деполяризация пучка незначительна. Для пересечения спинового резонанса У=-1 при

Е=5,6 ГэВ/нуклон необходимы дополнительные меры. Опасных

деполяризирующих факторов при медленном выводе пучка также не

возникает. Таким образом, основной проблемой для реализации

поляризационных исследований является развитие инжекционного комплекса.

II.2.6. Внешние пучки на Нуклотроне

Основная система медленного резонансного вывода пучков из Нуклотрона предусматривает вывод пучков в диапазоне энергий 0,2 до 6 ГэВ/нуклон с эффективностью 95-96% [ Б.В.Василишин и др. ОИЯИ, 9-86-511, Дубна 1986]. Элементами системы вывода являются:

- электростатический септум, обеспечивающий заброс пучка в горизонтальной плоскости;

- магнит Ламбертсона, отклоняющий пучок в вертикальной плоскости для вывода из камеры ускорителя;

- система резонансной раскачки пучка с использованием резонанса ЗО,=20.

Неординарностью сис.темы вывода пучка на Нуклотроне является необходимость разработки оригинальных сверхпроводящих элементов. После завершения испытаний и получения рабочих характеристик все элементы системы вывода будут установлены в кольцо ускорителя.

Автором была поставлена задача разработки системы вывода пучков ядер из Нуклотрона с использованием изогнутых монокристаллов и совместно с коллегами выполнен ряд работ, в которых выбрана схема, проведено численное моделирование вывода [14], рассмотрено использование как монокристаллов кремния, так и вольфрама [15]. При этом показано, что эффективность вывода при использовании монокристаллов вольфрама может достигать 15-20%. Использование изогнутых монокристаллов дополняет основную систему резонансного вывода и может успешно использоваться для экспериментов, не требующих пучков большой интенсивности, в частности выполняемых методикой фотоэмульсий и пластиковых трековых детекторов [16].

Н.З. Новые пучки на ускорительном комплексе ЛВЭ ОИЯИ и их

использование

В период 1992-96 гг. был достигнут существенный прогресс в создании новых пучков релятивистских частиц и ядер, их использовании в физических экспериментах на базе ускорительного комплекса ЛВЭ. Полученные при участии автора результаты привели к решению актуальных проблем в развитии источников ядер, формировании новых пучков вторичных частиц, к постановке новых физических экспериментов в ЛВЭ ОИЯИ крупными международными коллаборациями, развитию возможностей прикладных исследований и разработки новой экспериментальной аппаратуры для экспериментов на крупнейших коллайдерах адронов и ядер. Ниже приводятся основные результаты работ по:

- получению и ускорению пучков ядер серы, аргона, криптона и ксенона с помощью электронно-лучевого источника ядер КРИОН-С;

- формированию пучков релятивистских поляризованных нейтронов и их использованию в эксперименте с поляризованной протонной мишенью;

- генерации пучков нейтронов.

П.3.1. Новые пучки тяжелых ионов

Конечной целью в данном направлении является получение на ускорительном комплексе ЛВЭ пучков релятивистских тяжелых ионов вплоть до урана. Решение этой проблемы связано не только с вводом в действие Нуклотрона, но, безусловно, с формированием инжекционного комплекса: развитием источников тяжелых ионов, модернизацией линейного ускорителя ЛУ-20 и созданием синхротрона - бустера Нуклотрона.

Основным типом источника, обеспечивающим получение высокозарядных тяжелых ионов с отношением заряда к массе 2/А~0,3 , что необходимо по условию фазовой устойчивости при ускорении в существующем линейном ускорителе ЛУ-20, является источник электроннолучевого типа КРИОН.

Образование высокозарядных ионов в электронно-лучевом источнике основано на ступенчатой ионизации атомов газообразного рабочего вещества электронным пучком (непрерывным или импульсным) высокой плотности. Источник КРИОН является компактным, но достаточно сложным и прецизионным устройством, однако при этом реализуется рекордный фактор ионизации, а также приципиальная возможность получения пучков высокозарядных тяжелых ионов с интенсивностью до \<Ап1Ъ. Впервые источник КРИОН был использован на синхрофазотроне в 1976 году и далее регулярно работал в сеансах на ускорителе. Вместе с тем, до 1993 года применение этого типа источников на ускорительном комплексе ЛВЭ ограничилось получением ядер неона-22.

Автором в 1992 году был инициирован цикл работ, выполненный совместно с В.П.Овсянниковым, по проведению серии экспериментов на источнике КРИОН-С и сеансов работы этого источника на ускорителе. Исходя из наиболее актуальных задач физического эксперимента и учитывая развитие ускорительных комплексов ядер в мире, была определена следующая последовательность в освоении новых пучков релятивистских тяжелых ядер в ЛВЭ: -згЗ -> 4оАг -> 5йРе —» хдКг -> шХе 2ояВ1 —» 2з8и.

Основные результаты, полученные ко времени написания данной работы, состоят в следующем:

1. Осуществлено впервые ускорение ядер з2В16+ на синхрофазотроне до энергии 3,65 ГэВ/нуклон, пучки использованы для облучения фотоэмульсий и пластиковых трековых детекторов[17], при этом число ядер серы 816+, захваченных в р-тронный режим, составляло ~ 2,5 • 106 частиц/цикл, а выведенный из ускорителя пучок насчитывал ~ 3,5 • 103 частиц. Потери частиц были связаны с известными эффектами перезарядки на атомах остаточного газа и медленным темпом ускорения в синхрофазотроне.

2. Впервые были ускорены в линейном ускорителе ЛУ-20 до энергии 5 МэВ/нуклон и транспортированы в Нуклотрон пучки ионов Аг|7+ и Кг34+ с интенсивностью 2 • 106 и 1- 105 соответственно [18], проведены первые эксперименты по ускорению пучка ионов криптона в Нуклотроне.

3. Достигнуто увеличение импульсного тока ионов на КРИОН-С в 2-3 раза за счет сокращения длительности вывода пучка [19].

Эти результаты позволяют прогнозировать возможность инжекции с помощью источника КРИОН-С пучков тяжелых ионов вплоть до ксенона с числом частиц ~ 105 (для ксенона) за время ~10 мкс. Для получения пучков Bi и U необходима дальнейшая модернизация этого источника.

II.3.2. Новый канал поляризованных нейтронов и его использование

Эксперимент по измерению разности полных сечений Дел, и Дот взаимодействия поляризованных нейтронов и поляризованных протонов в области энергий налетающего нейтрона 1-6 ГэВ/нуклон был предложен и проработан группой Л.Н.Струнова совместно с физиками из Сакле (Франция) и других институтов как продолжение экспериментов, выполненных ранее в PSI (Цюрих, Швейцария) и на ускорителе Сатурн (Сакле, Франция) в диапазоне энергий до 1 ГэВ [ E.Chernykh et al. Proc.Int.Symp.Deuteron-93, JINR E2-94-95,p. 185-197,Dubna, 1994]. Базой для осуществления первых измерений в новой области энергий должны были быть пучок поляризованных квазимонохроматических нейтронов, получаемый в реакции стриппинга векторно-поляризованных дейтронов, ускоренных в синхрофазотроне, и замороженная протонная поляризованная мишень, созданная в Сакле, перевезенная в Дубну и модернизированная в ЛЯП ОИЯИ.

Постановка этого эксперимента потребовала решения комплекса проблем по созданию нового канала поляризованных нейтронов в ЛВЭ ОИЯИ с учетом необходимых площадей для размещения мишени и оптимизации условий формирования пучка нейтронов, подавлению фона заряженных частиц и нейтронов в области взаимодействия и многих других. В итоге был сформирован пучок поляризованных нейтронов с рекордными параметрами и первая серия измерений проведена в феврале-марте 1995 года. Результаты эксперимента опубликованы в [20]. В качестве иллюстрации на рис.8 показаны мировые данные по измерению Actl(m р) в диапазоне энергий цо 3,65 ГэВ при взаимодействии продольно поляризованных нейтронов с

протонами при параллельном и антипараллельном направлении спинов. Данные в области энергий пучка нейтронов 1,19; 2,24; 3,65 ГэВ, полученные в Дубне, являются уникальными. Они показывают резкое уменьшение Даь практически до нуля при Е > 2,5 ГэВ и требуют для объяснения характера Доь развития новых теретических моделей, а также проведения более детальных измерений в области энергий 1,2 -5- 2,5 ГэВ, в которой имеются предсказания, сделанные, в частности, на основе инстантонной модели.

Тип«™»

Рис.8. Зависимость разности полных сечений взаимодействия продольно поляризованных нейтронов и протонов ( с паралельным и антипараллельным

направлением спинов) от энергии налетающего

нейтрона.

Необходимо отметить, что измерения в указанной области энергий потребуют оптимизации эксперимента, поскольку интенсивность пучка п в интересующей области будет существенно ниже, чем при максимальном импульсе р„ = 4,5 ГэВ/с, когда отношение числа нейтронов в сформированном пучке составляет 103 от числа поляризованных дейтронов в первичном пучке.

П.З.З. Генерация пучков нейтронов

Рассмотрены два направления получения пучков нейтронов на ускорительном комплексе ЛВЭ:

- с использованием выведенных из синхрофазотрона пучков протонов и релятивистских ядер и толстой мишени;

- с использованием ускоренного пучка ядер Нуклотрона и тонкой внутренней мишени.

Особая актуальность постановки задач связана с изучением физических аспектов электроядерного метода получения энергии и трансмутацией радиоактивных отходов - т.е. с проблемами построения в конечном итоге безопасного и экологически чистого ядерного реактора. Ускорительный комплекс ЛВЭ обеспечивает возможность получения экспериментальных данных, имеющих важное значение для данной проблемы. Цикл работ по исследованию генерации нейтронов пучками релятивистских ядер (d, 4Не, 7Li, 12С) синхрофазотрона был выполнен в ЛВЭ под руководством К.Д.Толстова [K.D.Tolstov. JINR Rapid Com. No.5(62)-93, p.5-15,Dubna,1993]. Оценки, сделанные в цитируемой работе, показывают, что для получения электрической мощности 10 МВт в подкритическом реакторе, использующем бланкет из 238U и пучок а - частиц с энергией 1,5 ГэВ/нуклон от ускорителя, необходима интенсивность выведенного пучка Na = 2,42 1014 с-1. Получение пучков релятивистских ядер такой интенсивности - это отдельная крупная проблема, в решении которой может быть использован опыт создания Нуклотрона. Интенсивности пучков p,d, 4Не, |2С с импульсом до 4,5 ГэВ/с на нуклон, достижимые при существующей схеме инжекции на Нуклотроне, позволяют проводить дальнейшие исследования физических аспектов электроядерного метода, включая оптимизацию состава мишени, параметров пучка, определение спектра нейтронов как внутри мишени, так и вылетающих за её пределы.

Возможности использования пучков Нуклотрона и тонких внутренних мишеней для генерации потока быстрых нейтронов были рассмотрены автором совместно с А.С.Артемовым и В.М.Дьяченко [21]. Экспериментальных данных по выходу нейтронов из тонких мишеней при облучении их пучками ядер с энергией Е >100 МэВ практически нет. Имеются теоретические расчеты среднего выхода нейтронов, образующихся при неупругом взаимодействии протонов, дейтронов и ядер гелия с ядром 238U при энергиях Е > 1 ГэВ.Проведенный в работе [21] анализ показывает, что выход нейтронов при взаимодействии пучка дейтронов с

интенсивностью ~5 • 10ш част/цикл при энергии Ed = 1,0 ГэВ/нуклон будет на уровне (1 -н 3) • 1010 нейтронов/цикл в широком диапазоне массовых чисел ядер-мишеней. Таким образом, можно, используя внутреннюю мишень и пучки Нуклотрона, исследовать генерацию нейтронов на практически точечных мишенях, изучать спектральные, угловые, энергетические характеристики генерируемых потоков нейтронов и, тем самым, получить новые экспериментальные данные.

Актуальной проблемой является также моделирование радиационных повреждений компонент детекторов, разрабатываемых для экспериментов на коллайдерах высоких энергий. С участием автора был разработан и исследован источник нейтронов, использующий выведенный пучок протонов/ дейтронов и свинцовые мишени размерами 8x8x8 см3 и 0 20x20 см [22]. Для анализа пространственного и энергетического распределения образующихся нейтронов использовалась техника пороговых детекторов, развитая группой из РИ им. В.Г.Хлопина. В этих работах были получены экспериментальные и расчетные данные по спектрам и выходам нейтронов в зависимости от типа пучка (р или d), его энергии (1,0; 2,0; 2,55; 3,65 ГэВ), расстояния вдоль мишени, угла эмиссии и показано, что при интенсивности пучка протонов 5 • 10" част/цикл обеспечивается поток нейтронов N > 1013 п • см-2 в час в жесткой части спектра. Это достаточная величина для оперативного моделирования радиационных нагрузок, учитывая, что вблизи области взаимодействия пучков, в частности на коллайдере RHIC, поток нейтронов будет составлять 1013 - 1015 п • см2 в год.

III. РАЗВИТИЕ МЕТОДИКИ И ТЕХНИКИ РЕГИСТРАЦИИ

ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РЕЛЯТИВИСТСКИХ

АДРОНОВ И ЯДЕР В 4 я - ГЕОМЕТРИИ

III.1. Актуальные проблемы развития метода ядерных фотоэмульсий

Рекордное пространственное разрешение (< 1 мкм), регистрация события в пределах полного телесного угла (4л-геометрия), сочетание свойств одновременно детектора заряженных частиц и мишени, включающей

свойств одновременно детектора заряженных частиц и мишени, включающей нуклоны, группы легких (C,N,0) и тяжелых (Ag, Br), а также (Pb, U) ядер, простота постановки эксперимента обеспечивают этой методике устойчивые позиции в изучении процессов взаимодействия частиц и ядер высоких энергий несмотря на развитие электронных методов регистрации частиц. Ядерные фотоэмульсии обладают непревзойденными преимуществами при анализе столкновений тяжелых релятивистских ядер в мультиГэВ-ной области, когда множественность вторичных частиц достигает многих сотен. Регистрация событий такого типа с идентификацией всех частиц весьма затруднительна даже для самых современных детекторов с электронным съемом информации.

Проведение эксперимента с использованием фотоэмульсий не требует значительных затрат и обеспечивает возможность проводить измерения в любой, даже небольшой лаборатории, оснащенной просмотровым оборудованием.

Для получения достаточной статистической обеспеченности физических результатов в короткие сроки обработка экспериментального материала проводится сотрудничествами многих лабораторий.

На протяжении многих лет обработка фотоэмульсий, облученных на пучках релятивистских ядер синхрофазотрона с импульсом до 4,5 ГэВ/с на нуклон, и анализ результатов осуществляется традиционно сотрудничеством 18-ти институтов. Наибольший интерес этой коллаборации в развитии пучков ускорительного комплекса ЛВЭ связан с программой облучения фотоэмульсий все более тяжелыми ядрами на Нуклотроне. Основные цели исследований концентрируются на поисках эффектов многонуклонных взаимодействий, коллективных свойств ядерной материи, проявлений кварк-глюонных степеней свободы в релятивистских ядерных взаимодействиях, проверке теоретических моделей, предложенных для описания сильных взаимодействий.

С получением пучков релятивистских ядер более высоких энергий на SPS ЦЕРНа и на AGS в БНЛ объем экспериментального материала существенно возрос. Сотрудничеством EMU01, которое объединяет физиков и специалистов из России, Швеции, Китая, США, Германии,

Казахстана, Словакии, Узбекистана, Индии, Австралии, Армении и в которое входит и группа ЛВЭ ОИЯИ, в период 1994-96 гг. опубликован ряд новых результатов анализа взаимодействий ядер кислорода (200; 60; 14,6; 4,5 ГэВ/н), серы (200 ГэВ/н), свинца (158 ГэВ/н), золота (11,6 ГэВ/н), кремния (14,6; 4,5 ГэВ/н) с ядрами фотоэмульсий на материалах облучений в Женеве, Брукхейвене и Дубне с участием автора.

Фотоэмульсионными сотрудничествами к настоящему времени накоплен обширный банк данных по характеристикам релятивистских ядерных столкновений, позволяющий анализировать различные физические аспекты и закономерности этих процессов. Но вследствие того, что точность измерения импульса в фотоэмульсии ограничена уровнем 25-30%, разделение релятивистских протонов и пионов, как и фрагментов ядра с близкими значениями заряда, затруднительно, а разделение отрицательных и положительных пионов в принципе невозможно, круг задач, решаемых фотоэмульсионной методикой, оказывается ограниченным. Путь устранения этих недостатков известен давно - необходимо проводить облучение фотоэмульсий в сильном магнитном поле.

