Основной принцип экспериментов в физике высоких энергий – чем больше плотность частиц, тем выше качество исследования. Эксперименты могут проходить в колладйере, где пучки частиц соударяются друг с другом, а также в результате столкновения со статичной мишенью. Но в обоих случаях эффективность зависит от плотности потока ионов: чем сильнее сжаты пучки, тем больше физики наберут статистических данных. И поскольку еще из школьной программы мы знаем, что температура тесно связана с расширением объекта, то и сжатие пучка завязано на его охлаждение.
«Например, рекордный эмитенс, которые предполагается получить в СКИФе – это и есть хорошо охлажденный пучок», - пояснил заместитель директора Института ядерной физики СО РАН по научной работе Евгений Левичев.
Для ускорителей, которые работают с пучками из легких частиц, механизмом охлаждения выступает само синхротронное излучение, а вот для тяжелых частиц (к которым относятся ионы) такого механизма в природе нет. Их приходится создавать. Первый предложили в ЦЕРН – это метод стохастического охлаждения, за изобретение которого была вручена Нобелевская премия.
Второй метод – электронного охлаждения - придумал еще в прошлом веке основатель и первый директор Института ядерной физики, академик Г.И. Будкер. Он предполагает, что к горячему. Рыхлому пучку ионов добавляют пучок охлажденных электронов, которые двигаются с той же скоростью. В результате, электроны, нагреваясь – охлаждают ионы, обеспечивая необходимое сжатие пучка.
«Электронные системы охлаждения открыли настолько широкие перспективы, что в настоящее время ионные накопители без них практически не используются», – подчеркнул Левичев.
Однако речь в данном случае идет о зарубежных научных центрах. В Российской Федерации электронное охлаждение в ядернофизическом эксперименте использовалось впервые в эксперименте BARIONIC MATTER @ NECLOTRON, в результате совместной работе специалистов Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ).
Этот эксперимент стал частью проекта тяжелоионного коллайдера NICA в ОИЯИ (Дубна), где предполагается изучение взаимодействия заряженных частиц в области низких и средних энергий, важные для понимания их внутренней структуры. NICA будет предназначена для изучения ионной материи в сверхэкстремальном состоянии, которое было характерно для материи в самые первые пикосекунды после Большого взрыва, а сейчас встречается, разве что, внутри нейтронных звезд.
«Метод электронного охлаждения позволяет в тысячи раз уменьшить фазовые объемы охлаждаемых пучков. Для этого холодные электроны направляются магнитным полем из электронной пушки в кольцо ускорителя, в случае эксперимента в Дубне, это сверхпроводящий бустерный синхротрон. Здесь они соединяются с горячими ионами, некоторое время движутся по кольцу вместе и за счет столкновений охлаждают ионы», – рассказал Евгений Левичев.
В сеансе 2023 г. на накопительном тяжелоионном комплексе ОИЯИ в составе синхротронных колец «Бустер» и «Нуклотрон» было получено первое в России электронное охлаждение тяжелых ионов, которое было использовано для повышения эффективности работы исследовательской установки Baryonic Matter at Nuclotron (BM@N).
«Проведен широкий цикл прикладных исследований по программе коллаборации ARIADNA (Applied Research Infrastructure for Advance Development at NICA fAcility), – пояснил исполняющий обязанности директора Лаборатории физики высоких энергий им. В. И. Векслера и А. М. Балдина ОИЯИ Андрей Бутенко. – Последовательно исследовались защитные свойства, радиационная стойкость и радиомодификация новых композитных материалов для космической отрасли, радиационные модификации в сапфирах (Al2O3), политерафторэтиленовых, полиэтилентерефталатных, полиэтиленовых и полиимидных пленках. В рамках программы “PLANTS AND VEGETATION IN SPACE” облучены 16 контейнеров с семенами различных растений. Проводился активационный анализ материалов при облучении релятивистскими тяжелыми ионами.
Электронное охлаждение пучка тяжелых ионов, полученное совместными усилиями специалистов ИЯФ СО РАН и ОИЯИ, позволило увеличить вдвое скорость набора данных во время экспериментов по изучению плотной барионной материи на фиксированной мишени и получить новые интересные экспериментальные данные.
Запуск установки не просто стал первым опытом применения этого метода в России, он подтвердил, что ИЯФ СО РАН остается мировым лидером в этой области. «Хотя технология у всех систем одинаковая, для каждого отдельного проекта мы создаем уникальное оборудование. Наши установки работают в России, Китае и Европе, в том числе в ЦЕРН и ОИЯИ», - отметил главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН академик РАН Василий Пархомчук.
Сергей Исаев
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии