Институт ядерной физики (ИЯФ) СО РАН, который находится на передовом мировом рубеже физических исследований, объявил о создании очередного ноу-хау. На сей раз речь идет о прототипе принципиально нового охладителя ускоренных пучков тяжелых частиц.
Антиматерия в ускорителе
Устройство создали, чтобы в будущем оснастить им немецкую ускорительную установку HESR (High energy storage ring, накопитель высоких энергий), которая будет изучать структуру экзотических ядер. Установку строят в рамках развития ускорительного центра FAIR.
Рабочая программа HESR включает эксперименты по столкновению пучков антипротонов (то есть антиматерии) высокой энергии с мишенью. При этом антипротоны аннигилируют прямо внутри ядра, что даст новый взгляд на его структуру.
Однако если ускоренный пучок частиц не охлаждать, он занимает весь поперечный объем камеры ускорителя, поэтому добавить в камеру новые пучки частиц невозможно. Но если разогнанные частицы охладить при помощи электронного охладителя (или кулера), они сожмутся в тонкий шнур, освобождая место для новых пучков. За счет этого в ускорителе можно накапливать в десятки раз больше частиц, а это позволит наблюдать значительно больше событий при столкновении антипротонов с мишенью.
Как отмечают представители ИЯФ, кулеры для пучков частиц были изобретены именно в этом новосибирском институте. И сегодня уже почти никто не строит ионные накопители без использования кулеров. Все потому, что такие системы открывают перед наукой исключительно широкие перспективы.
— Немецкие коллеги решили снабдить свою установку высоковольтным кулером с энергией 10 МэВ, — комментирует академик РАН, ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН Василий Пархомчук. — Предыдущий по мощности кулер работал при энергии 4 МэВ на коллайдере «Тэватрон» в Америке. Если кулер для HESR будет построен — это будет абсолютный рекорд среди установок такого класса. Пока мы сделали только прототип — одну секцию на 600 киловольт. Для системы охлаждения на 10 МэВ потребуется 15 таких секций, которые будут установлены друг на друга. На старых принципах такую установку сделать невозможно, электрические пробои будут слишком сильные.
Кулер для научной революции
Передовой кулер, создаваемый в ИЯФ для установки HESR, — новое слово в ядерной физике. Кроме того, что он позволяет накапливать очень плотные пучки электронов, он еще и реализован на принципиально новых схемах. В частности, в схеме устройства будет задействован турбогенератор, который будет генерировать электроэнергию.
В систему нового ускорителя будет поступать сжатый воздух, который выполняет функции изолятора и рабочего тела для передачи энергии. Выработанная турбогенератором энергия будет при помощи потока воздуха подаваться по пластиковой трубе — в этом случае, по данным ИЯФ, можно не опасаться никаких электрических пробоев.
В секциях охладителя энергия сжатого воздуха будет превращаться в электрическую при помощи турбины. И поскольку между элементами не будет никакой связи, кроме «воздушно-электрической трубы», а управление ими будут осуществлять без контакта, секции охладителя можно будет безопасно ставить друг на друга.
— Прототип кулера для HESR — это начало перехода на релятивистские кулеры, — объясняет Василий Пархомчук . — Электроны начинают двигаться со скоростью, близкой к скорости света, и позволяют контролировать качество высокоэнергетичных пучков ионов. Турбогенератор создает энергию для всех изолированных секций из сжатого воздуха. Далее в Германии секцию установят в огромную бочку, наполненную специальным газом, который используется для увеличения электрической прочности установок. В конечном варианте высота кулера составит около 12 метров, а диаметр — 4 метра.
Как ожидается, проект HESR начнет работать лишь через 10-15 лет. Кроме системы охлаждения, ИЯФ СО РАН разрабатывает для FAIR фокусирующие магниты и высокочастотные системы.