Одна из первых установок, созданная и использованная на ускорителе в ФИАН в начале пятидесятых годов, формировала магнитное поле с амплитудой 10-15 Т в рабочей области диаметром 1,5 см. Облучение эмульсий в импульсном магнитном поле с напряженностью В=16-18 Т было выполнено на установке "Мамонт", созданной в ЦЕРН. После облучений, проведенных на пучке протонов с энергией 21 ГэВ протонного синхротрона (PS) ЦЕРНа, эта установка была использована для облучения фотоэмульсий на вторичном пучке л~ -мезонов с импульсом до 50 ГэВ/с протонного синхротрона У-70 ИФВЭ в Протвино. Следует отметить, что ошибки определения импульса частиц (протонов и пи-мезонов) в этих измерениях не превышали 10% вследствие большой длины трека, на которой проводились измерения (М.И.Адамович и др. Труды ФИАН, т. 108, с.65,1979).

В начале 70-х годов в Стэнфорде (США) были проведены методические эксперименты по определению точности измерения импульса электронов с энергией 19 ГэВ по кривизне трека в эмульсиях. Амплитуда

поля достигала величины 92 Т в объеме и 10 мм2 при длительности импульса « 5 мкс. Было показано, что в поле 100 Т при измерениях на длине трека 1 см импульс частицы в фотоэмульсии может быть измерен с точностью 3%.

Вместе с тем в каждом из приведенных экспериментов задача создания адекватной установки не была решена.

III.2. Установка "СЛОН" - новый аппаратурный комплекс для исследования взаимодействия релятивистских ядер

После экспериментов на установке "Мамонт" К.Д.Толстовым было предложено создание в ЛВЭ установки СЛОН - комплекса для облучения фотоэмульсий в импульсном магнитном поле 100 Т в объеме 5x3x2 см3 (К.Д.Толстов, Г.С.Шабратова.ОИЯИ, Р1-8402, Дубна, 1974).

В принципе создание импульсных магнитных полей с указанной амплитудой и в указанном объеме возможно, но в диапазоне микросекундных длительностей импульса и с разрушением системы формирования поля после каждого цикла. Магнитное давление уже при В> 40 Т превосходит предел текучести большинства металлов. В системах, генерирующих поля В> 80 Т, скорость нарастания поля должна быть не менее 10 Т/мкс, а полная длительность периода импульса не более 10-20 мкс. Тем самым, принципиальные физические ограничения, связанные с эффектами сильного магнитного поля (СМП), делали практически нереализуемым это предложение.

Считая развитие методики регистрации частиц в 4я - геометрии важным для получения более детальной информации о процессах взаимодействия релятивистских ядер, автор с 1984 года включился в решение проблемы создания установки с сильным магнитным полем.

Новая концепция установки СЛОН, разработанная автором и реализованная в ЛВЭ с участием специалистов из ТУ (Санкт-Петербург), ИФВЭ (Алма-Ата), ИЯФ (Краков), Университета (Душанбе), обеспечивает:

- режим многоцикловой работы установки и точность измерения импульсов s-, g- частиц и фрагментов ядра-снаряда не хуже 6% без потери

- открытое пространство вдоль оси пучка, обеспечивающее удобное размещение облучаемой кассеты с фотоэмульсий и ее юстировку, а также использование слоев эмульсий, длина которых превосходит размеры области СМП вдоль оси пучка для обеспечения измерения на продолжении треков;

размеры рабочей области СМП с пространственной неоднородностью 5% не менее 1,5 х 2,5 х 5 см;

компактность системы генерации СМП и токоподводов, возможность замены основного токонесущего элемента без значительного демонтажа основных силовых элементов конструкции.

Учитывая неэффективность СПМ даже с амплитудой В=100 Т при анализе фрагментов ядра-мишени (b-частиц) в эмульсии и возможность проведения измерений магнитной кривизны на длине треков от 1 см и более для значительного класса задач релятивистской ядерной физики, оптимальным уровнем СМП, нужно принять диапазон В=30-50 Т.

Для генерации СМП в установке СЛОН используется разряд конденсаторной батареи на одновитковую катушку специальной конструкции. Коммутация тока осуществляется управляемыми вакуумными разрядниками, работающими при давлении 1(Р - 10"3 Topp и обеспечивающими протекание разрядного тока до 1 МА через каждый при длительности разряда 100 мкс. Конденсаторная батарея суммарной энергоемкостью 1,6 МДж состоит из 576 конденсаторов типа ИС-5-200 (С=200 мкф, U=5 кВ). Общая функциональная схема установки СЛОН показана на рис 9.

Уже в первых методических сеансах работы при испытаниях модуля установки СЛОН при токе разряда ~2 мА на пучках синхрофазотрона [23] были получены расчетные параметры и облучены фотоэмульсионные стопки с размерами 1,5 х 1 х 10 см3. Анализ треков в фотоэмульсиях, облученных пучком протонов с известным импульсом - 6 ГэВ/с , показал, что кривизна треков первичных частиц соответствует величине магнитного поля В=28 Т.

Рис.9. Блок-схема установки СЛОН: 1 - накопитель энергии, 2 - коммутаторы тока; 3 - одновитковый соленоид; 4 - блоки запуска разрядников; КМ - дозирующий пучок магнит с системой питания (ПКМ); остальное -системы питания, управления, синхронизации, контроля и измерений.

Расчетное значение при заданных параметрах разрядного контура составило ВРасч. = 27-ь 30 Т. Неоднократные испытания показали, что в режиме многоцикловых нагрузок при амплитуде поля ~30 Т деформаций токонесущих поверхностей, формирующих рабочее магнитное поле, не наблюдается. Результаты численного анализа деформаций и ресурса импульсного соленоида установки СЛОН, полученные в работе [24], показаны на рис.10. Видно, что многоцикловый режим (более 10 циклов) работы возможен при формировании магнитных полей с напряженностью

В< 60н-65 Т.

3.2

2.8

2.4

2.0

1.6

1.2

0.8

0.4 .

0 —«—*

40 45 50 55 60 «5 Вт (Т)

Рис.10. Долговечность магнита установки СЛОН в зависимости от амплитуды импульса поля:

1 - остаточная деформация 10%;

2 - остаточная деформация - 20%.

Основные элементы системы формирования сильного импульсного магнитного поля показаны на рис.11.

Рис.11. 1- одновитковая катушка, 2 - удерживающая система, 3 - сильноточный переходник, 4 - коллектор тока, 5 - кассета с фотоэмульсией.

В процессе разработки и исследования установки СЛОН был решен ряд проблем, имеющих широкое практическое значение, а именно:

создан компактный импульсный дипольный магнит с неоднородностью поля на уровне (1^-2)102 , способный длительно работать при амплитуде магнитного поля до я 40 Т, который может быть использован, например, в системах отклонения пучков заряженных частиц;

- поставлена и решена задача формирования сильных импульсных магнитных полей высокой однородности на основе нового метода расчета плоских нестационарных магнитных полей [25], позволяющего оптимизировать форму токонесущих поверхностей с учетом нестационарной диффузии магнитного поля в токопроводящую стенку катушки;

- разработаны оригинальные соленоид, коллектор и другие элементы, работающие в области мегаамперных импульсных токов [26].

Постановки первоочередных экспериментов на установке СЛОН с использованием пучков Нуклотрона рассмотрены в работах автора

совместно с К.Д.Толстовым [27] и М.И.Третьяковой [28]. Актуальными проблемами являются:

1. Детальное изучение фрагментации ядер при энергии ядра-снаряда до 6 ГэВ/нуклон с определением зарядов и импульсов фрагментов с зарядом 2>Ъ, разделением 3Не и 4Не при анализе а - частиц, определение импульсов фрагментов с Ъ=\, разделение р, с1,1 - частиц.

2. Изучение импульсных спектров и механизмов образования частиц в ядро-ядерных столкновениях, измерение поперечных импульсов р< - частиц различного происхождения и исследование эффектов многонуклонных взаимодействий;

3. Изучение особенностей, обнаруженных в центральных столкновениях ядер в более широком диапазоне масс ядер-снарядов и с использованием преимуществ метода фотоэмульсий в сильном магнитном поле.

В настоящее время установка подготовлена к работе. Облучения планируются после получения внешних пучков Нуклотрона.

Установка СЛОН представляет собой не имеющий аналогов экспериментальный комплекс, обеспечивающий новый шаг в технике физического эксперимента при высоких и сверхвысоких энергиях взаимодействия частиц и ядер.

