Модуль E20-10 в системе адиабатического захвата пучка в установке «Нуклотрон» комплекса NICA

Внедрение: 2016 г.

Комплекс NICA (рисунок 1) включает синхротроны Бустер и Нуклотрон для ускорения пучков частиц до необходимой энергии и Коллайдер машину, в которой исследуются столкновения частиц.

Рисунок 1. Комплекс NICA (рисунок с сайта nica.jinr.ru).

В настоящее время работа установки Нуклотрон в основном зависит от ввода пучка в растущее магнитное поле с постоянным напряжением на ВЧ‑станциях. В течение последних нескольких лет происходит постепенный переход к новой схеме, в которой пучок вводится в постоянное магнитное поле, а затем адиабатически группируется. На Нуклотроне был проведен ряд экспериментов по моделированию "гимнастики пучков" для проекта NICA.

Выведенный из линейного коллайдера пучок инжектировался в постоянное магнитное поле Нуклотрона, адиабатически группировался и переводился в режим ускорения. В качестве альтернативы выведенный пучок вводился в промежуточное магнитное поле, разгруппировывался, группировался заново и переводился в режим ускорения в более сильном магнитном поле.

ВЧ-система управления инжекцией пучка в растущее магнитное поле схематически показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема штатной ВЧ‑системы управления инжекцией в растущее магнитное поле.

Сигнал, сформированный интегрированием производной магнитного поля, направляется в усилительный тракт. Усиленный сигнал направляется в нагруженный ферритами четвертьволновой резонатор, частота которого регулируется током в намагничивающих обмотках ферритовых колец. Выходной сигнал резонатора направляется в систему управления усилением, которая поддерживает требуемую амплитуду ВЧ. Частота резонатора поддерживается с помощью второго контура обратной связи путем сравнения фаз напряжения на входе и выходе резонатора (система автоматической подстройки частоты).

Для перехода к режиму адиабатического захвата необходимо модифицировать систему управления ускорительными станциями. Всего добавлено три подсистемы для включения режима адиабатической группировки в инжекционном и промежуточном полях:

1. Программатор для управления радиочастотой, который получает огибающую амплитуды ВЧ и генерирует импульсы включения и выключения, а также импульсы для намагничивания ферритов.
2. Модуль E20-10, в котором использовался 2‑канальный ЦАП для отработки команд программатора. ЦАП управляет амплитудой ускоряющего напряжения. 
3. Блок синхронизации сигналов (декодер) для формирования управляющих импульсов.

Обновленная система управления ВЧ, отвечающая требованиям адиабатической группировки, схематически представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема модифицированной системы управления ВЧ.

В ходе недавних экспериментальных запусков Нуклотрона в 2014 и 2015 годах были выполнены следующие задачи:

1. Луч был адиабатически захвачен на плоскости инжекции.
2. Луч был развернут, а затем снова сгруппирован на промежуточной плоскости.
3. Луч был расширен, а затем снова сгруппирован по самой низкой гармонике частоты вращения.

Разработаны и испытаны аппаратное и программное обеспечение для реализации адиабатической группировки пучков на Нуклотроне. Для ВЧ‑системы ускорителя, предусмотренного в проекте NICA, исследован режим работы с расширением и последующей группировкой пучка на другой гармонике, ускоряющей системы. При наработке 160 часов (49‑й запуск Нуклотрона) установка работала в двухпользовательском режиме. При использовании магнитного поля более 1500 Гс пучок был сгруппирован с эффективностью, достигающей 96 %.

Источник:

Brovko, O.I., Butenko, A.V., Grebentsov, A.Y., Eliseev, A.V., Meshkov, I.N., Svetov, A.L., Sidorin, A.O., & Slepnev, V.M. (2016). Investigating the adiabatic beam grouping at the NICA accelerator complex. Physics of Particles and Nuclei Letters, 13(7), 822‑828. https://doi.org/10.1134/S1547477116070153

Разработчик: Лаборатория физики высоких энергий Объединенного института ядерных исследований, г. Дубна, Россия