Ученые Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) провели комплексную модернизацию Инжекционного комплекса (ИК) ВЭПП-5, обеспечивающего электронами и позитронами коллайдеры ВЭПП-4 и ВЭПП-2000. Специалисты автоматизировали систему управления, оптимизировали настройки оборудования Комплекса, а также провели соответствующий апгрейд установок-потребителей. В результате производительность ИК выросла на порядок, с 8*108е+/сек до 1010е+/сек, что привело к уменьшению времени накопления необходимого количества позитронов, а значит, и повышению эффективности работы коллайдеров. На коллайдере ВЭПП-2000 среднегодовой показатель набора статистики увеличился более чем в три раза – с 20 пб-/ (обратных пикобар) в 2014 году до 65 пб-/ в сезоне 2018-2019гг.,а коллайдер ВЭПП-4 с 2018 года работает в максимальной области энергии.

Инжекционный комплекс ВЭПП 5 канал транспортировки частиц. Автор Светлана Ерыгина

Каналы транспортировки Инжекционного комплекса ВЭПП-5

В настоящий момент в ИЯФ СО РАН работают два коллайдера на встречных электрон-позитронных пучках – ВЭПП-4 (энергия до 6 ГэВ) и ВЭПП-2000 (энергия до 1 ГэВ). Для поддержания работы установок необходимо бесперебойное производство электронов и позитронов. Долгое время на каждом из коллайдеров работал свой собственный источник частиц, однако они не могли в должной мере обеспечить потребности установок. В конце 2015 года состоялся запуск Инжекционного комплекса ВЭПП-5 – мощного источника пучков заряженных частиц (энергия до 510 МэВ), который одновременно снабжает электронами и позитронами оба коллайдера, работающие в ИЯФ СО РАН.

В начале работы производительность Комплекса составляла 800 млн позитронов в секунду (8*108е+/сек). В результате комплексной модернизации, которая включала в себя оптимизацию настроек оборудования, автоматизацию системы управления и соответствующий апгрейд установок-потребителей, к концу 2018 года этот показатель увеличился до 10 млрд позитронов (1010е+/сек). Вследствие увеличения скорости работы ИК увеличилась и скорость накопления позитронов на установках, что в свою очередь привело к увеличению светимости, а следовательно и скорости накопления данных. Так, например, на коллайдере ВЭПП-2000 более чем в три раза увеличился среднегодовой показатель набора статистики - с 20 пб-/ в 2014 году до 65 пб-/ в сезоне 2018-2019гг., а установка ВЭПП-4, благодаря высокой производительности ИК с 2018 года работает в максимальной области энергии.

«Для того, чтобы иметь хорошую производительность коллайдеров, нужно в больших количествах и быстро производить электроны и позитроны – ВЭПП-5 прекрасно справляется с этой задачей. – рассказывает младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Данила Никифоров. – Инжекция пучков происходит в круглосуточном режиме. Из-за светимости пучок постепенно умирает, его нужно поддерживать и постоянно «докидывать» новые проции частиц. Например, на ВЭПП-2000 время жизни пучка – 2000 секунд, поэтому мы должны проводить инжекцию 1 раз в 50 секунд, на ВЭПП-4, из-за его особенностей по накоплению частиц и их доускорению до энергии столкновения, дополнительные порции нужны реже. Раньше у каждого коллайдера была своя система производства электронов и позитронов, на порядки менее производительная, чем наш комплекс. Для сравнения: чтобы накопить необходимое количество позитронов на ВЭПП-2000 требовалось 10 минут, а сейчас пучки готовятся 5-6 секунд».

Каждый из коллайдеров ИЯФ СО РАН так же, как и Инжекционный комплекс, имеет собственную систему управления. Основная задача автоматизации Комплекса состояла в том, чтобы наладить и синхронизировать процесс взаимодействия всех систем между собой. «На современных установках многие процессы протекают гораздо быстрее, чем характерное время реакции любого компьютера общего назначения, поэтому значительная часть процессов управляется специальным оборудованием, а обширная инфраструктура связывает его с компьютерами. – рассказывает научный сотрудник ИЯФ СО РАН Федор Еманов. – Часть машин оснащена серверным программным обеспечением, отвечающим за работу Комплекса, а на операторских компьютерах работает ПО, которое только показывает, что происходит на ускорителе, и передает команды оператора».

По словам ученого, на стадии запуска Инжекционного комплекса при смене коллайдера-потребителя и сорта частиц операторам приходилось вручную менять многие настройки, а сейчас рутинные процессы выполняются автоматически.

Производство частиц состоит из нескольких этапов. Все начинается с первичного электронного пучка, который ученые получают при помощи электронной пушки. После этого, в зависимости от режима работы, пучок либо сразу направляется в линейный ускоритель для разгона, либо сначала попадает на конверсионную мишень – так пучок электронов превращается в пучок позитронов – и потом уже в линейный ускоритель. Следующий этап – накопитель-охладитель, в котором не только накапливается необходимое для последующей транспортировки количество (2,2*1010 или 22 млрд) частиц – на это уходит в среднем 3 секунды. Вращаясь в накопителе, пучок проходит стадию так называемого радиационного затухания и в результате фактически уменьшается в размерах в 10 раз – с 1 см до 1 мм. Готовые пучки выпускаются в специальные каналы транспортировки частиц к установкам.