III.3. Пластиковые трековые детекторы в исследовании фрагментации

релятивистских ядер на пучках ядер синхрофазотрона

В серии экспериментов выполненной в коллаборации с Университетом Зигена (ФРГ) на пучках 160, "Б, "Б, изучалась фрагментация этих ядер на различных мишенях (СН2, СЯ 39, С, А1, Си, Ag, РЬ) с использованием в качестве детекторов твердотельных пластиковых трековых детекторов типа СЯ-39.

Пластиковые трековые детекторы регистрируют ионизирующие частицы в результате радиационных повреждений, оставляемых в структуре материала детектора. После химического травления облученного пластика

образующиеся "воронки" в местах пролета ионизирующих частиц имеют площадь, пропорциональную потерям энергии частицы (- dE/dx).

Техника эксперимента весьма проста. Облучаемая сборка включает в себя (по ходу пучка) 4+8 фольг толщиной 600 мкм, мишень толщиной t = 0,2 X (X - длина свободного пробега в данном веществе мишени), и 4-8 детекторов после мишени. Типичный поперечный размер детекторов 10x10 см2. Облучение проводится перпендикулярно к плоскости детекторов, плотность облучения ¡» 103 частиц/см2. Применяемые пластиковые детекторы чувствительны к релятивистским частицам, имеющим заряд Z > 6.

Основной недостаток трековых детекторов - длительная обработка и в итоге невысокая статистическая обеспеченность получаемых результатов был преодолен В.Хейнрихом с сотрудниками созданием автоматизированной системы просмотра и измерений.

Основные цели экспериментов состояли:

- в определении вклада электромагнитной диссоциации в процесс фрагментации релятивистских ядер;

- в измерении сечений фрагментации различных ядер-снарядов на водородной мишени, что представляет особенный интерес для проверки моделей, описывающих распространение релятивистских ядер в космосе.

Результаты обработки и анализа данных по измерению сечений фрагментации ядер 160 на Pb, Ag, Cu- мишенях в диапазоне энергий от 0,9 до 200 ГэВ/нуклон, опубликованные в [29], показаны на рис.12.

Экспериментальные данные при энергиях 0,9 -, 2,3- и 3,6 - ГэВ/нуклон получены в Дубне, при энергии 13,5 Гэв/нуклон - в Брукхейвене и при энергиях 60 и 200 Гэв/нуклон - в ЦЕРНе.

Были получены данные и по энергетической зависимости парциального сечения AZ=1 ядер 1бО на водородной мишени в диапазоне энергий от 0,3 до 200 ГэВ/нуклон.

Планируется продолжение исследований с использованием пластиковых трековых детекторов на пучках более тяжелых релятивистских ядер, таких как Fe, Au, Pb при энергиях до 6 ГэВ/нуклон на пучках Нуклотрона.

-О

b 5 4 3 2

1

0

3 4

to 3.5 3

2.5 2

1.5

1

0.5 О

s 28

to 2.4 2

1.6 1.2 0.8 0.4

0

Pb Target

4—М-

" ^"P rr

a Oej(p Oemcal

o,

emcal

Ag Target

-1-8-

■ О

_eip _

D 0,yn "emcal rr

4 uemcal

Cu Target -4-i-S-

■ a

exp

a C) Oemcal

ГТ

* °emcal

J_L.

10 102 E [GeV I nucleon]

Рис.12. Зависимость полного сечения фрагментации ядер "О для РЬ, А£ и Си мишеней в зависимости от энергии: В-эксперимент; Д - расчетная величина электромагнитной компоненты сечения; □ - ядерная компонента полного сечения.

♦

А

А

А

1

Методика физического эксперимента с использованием пластиковых трековых детекторов будет весьма актуальной уже в первых сеансах получения внешних пучков тяжелых ядер на Нуклотроне. Для постановки экспериментов может быть использован вывод пучка из Нуклотрона изогнутым кристаллом.

IV. АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ СИНХРОТРОНОВ/КОЛЛАЙДЕРОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ КАК ПЕРСПЕКТИВНОЙ БАЗЫ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ПРИ СВЕРХВЫСОКИХ ЭНЕРГИЯХ АДРОНОВ И ЯДЕР

IV. 1. Вводные замечания

Нуклотрон является первым действующим ускорителем нового поколения - ускорителем, реализующим идею создания экономичной миниатюрной сверхпроводящей магнитной системы. Автор считает перспективным использование криомагнитных систем, основанных на СП-магнитах с полем 2-2,5 Т, формируемым "железом" (далее называемые "типа Нуклотрона"), и видит в развитии систем типа Нуклотрона реальную возможность решения проблемы создания сверхбольших синхротронов/коллайдеров на энергию масштаба 100 ТэВ.

В 1989 г. А.М.Балдиным, Л.Г.Макаровым, И.А.Шелаевым и автором было предложено создание ускорительно-накопительного комплекса Супернуклотрон H ci ЭНбрГИЮ ПрОТОНОВ Ьц.м. = 2 х 120 ГэВ, ядер Ец.м = 2 х 60-А ГэВ [30]. При этом предусматривалась возможность постановки экспериментов на встречных электрон-ядерных пучках впервые сформулированная автором [31]. Основные параметры комплекса Супернуклотрон приведены в разделе IV.2.

Разработки систем типа Нуклотрона для адронных коллайдеров велись и в других лабораториях, например, вариант сверхпроводящего суперколлайдера SSC на энергию рр-столкновений 20x20 ТэВ в США, основанного на СП-магнитах с полем 2,5 - ЗТ (R.R.Wilson. Ргос. Snowmass Conf., 1982, p.330). Рассмотрение концептуальных вариантов SSC, использующих СП-магниты с полями 3, 6, 8 и 12Т, в то время привело к выбору в качестве основы магнитной системы SSC СП-диполей типа "cos 9" с полем 6,6 Т.

В настоящее время крупнейшим адронным коллайдером,

обеспечивающим энергию столкновения VÏ = 1.8 ТэВ, является Тэватрон ФНАЛ (Батавия,США). Следующим этапом продвижения физического эксперимента в Тэв-ную область энергий будет создание Большого Адронного Коллайдера LHC в ЦЕРНе, реализацию которого планируется осуществить в два этапа. Первый этап - это достижение к 2004 году энергии рр - столкновений Ецм. = 9,3 ТэВ и светимости L < 4 х 10" см-2 .с-' , а затем -после установки всех диполей в кольцо - получение к 2008 году Е цН. = 14 ТэВ и L = 1034 см-2.с-1. На ускорительном комплексе ЦЕРНа планируется осуществление режимов столкновения не только протонов, но и тяжелых ионов (А=208), а также ер- и е РЬ - встречных пучков. (C.Lewellyn-Smith, Proc. XXVI Int Int. Conf. on High Energy Phys., Brussels, p.959,1995). Первоочередные эксперименты на встречных рр-пучках LHC нацелены на открытие Хиггс-бозона, а также поиск других новых частиц. Для исследований взаимодействий релятивистских тяжелых ионов ведутся работы по созданию крупной экспериментальной установки ALICE с участием специалистов ЛВЭ ОИЯИ.

Ускорительный комплекс ЦЕРНа после создания LHC будет обладать уникальным набором возможностей, однако существуют фундаментальные проблемы, решение которых выходит за рамки возможностей LHC, и это уже сейчас определяет актуальность разработки проекта адронного коллайдера на существенно большую энергию, чем достижимая на LHC.

В настоящее время ведутся проработки различных предложений адронных коллайдеров на энергию до 2 х 100 ТэВ. Группой ФНАЛ (G.W.Foster and E.Malamud, FERMILAB-TM-1976, Batavia, 1996) предложен новый вариант концепции миниатюрных сверхпроводящих магнитов с полем В=2 Т, формируемым ферромагнитным сердечником для рр-коллайдеров, который с учетом ожидаемого прогресса в технологиях проходки туннелей малого диаметра, робототехнике, разработке и освоении сверхпроводящих материалов, работающих при более высоких чем 4,5 К температурах, рассматривается авторами как наиболее реализуемый.

Оценки основных параметров системы типа Нуклотрона для 100 - Тэвного коллайдера были впервые сделаны автором и представлены на сессии Ученого совета ОИЯИ в январе 1996 года. Дальнейшее развитие проблема создания следующего за LHC адронного коллайдера получила в работе A.M.Балдина и автора [32], представленной на сессии Американского физического общества (Индианаполис, США, 2-5 мая 1996 г.), а затем в докладе на конференции ЕРАС-96 (Барселона, июнь 1996).

