В Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ продолжается сооружение коллайдера NICA. Работа нацелена на инжекцию пучка в кольца коллайдера в конце этого – начале следующего года. Параллельно проводится работа по развитию инжекционного комплекса коллайдера и сооружению новых станций для прикладных исследований на выведенных из Нуклотрона пучках, а также, что немаловажно, организуется обучение операторов, которые будут управлять ускорительным комплексом в будущем. Обучение позволит значительно уменьшить количество сотрудников, необходимых для поддержания работы ускорительно-накопительного комплекса, что высвободит ресурсы для его дальнейшего развития.

Инжекционный комплекс NICA

О состоянии дел и ходе работ по развитию инжекционного комплекса NICA рассказал в интервью пресс-центру ОИЯИ заместитель начальника Ускорительного отделения ЛФВЭ по научной работе Валерий Лебедев.

— Валерий Анатольевич, расскажите, пожалуйста, какие результаты были достигнуты в течение прошлого сеанса на NICA и какие масштабные задачи стоят сейчас перед командой инжекционного комплекса?

— С октября 2023 по начало февраля 2024 года мы провели 4-й сеанс пусконаладочных работ инжекционного комплекса NICA. Он позволил испытать и ввести в эксплуатацию все системы комплекса, которые планировалось включить. В дополнение к наладке и оптимизации ускорителя мы также доставляли ионы для эксперимента BM@N, что позволило им набрать статистику, хотя и меньшую обещанной, но рекордную для тяжелых ионов и достаточную для получения новых физических результатов. Было записано более полумиллиарда событий. Формально сеанс был успешным, но теперь для успешной работы коллайдера нам нужно увеличить производительность инжекционного комплекса хотя бы раз в 50, а лучше в 100 в сравнении с интенсивностью, достигнутой в 4-м сеансе. Я бы сказал, что наше главное достижение в четвертом сеансе – это формулирование целей и задач для дальнейшей работы. Увеличение интенсивности инжекционного комплекса будет достигнуто, во-первых, накоплением ионов при инжекции в Бустер с использованием электронного охлаждения и, во-вторых, уменьшением потерь при ускорении ионов и их перепусках между ускорителями.

В прошедшем сеансе пусконаладочных работ на инжекционном комплексе NICA электронно-лучевой источник ионов КРИОН-6Т показал устойчивую работу, но тем не менее не достиг интенсивности, которую ожидали много лет назад, когда началось его сооружение. Недостаток интенсивности ионов в ионном источнике будет скомпенсирован при помощи установки электронного охлаждения, которая уже продемонстрировала успешную работу в Бустере и позволит осуществлять накопление пучка. Ожидается, что мы можем накопить в Бустере порядка 10 инжекций, что займет около 1 секунды и увеличит длительность ускорительного цикла с 4.5 до 5.5 секунд. Таким образом, период удлинится незначительно, интенсивность же повысится в ~10 раз и достигнет максимальной величины, которую может «переварить» Бустер.

КРИОН-6Т (слева) и начало линейного ускорителя тяжелых ионов (справа)

Оставшийся фактор ~10 должен быть получен с помощью упомянутой выше минимизации потерь. Чтобы минимизировать потери, нам нужно решить несколько проблем, из которых я перечислю здесь три главные. Первое: провести коррекцию орбиты с тем, чтобы пучок всегда двигался по центру вакуумной камеры. Второе: увеличить энергию перепуска из Бустера в Нуклотрон, что позволит увеличить как эффективность перепуска, так и эффективность обдирки ионов – до «голых» ядер. И третье: построить оптимальную зависимость скорости подъема поля от времени, чтобы исключить потери пучка, связанные с недостаточным напряжением ускоряющих резонаторов. Другими словами, скорость подъема ведущего магнитного поля должна учитывать ограничения ВЧ-системы. Это относится как Бустеру, так и Нуклотрону. Мы ожидаем, что эта работа снизит потери с уровня около 90–95 % до уровня меньше 50 %. Замечу, что из этих 50 % около половины связаны с процессом обдирки. Дальнейшее уменьшение потерь обдирки потребовало бы значительного увеличения энергии Бустера, то есть нового Бустера; а вот за оставшуюся половину мы можем побороться в будущем.

— Для каких задач, помимо работы эксперимента MPD, потребуется такая статистика набранных событий?

— Замечу, что в последнем сеансе ПНР мы подстраивали скорость медленного вывода пучка до максимальной, которую мог использовать эксперимент BM@N. Дальнейшее увеличение интенсивности приводило к временному перекрытию событий и потере информации. При этом максимальная интенсивность, которую мог доставить ускоритель, только слегка превышала интенсивность, которую мог принять детектор. Если в будущем мы увеличим производительность инжекционного комплекса на два порядка, это откроет новые возможности и поставит новые задачи перед экспериментами, располагающимися в 205 корпусе ЛФВЭ. Если в дальнейшем частиц будет в сто раз больше, значит, откроется возможность нового класса экспериментов, в которых интенсивность пучка будет значительно выше. Наша насущная задача – формулирование сильной и современной программы, соответствующей мировому уровню.

