"Центр Объединения Гельмгольца "Общество по исследованию тяжелых ионов" ("GSI Helmholtzzentrum fur Schwerionenforschung GmbH") (далее - Компания по исследованию тяжелых ионов) в г. Дармштадте (ФРГ) .
Настоящий документ представляет собой краткий обзор, основанный на технико-экономическом обосновании Установки ФАИР, подготовленный международным исследовательским сообществом и группой по проекту Установки ФАИР, опубликованный в 2006 году.
Настоящий документ включает в себя:
схему ускорительного комплекса и его основные характеристики;
краткое описание программ научных исследований и соответствующих экспериментальных установок;
краткое описание систем технического обеспечения и капитального строительства;
краткое описание этапов сооружения Установки ФАИР.
Соответствующая информация о графике, стоимости и людских ресурсах, необходимых для создания Установки ФАИР и ввода ее в эксплуатацию, приведена в Техническом документе 2.
II. Ускорительный комплексОбзор
Концепция ускорительного комплекса Установки ФАИР разработана международным научным сообществом и Компанией по исследованию тяжелых ионов. Целью этого проекта является обеспечение беспрецедентной интенсивности и высокого качества пучков стабильных и нестабильных ядер, а также антипротонов в широком диапазоне интенсивностей и энергий для многоцелевой передовой научной программы. Схема ускорительного комплекса представлена на рис. 1 (рисунок не приводится) .
Концепция основана на плодотворных разработках, выполненных за последние 15 лет в Компании по исследованию тяжелых ионов и в других мировых научных центрах в области ускорения, накопления, хранения и фазового охлаждения пучков протонов и тяжелых ионов высоких энергий, и значительно расширяет их. Основываясь на этом опыте, а также учитывая такие новые разработки, как быстроциркулирующие сверхпроводящие магниты, стохастическое и электронное охлаждение ионных пучков, технология получения сверхвысокого вакуума, эксперименты на кольцевых ускорителях по хранению и охлаждению пучков, была разработана концепция ускорительного комплекса.
Основная концепция Установки ФАИР и технические требования
Концепция и конструктивные особенности ускорительного комплекса Установки ФАИР обусловлены требованиями научной программы.
Пучки всех типов ионов и пучки антипротонов: Установка ФАИР должна обеспечивать пучки всех типов ионов от водорода до урана, а также пучки антипротонов в широком энергетическом диапазоне (от покоящихся частиц до энергии в несколько десятков ГэВ на нуклон в лабораторной системе координат) .
Высокая интенсивность ионов в пучке: для первичных пучков целью является увеличение интенсивности пучков самых тяжелых ионов в сотни раз по сравнению с интенсивностью, существующей в настоящее время. Для создания радиоактивных вторичных пучков и создания импульсов высокой мощности для исследований по физике плазмы интенсивный пучок, циркулирующий в синхротроне SIS 100, должен быть сжат во времени в сгусток длительностью 50-100 нс. Увеличение интенсивности первичных пучков приводит к увеличению интенсивности вторичных радиоактивных пучков от 1000 до 10000 раз за счет больших акцептансов соответствующих сепараторов и накопительных колец.