IV.2. Супернуклотрон и встречные электрон-ядерные столкновения

Создание комплекса Супернуклотрон с возможностью постановки экспериментов на встречных ер-, еА- и ее/- пучках обеспечивало бы уникальные условия как для исследований ядерной материи в экстремальных условиях (центральные столкновения тяжелых ядер), так и для прецизионных измерений формфакторов адронов и ядер, исследования тонких кварковых эффектов в том числе с использованием поляризованных пучков и мишеней, гиперядерной спектроскопии высокого разрешения и решения ряда других задач.

В составе комплекса предусматривалось создание четырех магнитных дорожек в виде рейстрека с двумя прямолинейными промежутками длиной по 200 м, соединенных полуокружностями радиусом R»200 м, причем размещение оборудования регулярной части ускорительно-накопительной системы планировалось осуществить в тоннеле с диаметром поперечного сечения не более 2-2,5 м, чтобы существенно уменьшить затраты на его сооружение. В качестве инжекционного комплекса предлагалось использовать Нуклотрон и модернизированный инжекционный комплекс, а в прямолинейных промежутках можно было разместить два сверхпроводящих линейных ускорителя - по схеме рециркулятора типа сооружаемого в то время комплекса CEBAF (Ньюпорт Ньюз, США) на энергию электронов 4-И 2 ГэВ. Оценки основных параметров пучков комплекса Супернуклотрон с учетом проектных параметров Нуклотрона и ускорителя электронов приведены в таблице 8 [31].

Таблица 8

Основные параметры пучков комплекса Частицы Энергия И1Ггенсивносгь Энерг. Эмиттансе Светимость

(ГэВ/нукл) (частУс)_разброс ДЕ/Е (рад - м) L (см - • с1)

Протоны, р 12 -1012 Ю-з 10 Л _

Ядра: d 6 -1012 Ю-' 5- ю-'

(dt) —"— (dt-lO'-lO10) —"— —

'С — 101« 2- Ю-з —

238U 4 108-10" —

Протоны, р 120 -1012 1 /цикл 5- 10-4 5- 10-6

Ядра: d 60 -1012 5- Ю-4 2- ю-<>

1:С 60 ~10'° -Ю-з —

23»U 40 108-10« 2,5- Ю-з —

Электроны, е 0,5-4(12) -1015 -10 i 2- 10«

ер eA(A=d,...U) 4<12)х120 (л/л ®44<76)) 4<12)х60(40) 103°-П031 1 ОЗ'Ч 1027

РР 120x120 -ЮЗ'

АА 60x60(40x40) >102<Ч-1027(Д'1Я тяжетых ядер)

Исследование электрон-ядерных столкновений обсуждается в настоящее время как возможная программа развития исследований на ускорительном комплексе HERA (Гамбург, ФРГ)« а также как перспективный режим работы LHC совместно с LEP.

IV.3. Проблемы создания адронных колландеров

на энергию масштаба 100 ТэВ

IV.3.1. Энергия и светимость пучков

Идея достижения все более и более высоких энергий на ускорителях заряженных частиц многие годы мотивировалась поиском новых все более

тяжелых элементарных частиц, существование которых предсказывалось принципами инвариантности. Эта стратегия оправдалась открытием и исследованием ц - мезонов, антипротонов, каонов, Лу, Т, т, 2 и ^частиц. Однако поскольку сечение образования тяжелых частиц в процессе столкновения точечных частиц падает как о ~ 1/т2 (т- масса рожденной частицы), то существенно более высокие светимости сталкивающихся пучков и новые методы регистрации и детектирования необходимы для того, чтобы наблюдать процессы этого типа на коллайдерах следующего поколения. Более реалистичным, отмечалось в [32], представляется исследование множественного рождения бозонов в процессах электрослабого взаимодействия. Изучение этого явления важно потому, что множественное рождение бозонов связано с нарушением закона сохранения суммы барионного (В) и лептонного (Ъ) чисел в Стандартной Модели. Тем самым этот процесс может быть ответственен за бариосинтез при высоких температурах в ранней Вселенной. Сечение процессов с (В+Ь)-нарушением и множественного рождения электрослабых бозонов может быть существенно больше, чем сечение рождения новых тяжелых частиц. Предсказания, содержащиеся в работах, представленных на XXVII Международной конференции по физике высоких энергий (Глазго, 1994), хотя и не дающие точных значений для сечений, сводятся к тому, что энергия

Ео = -1бл = 18 ТэВ ( гпш - масса \У-бозона, а\у - бегущая константа

связи) является пороговой для изменения характера его поведения. При Е> Ео может начаться рост сечения. Если считать, что значение Ео = 18 ТэВ следует относить к пороговой энергии столкновения конституентов (кварков), то минимальная необходимая энергия рр-коллайдера должна быть Е„м > 2x30 ТэВ. Ранее выполненные в ЛВЭ исследования процессов кумулятивного рождения частиц, когда энергия группы частиц в исходном состоянии передается одной частице, показывают, что сечения процессов много—>много и несколько много не малы и их изучение в диапазоне энергий » 30 ТэВ может позволить ограничиться светимостями пучков на уровне Ь « 10" - 1034 см-2 .с '.

IV.3.2. Концепция магнита

Актуальной проблемой реализуемости большого коллайдера является существенное (в 10 раз) снижение удельных затрат на сооружение и эксплуатацию магнитной системы по сравнению, например, с LHC.

Основой магнитной системы LHC являются двухапертурные СП-диполи, типа "cos 0" с рабочим полем В = 8,36 Т, охлаждаемые до Т = 1,9 К. Выбор амплитуды поля продиктован необходимостью получения заданной энергии при заданной длине тоннеля (~27 км) в соответствии с хорошо известным соотношением:

W = 0,3— . <В> . R, (1)

A w

где: W - энергия (ГэВ), <В> - усредненная величина магнитного поля на

Z

орбите (Т), R - радиус кривизны частицы с — = 1 в магнитном поле с

А

напряженностью В.

СП-магниты типа "cos 0" реализуют концепцию использования сверхпроводимости для получения высоких магнитных полей. Эти магниты имеют круговую апертуру (для LHC 0 55 мм) и СП-обмотку, распределенную по поверхности цилиндра, причем чем ближе распределение плотности тока j в зависимости от полярного угла 0 к функции j(0) = jocos п9, тем с большей точностью в рабочей апертуре радиусом ао (ао < го , где го - внутренний радиус проводников обмотки ) воспроизводится "чистое" мультипольное магнитное поле. Для п= 1 - дипольное, для п =2 - квадрупольное и т.д. Геометрия обмотки фиксируется жестким бандажом из немагнитного материала, а ферромагнитный толстостенный цилиндр отнесен на большое расстояние от обмотки и не вносит :ущественного вклада в создание магнитного поля и его пространственное эаспределение. По сравнению со сверхпроводящими магнитами с полем, формируемым "железом", на использовании которых строятся магнитные :истемы типа Нуклотрона, СП-магниты типа "cos 0" обладают следующими недостатками:

- необходима фиксация проводников обмотки с более высокой гочностью;

- рабочая область магнитного поля (г = ао) существенно меньше;

- удельная запасенная энергия и материалоемкость во много раз больше;

- необходимое количество ампер-витков при В < 2 Т в два раза выше.

Прогресс в создании "cos 9"- магнитов с высоким полем может быть

достигнут только с освоением новых типов сверхпроводников, имеющих существенно больший критический ток или более слабую его зависимость от внешнего магнитного поля, но и при этом остаются проблемы сильных магнитных полей и синхротронного излучения.

Идея применения высоких и ультравысоких магнитных полей в циклических ускорителях привлекала многих исследователей. В начале 60-х годов М.Олифант предпринял попытку построить 10-Гэвный слабофокусирующий синхротрон с ведущим полем 8Т. Наиболее нестандартная идея была высказана А.Д.Сахаровым (УФН,т.88, вып.4, стр.725-734, 1956), который предложил "ускорять " заряженные частицы в магнитном поле с напряженностью до 1000 Т, образующимся в процессе компрессии магнитного потока токопроводящей оболочкой в свою очередь сжимаемой подземным ядерным взрывом. Проводились также опыты по созданию миниатюрного "безжелезного" бетатрона с удерживающим полем до 100 Т (А.И.Павловский, ДАН СССР, т. 160, N.1, 1965). Экспериментальный опыт создания крупномасштабных СП-магнитных систем ограничен величиной В=4,5-4,7 Т.

