Нуклотрон

Нуклотрон — это сверхпроводящий ускоритель заряженных частиц (синхротрон), предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов до высоких энергий. Сооружён в Объединённом институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне (Московская область, Россия). Является ключевым элементом ускорительного комплекса NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) и служит источником пучков частиц для экспериментов в области физики высоких энергий, физики тяжёлых ионов и релятивистской ядерной физики.

История создания

Идея создания сверхпроводящего ускорителя в ОИЯИ возникла в конце 1970-х годов. В 1982 году было принято решение о разработке проекта нового синхротрона, который должен был заменить устаревший синхрофазотрон (на тот момент крупнейший в мире ускоритель протонов, работавший с 1957 года). Основным требованием было достижение высокой эффективности ускорения при относительно компактных размерах за счёт использования сверхпроводящих магнитов.

Проект получил название «Нуклотрон». Разработка и строительство велись силами Лаборатории высоких энергий ОИЯИ (ныне — Лаборатория физики высоких энергий имени В. И. Векслера и А. М. Балдина). Первый пуск ускорителя состоялся в марте 1993 года. В 1994 году Нуклотрон был официально введён в эксплуатацию. Он стал первым в мире сверхпроводящим синхротроном для тяжёлых ионов, работающим на постоянном токе.

Первоначально ускоритель использовался для разгона протонов до энергии 6 ГэВ и ионов углерода до энергии 4,5 ГэВ на нуклон. В последующие годы проводились модернизации, направленные на увеличение энергии и интенсивности пучков. В 2000-х годах началась подготовка к созданию коллайдера NICA, в котором Нуклотрон должен был выполнять роль бустера (промежуточного ускорителя) и источника пучков.

Устройство и принцип работы

Нуклотрон представляет собой кольцевой ускоритель (синхротрон) с периметром около 251,5 метра. Основные его компоненты:

• Сверхпроводящие магниты: Сердце ускорителя — система из 96 сверхпроводящих дипольных магнитов (создают магнитное поле для удержания частиц на круговой траектории) и 64 квадрупольных линз (фокусируют пучок). Магниты изготовлены из ниобий-титанового сплава (NbTi), охлаждаемого жидким гелием до температуры 4,5 К (−268,65 °C). Магнитное поле в диполях достигает 2 Тл (в первоначальной конфигурации) и до 1,8 Тл при работе с ионами.
• Вакуумная камера: Внутри магнитов находится вакуумная камера, в которой создаётся глубокий вакуум (до 10⁻⁹ Торр) для предотвращения столкновений частиц с молекулами газа.
• Ускоряющая система: Высокочастотные резонаторы (ВЧ-система) создают переменное электрическое поле, которое ускоряет частицы при каждом обороте. Частота ВЧ-поля синхронизируется с ростом магнитного поля, чтобы частицы оставались на стабильной орбите.
• Система инжекции: Пучки частиц (протоны или ионы) поступают в Нуклотрон из предварительного ускорителя — линейного ускорителя (линка) или из источника ионов. Для тяжёлых ионов используется источник с электронно-лучевым нагревом (EBIS).
• Система вывода: После ускорения пучок выводится на мишени или в другие ускорители (например, в коллайдер NICA).

Принцип ускорения

Частицы (протоны, ионы) инжектируются в кольцо с начальной энергией (обычно несколько МэВ на нуклон). Затем включается магнитное поле, которое удерживает частицы на круговой орбите. Одновременно ВЧ-система увеличивает энергию частиц. По мере роста энергии магнитное поле синхронно нарастает, чтобы радиус орбиты оставался постоянным. Цикл ускорения длится около 1–2 секунд. После достижения максимальной энергии пучок выводится.

Характеристики

Параметры Нуклотрона (по состоянию на 2020-е годы):

• Периметр: 251,5 м.
• Тип магнитов: сверхпроводящие (NbTi), охлаждение жидким гелием.
• Максимальное магнитное поле: 2 Тл (диполи).
• Энергия протонов: до 6 ГэВ (в режиме источника).
• Энергия ионов: до 4,5 ГэВ на нуклон (для ионов углерода), до 3,5 ГэВ на нуклон (для ионов золота).
• Интенсивность пучка: до 10¹⁰ частиц за цикл (для протонов).
• Тип ускоряемых частиц: протоны, дейтроны, ядра гелия (альфа-частицы), ионы углерода, кислорода, неона, аргона, криптона, ксенона, золота, свинца и других элементов.
• Режим работы: циклический (импульсный), частота повторения циклов — до 1 Гц.

