Прецизионное магнитное поле удастся получить в системах электронного охлаждения NICA благодаря разработкам ИЯФ СО РАН
- 08.07.2026
NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) – ионный коллайдер, который создается на базе Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна) для изучения фундаментальных свойств сильных взаимодействий. Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) входит в международный проект NICA и создает вместе с коллегами из ОИЯИ системы электронного охлаждения (СЭО) для коллайдера. Специалисты называют их кулеры, потому что основная задача СЭО – охладить ионный пучок, чтобы тот стал более плотным. Эффективность электронного охлаждения во многом зависит от прямолинейности магнитного поля в соленоиде охлаждения, расположенном в центральной части системы. Прямолинейное магнитное поле предполагает, что силовые линии в соленоиде будут параллельны друг другу и представлять собой прямые линии. Добиться даже относительной прямолинейности довольно сложная физическая задача, а требования для соленоида охлаждения СЭО коллайдера NICA еще и очень высокие – порядка 10-4 - 10-5. То есть отклонение витка катушки соленоида в продольном направлении магнитного поля должно быть не больше чем десять микрон на метр, а это крайне высокая точность. Благодаря оптимизированной системе измерения магнитного поля и новой системе юстировки, разработанным в ИЯФ СО РАН специально для NICA, специалистам удалось достичь необходимых характеристик настройки магнитного поля в соленоиде охлаждения.
На переднем плане соленоид охлаждения СЭО коллайдера NICA. Иллюстрация предоставлена Н.Кремневым.
Уровень исследовательских возможностей коллайдеров зависит от качества пучка. Чем он плотнее, тем выше вероятность столкновения частиц, а значит выше светимость установки, или ее производительность. Пучок становится более плотным при охлаждении. На электрон-позитронных коллайдерах, например, на ВЭПП-2000 (ИЯФ СО РАН, Новосибирск) пучки частиц остывают естественным образом. Двигаясь с ускорением, эти легкие частицы испускают электромагнитное (синхротронное) излучение, которое, в свою очередь, забирает их энергию – таким образом происходит охлаждение и сжатие пучка. Чтобы создать коллайдер, сталкивающий более тяжелые частицы, протоны или ионы, такой как NICA, не обойтись без систем охлаждения. Идея метода электронного охлаждения была предложена основателем и первым директором ИЯФ СО АН СССР академиком Г.И. Будкером в 1966 г. Здесь же ее и реализовали на модели ускорителя – установке НАП-М (Накопитель антипротонов, модель).
«Для того, чтобы встречные частицы в кольце коллайдера чаще сталкивались, а исследователи могли видеть много всего интересного, пучки должны быть плотными, – прокомментировал магистрант второго курса НГУ и старший лаборант ИЯФ СО РАН Вадим Турло. – Для тяжелых частиц добиться такого состояния было проблематично, пока в ИЯФ СО АН СССР не была предложена и реализована идея электронного охлаждения. Ее суть заключается в том, чтобы в определенный момент совместить траектории горячего ионного пучка с холодным электронным. При движении между ними происходит теплообмен – энергия от ионного пучка перетекает к электронному, а потеряв ее, он охлаждается. Таким образом пучок становится более плотным».
Центральная и самая важная часть в СЭО – соленоид охлаждения. Именно в этой части системы происходит процесс охлаждения ионного пучка электронным. Соленоид для коллайдера NICA, разработанный и созданный в ИЯФ СО РАН, по своим параметрам является единственным подобным устройством в мире.
«Соленоид охлаждения для СЭО коллайдера NICA, спроектированный и созданный в ИЯФ СО РАН, отличается от всех подобных устройств тем, что в нем два электронных пучка для двух ионных, соответственно, – добавил начальник конструкторского бюро ИЯФ СО РАН Николай Кремнев, – расстояние между осями каналов регламентировано расположением каналов коллайдера NICA и составляет всего 32 см. Создать такое устройство было сложной технической задачей».
Система измерения магнитного поля СЭО коллайдера NICA. Фото Н.Кремнева.
Магнитное поле в соленоиде охлаждения должно быть однородным и прямолинейным, то есть прямолинейной (с минимальными поперечными отклонениями) должна быть его продольная составляющая. От этого зависит качество электронного пучка и эффективность охлаждения.