Влияние синхротронного излучения в адронном коллайдере на энергию десятки ТэВ с высоким магнитным полем значительно. Расчеты, сделанные для LHC (CERN 91-05, Geneva 1991), показывают, что при L=2- 10« см 2 с1 и Е=7,7 ТэВ суммарная мощность потерь составит я 10 кВт на каждый пучок. Эту мощность (я 2 Вт/м) надо рассеивать на уровне 5-10 К системой тепловых экранов, устанавливаемых в апертуре, чтобы поддерживать температуру обмотки на уровне 1,9 К. В случае использования магнитов типа LHC в ускорителе на энергию 100 ТэВ осуществить отбор выделяемого тепла, учитывая при этом и требование минимизации размеров магнитов, материалоемкости и др. факторов, практически невозможно. Синхротронное излучение становится практическим пределом для использования магнитов типа cos9 с холодной апертурой при энергии пучков протонов Е= 25-30 ТэВ и выше и светимостях L я 1014 см 2.с'.

Изложенные выше соображения и количественные оценки подтверждают перспективность использования в новом большом ускорителе на энергию 30-100 ТэВ миниатюрных сверхпроводящих магнитов с полем В ~ 2 Т, формируемым ферромагнитным сердечником. ЛВЭ ОИЯИ является пионером в создании, испытании и широкомасштабном применении магнитов этого типа. Параметры первых образцов СП-магнитов с магнитопроводом типа "оконная рама", изготовленных в ЛВЭ ОИЯИ, приведены в таблице 4. Магнит погружного типа, разработанный И.А.Шелаевым, имел однослойную обмотку из сверхпроводящего кабеля сечением 0,92 х 3,8 мм2 и апертуру 55x55 мм2. Криостатирование осуществлялось погружением магнита в жидкий гелий. Эффекты насыщения ярма не оказывали существенного влияния на однородность магнитного поля в рабочей апертуре вплоть до значений индукции В=1,8 Т. Магнит А.А.Смирнова ("трубчатый") это прототип диполя Нуклотрона. На магнитах погружного типа в ЛВЭ был создан модельный 1,5 ГэВный синхротрон СПИН, экспериментальные исследования которого дали большое количество данных, необходимых для проектирования Нуклотрона и работы с протяженными сверхпроводящими системами.

Таблица 4

Параметры первых образцов СП-магнитов с магнитопроводом типа "оконная рама" .разработанных в ЛВЭ ОИЯИ

Параметр ед. изм. Погружного типа Трубчатый

Максимальное поле Т 2,5 2,37

Критический ток А 2600 7380

Запасенная энергия кДж/м 10,0 12,5

Магнитопровод:

поперечное сечение мм 130x140 180x150

размеры окна мм 67x55 91 х 55

вес тонн/м 0,091 0,167

Обмотка:

число витков 48 16

индуктивность мГн/м 3,5 0,45

плотность тока в кА/см2 37,8 12,4

обмотке

Оптимизацию СП-магнитов с полем, формируемым "железом", с целью получения максимально большой рабочей области апертуры в максимально большом динамическом диапазоне полей, автор рассматривал как одну из актуальных проблем, решение которой необходимо для создания высокоэффективных

магнитных систем ускорителен нового поколения. В цикле работ 1979-82 гг. автором совместно с М.А.Воеводиным [33] была развита методика, проведены экспериментальные исследования и прецнзнонные измерения основных параметров серии СП-магнитов на уровне 0,025*0.05 Т. Проведенные исследования совместно с компьютерным моделированием позволили оптимизировать конфигурацию СП-обмотки для получения полей высокой однородности в СП-магнитах СПИНа [34].. Исследования, проведенные автором, показали, в частности, что даже в СП-магнитач с полем, формируемым железом, необходима коррекция на уровне 0,1-0,2мм положения СП-обмоток относительно полюсов, чтобы свести к заданному допуску амплитуды "косых" дипольной и квадрупольной составляющих [5].

Автором впервые было предложено использовать локальное шиммирование полюсов, обычно выполняемых как и все ярмо из электротехнической стали, тонкими полосками диспрозия, подвергнутого предварительной специальной обработке, т.н. магнитно ориентированного. При температуре 4,5 - 10 К этот материал имеет индукцию насыщения В* = 3,7 Т (теоретический предел). Первые оценки опубликованы в работе [35] совместно с С.А.Аверичевым. Образец материала был подготовлен В.Н.Степанкиным и испытан на стенде в ЛВЭ в полях до 6Т. Индукция насыщения образца магнитно-ориентированного диспрозия оказалась В* = 3,3 3.5 Т. Компьютерное моделирование влияния диспрозиевых шимм толщиной = 1.5 мм в СП-диполе погружного типа , геометрические размеры которого приведены в таблице 4, показало подавление секступольной составляющей магнитного поля примерно на порядок величины при амплитуде поля В= 2,7 Т. Эти расчеты были выполнены З.В.Борисовской. Естественно, для рекомендаций использования диспрозия, а не других известных методов компенсации эффектов насыщения железа на распределение поля, необходимы дальнейшие исследования.

1У.З.З. Крногенно-машитная система типа Нуклотрона для коллавдера

на энергию 2x100 ТэВ

На основании экспериментальных данных, полученных при исследовании СП-магнитной системы Нуклотрона в первых десяти сеансах ее работы, результатов разработки и исследования СП-магнитов с полем до 2-2,5 Т в ЛВЭ ОИЯИ, автором

совместно с Г.Г.Ходжибагияном и Н.Н.Агаповым был сделан следующий шаг в определении параметров криогенно-магнитной системы типа Нуклотрона для коллайдеров на энергию ЕцМ. ~ 2x100 ТэВ. Результаты приведены в таблице 5 и опубликованы в работе [36]. На данном этапе детальной проработки магнитной структуры кольца не проводилось, считалось, что заполнение магнитной дорожки отклоняющими магнитами близко к 90%.

Таблица 5

Параметры СП-магнитной системы типа Нуклотрона на энергию 2 х 100 ТэВ

Периметр 1000 км

Общая "холодная" масса 60 ктонн

Диаметр вакуумного кожуха 0,28 м

Общая рефрижераторная мощность 500 кВт

Время охлаждения -140 час

Сегментация кольца:

число криомодулей 100

единичная мощность на уровне 4,5 К 5 кВт

число ветвей в модуле 2

число магнитов в ветви 100

сечение гелиевых коллекторов прямой/обратный 55/108 см2

Магнит:

максимальное поле 2,2 Т

физическая длина -50 м

апертура (гориз./вертик.) 30x20 мм

запасенная энергия 3,2 кДж/м

индуктивность -3,0 мкГн/м

число витков в обмотке 1

максимальный ток возбуждения 34 кА

рабочая температура 4,7-4,4 К

охладитель двухфазный гелий

Расчеты проводились для СП-магнита, имеющего две апертуры, объединенные общим магнитопроводом "два-в-одном". Вертикальный

размер "окна" принят равным Ь = 20 мм, а горизонтальный - а= 35 мм. Выбор размеров окна основан на следующем:

1. Рабочая область поля не менее 80 85% размеров окна;

2. Толщина СП-обмотки с учетом ее электроизоляции и экрана составляет ~ 4 6 мм;

3. Суммарно факторы, определяющие необходимые размеры апертуры такие как среднеквадратичные размеры пучка при инжекции, искажения равновесной орбиты, смещения элементов, механические шумы, саггита, оцененные по известным данным для ЬНС и ББС, дают для минимальных размеров необходимой динамической полуапертуры коллайдера значения 9 мм (горизонт.), и 7,5 мм (вертик.). Из п. 1,2 следует, что рабочая область в СП-магните будет составлять 17 мм по вертикали и 21,6 мм - по горизонтали. Таким образом, резервируется еще »3,5 мм в горизонтальной плоскости.

Параметры СП-обмотки рассчитывались на основании экспериментальных данных для стандартного сверхпроводника на основе сплава ЫМл (50/ 50%), стабилизированного медью, из которого изготовлены обмотки СП-магнитов Нуклотрона. Конструктивная плотность тока соответствует реально освоенному уровню ) = 50 кА/см2. Охлаждение обмотки до рабочей температуры обеспечивается ее тепловым контактом с плоскостью ярма, которое охлаждается до 4,5 К прямым потоком двухфазного гелия, проходящего через коллектор суммарным сечением 55 см2. Сегментация кольца с точки зрения криогеники принята исходя из экспериментально проверенной на Нуклотроне. Длина СП-диполя соответствует общей длине трубчатого СП-кабеля (» 50 м) полуобмотки СП-диполя Нуклотрона. Суммарные удельные теплопритоки к СП-магнитам определены также на основании испытаний магнитно-криостатной системы Нуклотрона с учетом дальнейшей миниатюризации сечения, уменьшения поверхности охлаждаемой массы, а также совершенствования конструкции. Их величина принята равной <3 = 0,5 Вт/м. Модуль криогенно-магнитной системы длиной 10 км включает в себя 200 СП-дипольных магнитов. Возбуждение магнитов осуществляется плоской СП-шиной, несущей

ок ~ 34 кА, необходимый для получения в рабочем зазоре магнитного поля с ндукцией до В = 2,2 Т.