Модернизация и роль в проекте NICA

В 2010-х годах началась масштабная модернизация Нуклотрона в рамках проекта NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility). Цель проекта — создание коллайдера для столкновения тяжёлых ионов (в первую очередь, золота) с энергией до 4,5 ГэВ на нуклон, а также поляризованных протонов и дейтронов. Нуклотрон в этой схеме выполняет роль бустера:

1. Источник ионов: Ионы золота или других элементов рождаются в источнике EBIS.
2. Линейный ускоритель (HILAC): Ионы предварительно ускоряются до энергии 3,2 МэВ/нуклон.
3. Нуклотрон (бустер): Ионы инжектируются в Нуклотрон, где ускоряются до энергии 600 МэВ/нуклон (для золота).
4. Коллайдер NICA: Из Нуклотрона пучки передаются в коллайдер, где разгоняются до конечной энергии и сталкиваются.

В ходе модернизации Нуклотрона были заменены системы управления, вакуумная система, модернизирована ВЧ-система, а также установлены новые сверхпроводящие магниты с более высоким полем. В 2022 году Нуклотрон успешно прошёл испытания в новом режиме.

Научные исследования

На Нуклотроне проводятся эксперименты по нескольким направлениям:

• Физика тяжёлых ионов: Изучение свойств ядерной материи при высоких плотностях и температурах, поиск смешанной фазы (кварк-глюонной плазмы), исследование фазовых переходов в ядерной материи.
• Релятивистская ядерная физика: Изучение столкновений релятивистских ядер, исследование механизмов рождения частиц, фрагментации ядер.
• Физика поляризованных пучков: Исследование спиновых эффектов в столкновениях поляризованных протонов и дейтронов.
• Прикладные исследования: Разработка методов радиационной терапии (бор-нейтронозахватная терапия), тестирование радиационной стойкости электроники, материаловедение.

Основные экспериментальные установки, работающие на пучках Нуклотрона:

• BM@N (Baryonic Matter at Nuclotron): Установка для изучения столкновений релятивистских ядер с фиксированной мишенью.
• SPD (Spin Physics Detector): Детектор для изучения спиновой структуры нуклонов (планируется к запуску в составе NICA).
• MPD (Multi-Purpose Detector): Универсальный детектор для коллайдера NICA (находится в стадии строительства).

Международное сотрудничество

Проект NICA и эксплуатация Нуклотрона являются крупным международным научным проектом. В нём участвуют более 100 научных организаций из 30 стран мира, включая Россию, страны СНГ, Китай, Индию, Германию, Францию, Италию, США и другие. ОИЯИ является международной межправительственной организацией, и все работы ведутся на основе совместных программ и соглашений.

Значение

Нуклотрон является уникальной научной установкой, не имеющей прямых аналогов в мире. Он позволяет проводить исследования в области физики высоких энергий, которые дополняют эксперименты на крупнейших коллайдерах (LHC в ЦЕРНе, RHIC в Брукхейвене). Благодаря своей конструкции (сверхпроводящие магниты, работающие на постоянном токе) Нуклотрон обеспечивает высокую стабильность пучков и возможность работы с широким спектром ионов. Он служит основой для развития коллайдера NICA, который должен стать одним из ведущих мировых центров по изучению сильных взаимодействий и свойств ядерной материи.

Источники

• А. М. Балдин, В. И. Векслер, и др. «Нуклотрон — сверхпроводящий синхротрон ОИЯИ». Препринт ОИЯИ, 1982.
• «Nuclotron: First Results and Future Plans». Proceedings of the 1993 Particle Accelerator Conference.
• «NICA Project: Status and Perspectives». ОИЯИ, Дубна, 2020.
• Официальный сайт Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ), раздел «Нуклотрон» и «NICA».
• «Ускоритель Нуклотрон: 30 лет». Журнал «Наука и жизнь», 2023.