Коллайдер будет использовать только 10–20 % времени работы инжекционного комплекса. Это означает, что в остальное время инжекционный комплекс может быть использован для экспериментов в 205 корпусе. В отличие от коллайдера, который будет использовать быстрый однооборотный вывод из Нуклотрона, эти эксперименты будут использовать медленный вывод. Чтобы максимально эффективно использовать инжекционный комплекс, нам необходимо иметь по крайней мере еще один ионный источник ионов для инжекции пучка в Бустер. Это позволит одновременно использовать два разных типа ионов и переключение с одного типа на другой должно занимать меньше минуты. Это может быть как лазерный источник, который хорошо работает с ионами средней массы, так и источник с электронно-циклотронным резонансом, который позволит получать интенсивные пучки высокозарядных ионов. Наличие двух источников позволит снабжать разными сортами ионов не только коллайдер и BM@N, но и разные эксперименты в 205-м корпусе, которые будут проходить практически одновременно.

Линейный ускоритель тяжелых ионов (HILAC)

— Намечены ли уже идеи таких научных задач?

— Научный руководитель Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ академик РАН Юрий Цолакович Оганесян выдвинул предложение провести на NICA серию экспериментов, дополняющих эксперименты, проводимые в ЛЯР, но проводимых на значительно большей энергии, до 500 МэВ/нуклон. В частности, мы изучаем возможности по получению и регистрации ядер гелия-12, которые еще не наблюдались, но, по некоторым соображениям, могут существовать. Может ли существовать гелий-12 – пока не известно, это предлагается проверить в эксперименте. Для этого эксперимента необходим другой ионный источник, чем для коллайдера. Это подчеркивает необходимость иметь второй ионный источник на линаке для тяжелых ионов. Детали эксперимента и мишенной станции еще требуют проработки.

Хотелось бы также упомянуть, что в дополнение к детектору MPD на коллайдере NICA будет установлен детектор SPD, который начнет работу на несколько лет позже MPD. В настоящее время ЛФВЭ имеет неплохую экспертизу по получению поляризованных ядер водорода и дейтерия. Нашей насущной задачей является развитие как экспертизы и экспериментальной базы для работы с легкими поляризованными ядрами, так и соответствующей физической программы. Несмотря на то, что работа с тяжелыми ядрами, без сомнения, является самой приоритетной, мы ни в коем случае не должны забывать о развитии поляризованной программы. Здесь лишь замечу, что обсуждение этих проблем является предметом для другого интервью.

— Могут ли потребоваться изменения в структуре управления ускорительным комплексом?

— В течение четырех сеансов пусконаладочных работ, проведенных на инжекционном комплексе NICA, большая часть коллектива Ускорительного отделения ЛФВЭ выходила в смены. Каждое подразделение поддерживало работоспособность своего оборудования. В результате в каждой 12-тичасовой смене участвовало более чем по 20 человек. Это заметно замедляло всю остальную деятельность Отделения. Запуск двух колец коллайдера увеличивает количество оборудования в разы. Соответственно, использование такого же стиля работы потребует такого числа людей, необходимого для поддержания работы установки, которое превысило бы количество персонала в отделении. Кроме того, работа коллайдера подразумевает его круглогодичную работу с перерывом на 2-3 месяца для ремонта и улучшения/развития оборудования. Между тем, мировой опыт показывает, что даже ускорительный комплекс большего размера может управляться сменой в 4-5 высококвалифицированных сотрудников. Поэтому сейчас в целях оптимизации работы коллектива Отделения планируется создать отдельное подразделение из числа специально обученного персонала. Всего около 20 человек будут обслуживать ускорительный комплекс в сменах уже не по 12, а по 8 часов; еще около 10 человек будут посменно управлять работой криогенной системы. При этом большая часть сложной работы по настройке коллайдера и ремонту его систем так же, как и сейчас, будет производиться подразделениями, ответственными за эти системы. Переход на этот новый стиль работы займет продолжительное время – около года – и будет достаточно болезненным; но в будущем это позволит значительно увеличить нашу эффективность.

Осенью 2023 года сотрудники Ускорительного отделения подготовили и прочитали курс для начальной подготовки операторов ускорительного комплекса. Курс включал 22 лекции, основная цель которых была показать, как в настоящее время управляется и работает ускорительный комплекс. Представленный материал не требовал глубоких знаний ускорительной физики и был направлен именно на те знания, которые нужны операторам. Количество сотрудников, посещавших лекции, значительно превышало нужное нам количество операторов. Мы рассматриваем это как очень хороший отклик коллектива на будущие вызовы, которые мы увидим, как только коллайдер начнет работать. Дальнейшая подготовка операторов будет проходить на рабочем месте. Первые пять человек уже включились в этот процесс и осваивают управление ионным источником и линаком (HILAC). В дальнейшем, по мере включения установки в работу, мы будем подключать дополнительных сотрудников, желающих работать операторами. Я приглашаю всех заинтересованных связаться для этого со мной или Анатолием Олеговичем Сидориным. Управление ускорительным комплексом требует большого количества специфических знаний, и этого невозможно добиться без написанных и проверенных на рабочем месте инструкций. В связи с этим ответственным за разные зоны ускорительного комплекса необходимо написать инструкции по настойке и поддержанию работы их оборудования. Это достаточно длительный процесс, потому что каждая инструкция должна быть опробована будущими операторами NICA на практике. Повторюсь, мы сделали аудиторию наших лекций максимально широкой, чтобы приходили все желающие сотрудники, даже те, кто не собирается быть оператором. Главная цель обучения – сделать коллектив взаимодополняющим, работающим слаженно, дружно и эффективно.