«Настройка магнитного поля в устройстве, а перед этим измерение – нетривиальные задачи, – пояснил Вадим Турло. – В 2005 в ИЯФ СО РАН командой ученых и конструкторов, в которую входили В.Н. Бочаров, А.В. Бублей, С.Г. Константинов, В.М. Панасюк, В.В. Пархомчук, была улучшена система измерения магнитного поля с использованием магнитного компаса, которая основывалась на более ранних работах 80-х годов прошлого века, сделанных тоже в нашем Институте. Для данного проекта большой командой специалистов из нашего Института (П.А. Бахарев, М.И. Брызгунов, М.Ф. Блинов, А.В. Бублей, Н.С. Кремнев, В.Б. Рева, С.В. Рева, Э.Р. Уразов, В.С. Турло, В.Г. Ческидов и др.) была проведена еще одна модификация данного метода, особенностями которого стало использование сегментированной направляющей и переход от аналоговой регистрации положения луча к цифровой. С помощью специализированной видеокамеры мы научились отслеживать изображение лазерного луча в режиме реального времени и проводить соответствующую обработку сигнала. Все это позволило сделать работу с самой системой более прозрачной и понятной».
Преимущество системы измерения, предложенной в ИЯФ СО РАН, в том, что она, по словам специалистов, идеально подходит именно под задачи проекта NICA.
«В мире, конечно, существуют и другие методики измерения магнитного поля, которые могут дать еще более высокую точность, но они технически очень сложные и дорогие, и не особо применимые для нашей СЭО, – прокомментировал Вадим Турло. – Наша система – относительно простая и, что важно, “естественная” для данной задачи. При измерении магнитного поля соленоида охлаждения нужно мерить угол, под которым идет силовая линия магнитного поля, а лучше всего с этим справляется магнитный компас».
Настраивать магнитное поле в соленоиде охлаждения будут при помощи юстировочной системы, которая была разработана в тесном взаимодействии специалистов лаборатории 5-2, научно-конструкторского отдела и экспериментального производства ИЯФ СО РАН специально для СЭО коллайдера NICA.
«Наличие в системе второго канала с электронным пучком потребовало разработки совершенно нового механизма юстировки, – прокомментировал Николай Кремнев, – с последующим созданием прототипа для секции соленоида и проработкой конструкции до серийного варианта, используемого в соленоиде охлаждения и поставленном для коллайдера NICA».
Юстировочные узлы обмоток продольного поля соленоида охлаждения СЭО коллайдера NICA. Фото Н.Кремнева.
Процесс юстировки – очень трудоемкая операция, которая проходит вручную, и позволяет добиться относительной прямолинейности силовых линий магнитного поля на участке охлаждения величиной порядка 10-5. По словам Николая Кремнева, это означает, что, например, для идеальной обмотки продольное отклонение ее одиночного витка должно быть не больше десяти микрон на метр в поперечном направлении.
«С точки зрения измерения и настройки магнитного поля наш соленоид – одна из самых сложных систем, – добавил Николай Кремнев. – Потому что по сути это два соленоида, расположенных друг над другом на расстоянии не многим более высоты листа формата A4: здесь все очень тесно и миниатюрно. Чтобы достичь проектных требований, предъявляемых к магнитному полю, нужно юстировать каждую магнитную катушку по отдельности, а их здесь по 88 штук в каждом канале, причем диаметр их окна всего 176 мм. Из-за геометрических ограничений соленоида NICA мы не могли использовать нашу обычную систему юстировки. Новая система использует привычный для специалистов, ответственных за настройку поля, принцип: каждая магнитная катушка оснащена четырьмя микрометрическими винтами, которые позволяют наклонять ее и поворачивать относительно системы крепления (опоры) на сотую долю миллиметра, но каждый из ее элементов изменен или создан заново. Так что мы можем обеспечить максимально точную выставку обмоток с требуемым расчетным отклонением для достижения необходимой прямолинейности магнитного поля, уже не для одного соленоида охлаждения, а для двух – собранных в едином корпусе».
Отработка системы измерения и настройка магнитного поля в соленоиде проходила на площадке ИЯФ СО РАН. Сейчас само устройство уже находится в Дубне, как и система измерения. Когда будут окончены все пуско-наладочные работы, начнется рабочий заход по измерению и настройке магнитного поля.