Необходимо отметить, что в рассматриваемом варианте возбуждения (агнитов для структуры синхротрона с разделенными функциями [редполагается универсальность питания СП-диполей и СП-квадруполей, а акже возможность независимого изменения направления ведущего шгнитного поля в рабочих зазорах, что обеспечивает пригодность (агнитной системы к режиму работы как с частицами одного знака заряда, 1апример, рр-столкновения, так и противоположного (рр-столкновения), /ниверсальность питания СП-диполей и СП-квадруполей регулярный труктуры кольца означает, что в первом приближении необходимое оотношение между полем в диполях и градиентом в квадрупольных линзах >беспечивается выбором их эффективных длин при условии гаследовательного включения в единую СП-шину с транспортным током а 34 кА, а точный выбор рабочей точки осуществляется, например, траллельным подключением маломощных регулируемых источников тока к свадрупольным линзам.

Предложенная концепция СП-магнитов типа Нуклотрона для 100 ТэВ-юго коллайдера допускает не только применение высокотемпературных :верхпроводников, но и оперативный переход на новый тип плоского СП-сабеля с более высокой рабочей температурой практически без изменения сонструкции магнита.

Сравнительные характеристики СП-магнитных систем типа Нуклотрона и типа "со50" приведены в таблице 6. В колонке "Н" указаны данные, взятые из таблицы 5, характеризующие систему типа Нуклотрон с магнитным полем 2,2 Т, в колонке "V - систему типа "собО" с полем В=8,36Т, а в колонке - "И." - отношение Ь/Н. Рабочая область магнитного поля в обоих случаях имеет близкие значения. Параметры системы типа "со50" были получены из опубликованных экспериментальных и проектных данных для ЬНС. Учитывая имеющиеся на данный момент неопределенности в величинах, точность приведенной оценки составляет (15 ч- 20)% .

Значения в колонках "Н" и"Ь" взяты для двухапертурных магнитов т.е. приведенные данные характеризуют затраты на получение Ецм = 2 ТэЕ для рр(рр) - столкновений.

Таблица 6

Параметр Ед. измерения Н ь К

Вес железа, включая бандаж тонн/ТэВ 600 4300 7,2

Вес сверхпроводника (МЬТО тонн/ТэВ 2 57 28,5

Наружный диаметр криостата м 0,28 0,98 3,5

Запасенная энергия:

на ед. длины кДж/м 6 493 82

на сд. энергии пучка кДжУТэВ 6- 10< 1,9- 10' 32

Индуктивность СП-обмотки мГн/м 0,006 7,3 1200

Охлаждаемая масса кг/ТэВ 600 4300 7,2

Мощность охлаждения

на уровне 4,5К кВг/ТэВ 5 343 69

на уровне 1,9К кВт/ТэВ — 1,8 —

Скорость охлаждения К/час 3 0,5 6

Длина магнитной дорожки км/ТэВ 10 3,8 0,38

Из таблицы 6 следует, что использование СП-магнитной системы тип; Нуклотрона в коллайдерах сверхвысоких энергий решает проблем; многократного уменьшения удельных затрат на создание ] энергопотребление ускорительно-накопительной системы. В еще больше! степени очевидны её преимущества в вопросах безопасности эксплуатаци) (малая запасенная энергия и предельно малая индуктивность СП-обмотки), ; также простоты изготовления. Результатом применения сверхпроводнико; нового типа с Тс = 20 К или Тс = 80 К в случае освоения технологии и: массового производства с устойчивыми и воспроизводимым]

характеристиками явится дальнейшее сокращение потребляемой электрической энергии, т.е. сокращение эксплуатационных расходов. При этом также следует отметить, что вероятность создания и освоения высокотемпературных сверхпроводников, имеющих достаточно большой критический ток в полях « 2 Т выше, чем в полях (8 * 12)Т.

На основании сказанного автор считает актуальным создание и экспериментальное исследование образцов сверхминиатюрных двухапертурных СП-магнитов типа Нуклотрона.

1У.4. Выводы

Состояние проблемы создания следующего за ЬНС адронного (ядерного) коллайдера на энергию до 2x100 ТэВ на данном этапе представляется следующим:

1. Концепция миниатюрных сверхпроводящих магнитных систем типа Нуклотрона с полем В=2+2,2 Т позволяет более чем в 10 раз снизить удельные затраты на создание и эксплуатацию ускорительно-накопительных систем. Опыт и экспериментальные данные, полученные при эксплуатации Нуклотрона в ЛВЭ ОИЯИ подтверждают это. Использование сильных магнитных полей (В = 8,5-4-12,5 Т) при создании синхротронов/коллайдеров ТэВ-ного диапазона сопряжено с чрезвычайно большими техническими трудностями и затратами.

2. Создание сверхпроводящей электрической линии с током 30-50 кА, уложенной в длинном (и 1000 км) подземном тоннеле, на основе которой может быть построена магнитная система, в гораздо большей степени связано с развитием технологий, отвечающих запросам общества, чем разработка уникальных СП-магнитов с полем 10-И 2 Т, имеющих ограниченную область применения.

3. Затраты на строительство длинного подземного тоннеля малого сечения также не являются неоправданными, поскольку способствуют развитию важных для промышленности технологий и созданию межрегиональных линий коммуникаций, устойчивых к различного рода внешним воздействиям.

4. Экономия средств достигается также при использовании существующих ускорителей протонов (ядер) на энергию масштаба 1 ТэВ, необходимых в качестве инжекторов.

5. Предложенные системы в ЛВЭ ОИЯИ и ФНАЛ принципиально реализуемы, однако требуются детальные проработки и оптимизация:

- физической проблематики, необходимых светимостей и энергии;

- динамики пучков, магнитной структуры, более детального анализа необходимой динамической апертуры ускорителя;

- конфигурации СП-магнитов с полем, формируемым "железом";

- высокоэффективных крупномасштабных криосистем, технологии сверхпроводников и др.вопросов.

V. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании вышеизложенного автор считает, что полученные результаты являются новым шагом в решении актуальных проблем исследования релятивистских ядерных столкновений, развитии экспериментальной и методической базы релятивистской ядерной физики.

Основания для этого вывода следующие:

1 .Осуществлен ввод в действие Нуклотрона - первого сверхпроводящего синхротрона, построенного на миниатюрных сверхпроводящих магнитах с полем, формируемым ферромагнитными сердечниками. Проведено десять сеансов его работы, получены новые физические результаты в исследовании переходной области в ядро-ядерных взаимодействиях при энергиях 0,2 - 2,2 ГэВ/ нуклон с использованием тонкой внутренней мишени.

2. На ускорительном комплексе ЛВЭ ОИЯИ созданы и использованы в физических экспериментах новые пучки релятивистских частиц, развиты подходы для новых актуальных исследований и расширения возможностей использования пучков:

—впервые получены и ускорены ядра "Б, 40Аг, 84Кг;

—создан новый канал уникальных вторичных пучков поляризованных нейтронов, на котором впервые проведен прямой эксперимент по

«следованию взаимодействия продольно поляризованных нейтронов и 1родольно поляризованных протонов в области энергий налетающего 4ейтрона 1,2 + 3,65 ГэВ;

—разработан и исследован источник нейтронов с жестким спектром и тотоком «Ю14 нейтронов/см2 в сутки на основе пучков протонов и дейтронов i толстых мишеней для моделирования радиационных повреждений сомпонент детекторов экспериментальных установок на коллайдерах с эольшой светимостью;

—впервые показаны возможности генерации потока быстрых 1ейтронов на внутреннем пучке Нуклотрона;

—разработана концепция, проведено моделирование вывода пучков релятивистских ядер из Нуклотрона с помощью изогнутых кристаллов, сремния и вольфрама.

3.Развита техника регистрации релятивистских ядерных ззаимодействий в условиях 4я - геометрии:

—создана не имеющая аналогов установка "СЛОН" для исследований релятивистских ядерных столкновений методом фотоэмульсий в импульсном лагнитном поле с напряженностью до 50Т и проведены первые методические :еансы ее работы на пучках синхрофазотрона;

—впервые на пучках релятивистских ядер синхрофазотрона 1Спользована методика пластиковых трековых детекторов для изучения фоцессов фрагментации ядер, получены новые данные по сечениям фрагментации ядер |60 в диапазоне энергий от 0,9 до 200 ГэВ на различных дишенях, включая водород.

4.Предложена концепция ускорительного комплекса - коллайдера >елятивистских электронов и ядер.

5.Развито направление создания экономичных сверхпроводящих инхротронов/коллайдеров на основе миниатюрных СП-магнитов с полем, Ьормируемым ферромагнитными сердечниками, при этом:

—реализованы новые способы коррекции магнитного поля в 1алоапертурных СП-магнитах;

—предложено использование магнито-ориентированного диспрозш для расширения динамического диапазона рабочих полей до ~ЗТ;

—разработана концепция криогенно-магнитной системы тип; Нуклотрона для адронного синхротрона/коллайдера на энергию 2x100 ТэВ которая обеспечивает реализуемость коллайдеров следующего поколения i дальнейшую перспективу исследований ультрарелятивистских адронных i ядерных столкновений.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. A.M.Baldin,S.A.Averichev,Yu.D.Beznogikh,...,A.D.Kovalenko et al Nuclotron Status Report. IEEE Trans. Nucl.Sci.,1983, v.NS-30,№.4 p.3247-3249.

2. А.Д.Коваленко. От синхрофазотрона к нуклотрону. Труды VII Международного семинара по проблемам физики высоких энергий (Дубна, 19-24 июня 1986). Т.Н. Д1, 2-86-668, Дубна, 1987, с.324-333.

3. A.A.Smirnov, A.M.Baldin, A.M.Donyagin,..., A.D.Kovalenko et al. A Pulsec Superconducting Dipole Magnet for the Nuclotron. Intern. Conf. on Magne Technology (8th, Sept.5-9. 1983, Grenoble,France. J.Physique, 1984, T.45 Coll. CI, Suppl.№l, p.Cl-279 - Cl-282.

4. A.M.Baldin,...A.D.Kovalenko et al. Superconducting Fast Cycling Magnet of the Nuclotron. IEEE Trans, on Appl. Superconductivity, v.5,No.2 p.875-877, (1995).

5. А.М.Донягин, И.А.Елисеева, А.Д.Коваленко. Анализ и коррекци: погрешностей магнитного поля СП-диполей нуклотрона. Сообщена ОИЯИ Р9-88-644, Дубна, 1988.

6. А.М.Донягин, А.Д.Коваленко, О.С.Козлов, В.А.Михайлов А.А.Смирнов. Анализ результатов магнитных измерений дипольных i квадрупольных магнитов нуклотрона. Препринт ОИЯИ Р9-94-329 Дубна, 1994. Сб.докладов "XIV Совещание по ускорителям заряженны: частиц" (Протвино,окт.1994) Протвино, 1994,т. 4,с.77-82.

7. A.Kovalenko. Nuclotron and Prospects for New Generation о Superconducting Accelerators. XIII Int. Seminar on High Energy Physic Problems. Relativistic Nuclear Physics & Quantum Chromodynamics (Dubna, Sept.,1996) JINR El,2-96-314, p.149.

8. A.D.Kovalenko. First Results from the Nuclotron. Proc. of the Intern. Europhys.Conf. on High Energy Physics (HEP 93,Marseille, France, Jul.,1993). Gif-sur-Yvette: Ed.Frontieres, 1994, p.356-357.

9. A.M.Baldin,...A.D.Kovalenko et al. JINR Rapid Communications No 4[61]-93, p. 13-17, Dubna, 1993.

10. A.D.Kovalenko. Status of the Nuclotron. EPAC'94. Fourth European Particle Accelerator Conference (London, England, Jun. Jul., 1994). Singapore:World Sci.Vol.l (1994)p. 161-164.

11. A.M.Baldin,..A.D.Kovalenko et al. Nucl.Phys. A583, p.637-640, (1995).

12. A.D.Kovalenko. Nuclotron: First Beams and Experiments at the Superconducting Synchrotron in Dubna. In: Proc.Int.Symposium 50th Anniversary of the Discovery of Phase Stability Principle (Dubna, July, 1994) JINR/Lebedev Phys.Institute, (1996), p.44-55.

13. I.B.Issinsky, A.D.Kovalenko, V.A.Mikhailov et al. Polarized Deuterons Acceleration in Nuclotron. In: Proc. Ill Int.Symposium "Deuteron-95" (Dubna, 4-7 July 1995) JINR, 1996, p. 169-176.

14. A.D.Kovalenko, V.A.Mikhailov, A.M.Taratin, E.N.Tsyganov. Design Concept and Computer Simulation of Nuclotron Beam Extraction System with a Bent Crystal. JINR Rapid Communications N6 (1993) p. 13-23.

15. A.D.Kovalenko et al. Bent Tungsten Crystal as Deflector for High Energy Particle Beams. JINR Rapid Cummunications N4 (1995) c. 9-18.

16. A.D.Kovalenko, A.M.Taratin, E.N.Tsyganov. Crystal Deflector for Relativistic Ion Colliders. JINR communication El-92-8, Dubna, 1992,

17. A.D.Kovalenko et al. The First Run with 32S Relativistic Nuclei at the LHE Accelerating Facility in Dubna. JINR Rapid Communications N2 (1993) p.53-55.

18. A.D.Kovalenko. First Beams and Experiments at the Nuclotron. Proc. 17th Int. Conference "Nuclear Tracks in Solids" (Dubna, August, 1994). Radiation Meas.Yol.25, NS 1-2, pp.289-292, Pergamon Press 1995.

19. V.P.Ovsyannikov, V.S.Alfeev, V.M.Drobin, A.D.Kovalenko, Yu.I.Romanov. The Experimental Research of EBIS "KRION-C" for LHE Accelerating Facility in Dubna. Proc. of the 5th Intern.Conf. on Ion Sources (Beijing, China,Aug.-Sept., 1993). Rec.Sci.Instrum. v.65, N4,Part II (1994) p.l 133-1134.

20. B.P.Adiasevich,V.G.Antonenko,...A.D.Kovalenko et al. Measurement of the Total Cross Section Difference Доь in np-Transmission at 1.19, 2.29 and 3.65 GeV. Service de Physique des Particules. DAPNIA/SPP 96-03, Saclay, January 1996. Zeitschrift fur Physik CI 1 (1996), p.65-74.

21. А.С.Артемов, В.М.Дьяченко, А.Д.Коваленко. Потенциальные возможности генерации потока быстрых нейтронов на внутреннем пучке Нуклотрона. Международный Симпозиум "Пучковые технологии" (Дубна, февр.-март 1995).Препринт ОИЯИ Р9-95-242, Дубна, 1995.

22. A.D.Kovalenko, Yu.A.Panebratsev, V.I.Yurevich. Spallation Neutron Source with Hard Energy Spectrum for Detector Component Testing at the Dubna Synchrophasotron. JINR Rapid Communications Nl(1994)p.l2-25.

23. С.А.Аверичев, Б.П.Банник, Н.А.Блинов,...,А.Д.Коваленко и др. Установка для облучения ядерных фотоэмульсий в магнитном поле с индукцией до 100 Тл. Сообщение ОИЯИ Р1-89-649, Дубна, 1989.

24. А.Д.Коваленко, И.М.Карпова, В.В.Титков. Численный анализ деформаций и ресурса импульсного соленоида установки "СЛОН". Сообщение ОИЯИ Р13-91-515, Дубна, 1991.

25. А.Д.Коваленко, В.В.Титков. Расчет двумерного импульсного электромагнитного поля катушки эмульсионного детектора комбинированным методом. Сообщение ОИЯИ Р1-91-88, Дубна, 1991.

26. А.Д.Коваленко, В.И.Каплин. Коаксиальный кабельный коллектор для подвода больших импульсных токов к магниту. ОИ.,1992, N.29 а.с. 1753536, с.208.

27. К.Д.Толстов, А.Д.Коваленко. Исследование механизма неупругих взаимодействий релятивистских ядер методом фотоэмульсий с использованием сильного магнитного поля. (СЛОН).В сб. "Предложения по программе Лаборатории высоких энергий в 1991-95". ОИЯИ Р 1,2-89-631, Дубна, 1989, с.79-82.

28. M.I.Tretyakova, A.D.Kovalenko. Investigation of Nucleus-Nucleus Interactions by Means of Emulsions Exposed in Pulsed Magnetic Fields of 3050 T at the Nuciotron. Proc. 17th Intern.Conf."Nuclear Tracks in Solids"