Таблица 1
Основные параметры и свойства синхротронов Установки ФАИР, а также накопительных (охладительных) колец
Кольцо | Окружность (м) | Магнитная жесткость (Тм) | Энергия пучка [ГэВ/ а.е.м.] | Основные свойства |
Синхротрон SIS100 | 1083, 6 | 100 | 2, 7 для ионов U28+ 29 для протонов | быстрый импульсный ферритовый магнит с полем до 2 T и скоростью изменения поля до 4 T/с, сжатие сгустков ионов U (5 х 1011) до ~60 нс, быстрый и медленный вывод пучка, рабочий вакуум 5 х 10-12 мбар |
Синхротрон SIS300 | 1083, 6 | 300 | 34 для ионов U92+ | импульсные сверхпроводящие косинусоидальные магниты с полем до 6 T и скоростью изменения поля до 1 T/с, медленный вывод со скоростью ~3 х 1011 ионов U в сек, рабочий вакуум 5 х 10-12 мбар |
Коллекторное кольцо CR | 210.5 | 13 | 0, 74 для ионов A/q = 2, 73 для антипротонов | акцептанс для антипротонов: 240 х 240 мм мрад, дельта p/p = +-3 х 10-2 , быстрое стохастическое охлаждение радиоактивных ионов и антипротонов, изохронный масс-спектрометр для короткоживущих ядер |
Накопительное кольцо RESR | 245 | 13 | 0, 74 для ионов A/q = 2, 73 для антипротонов | накопление антипротонов после предварительного охлаждения в коллекторном кольце CR, быстрое торможение коротко живущих ядер, скорость изменения поля - 1T/c |
Новое экспериментальное накопительное кольцо NESR | 222 | 13 | 0, 74 для ионов A/q = 2, 73 для антипротонов | электронное охлаждение радиоактивных ионов и антипротонов электронным пучком с энергией до 450 кэВ, прецизионный масс-спектрометр, эксперименты на внутренней мишени с атомами и электронами, установка по электрон-ядерному рассеянию, торможение ионов и антипротонов, скорость изменения поля - 1T/c |
Накопительное кольцо для частиц высоких энергий HESR | 574 | 50 | 14 для антипротонов | стохастическое охлаждение антипротонов с энергией до 14 ГэВ, электронное охлаждение антипротонов с энергией до 9 ГэВ, внутренняя газовая или твердотельная мишень |
Увеличение энергии пучка: для производства антипротонов необходим интенсивный пучок протонов с энергией около 30 ГэВ. Для достижения высокой барионной плотности и рождения очарованных частиц в ядро-ядерных взаимодействиях при высоких энергиях синхротрон SIS300 спроектирован на энергию пучка от 35 АГэВ для ионов урана до 45 АГэВ для ионов аргона.
Высокая плотность частиц в фазовом пространстве и высокое качество пучка: с помощью использования таких технологий охлаждения пучка, как стохастическое, электронное и лазерное охлаждение, на Установке ФАИР должны быть получены высококачественные первичные и вторичные пучки с разбросами по импульсу и эмиттансами на несколько порядков меньшими, чем в обычных ускорителях без охлаждения. В сочетании со статистической точностью и высокой чувствительностью, которые являются следствием высокой интенсивности пучков, эти высококачественные пучки позволят проводить уникальные прецизионные эксперименты.
Эти экспериментальные требования приводят к следующей концепции схемы ускорителя.
Выбор синхротронов и накопительных колец в качестве ускорительных структур: синхротроны являются самым простым и самым рентабельным способом ускорять пучки ионов до высоких энергий от протонов до ионов урана. И еще более важным для запланированных исследовательских программ на Установке ФАИР является то, что временная структура первичных пучков, выдаваемых синхротроном, позволяет идеально использовать их в последующих накопительных кольцах.
Быстроциклирующие сверхпроводящие синхротроны и ускорение средних зарядовых состояний: высокие интенсивности первичных пучков ионов будут достигнуты путем использования быстроциклирующих сверхпроводящих синхротронов, а для тяжелых ионов - путем дополнительного ускорения низкозарядных ионов. Предел пространственного заряда пропорционален четвертой степени зарядового состояния иона. Низкие зарядовые состояния при требуемой энергии вторичных радиоактивных ионных пучков до 1, 5 АГэВ требуют высокой магнитной жесткости ускорителя SIS100.
Высокая магнитная жесткость для частиц высоких энергий: высокая магнитная жесткость SIS100 позволяет ускорять протоны до энергии 30 ГэВ для эффективного производства антипротонов. Для исследовательских программ по ядро-ядерным столкновениям при энергии полностью ободранных ионов урана (заряд +92) до 35 АГэВ необходим второй синхротрон SIS300 с соответственно большей магнитной жесткостью. Он сконструирован на большие времена вывода пучка и может использоваться как кольцо-растяжитель.
В таблице 1 представлены технические параметры и основные характеристики различных ускорительных систем ФАИР.
Работа в параллельных режимах
Важным условием при конструировании ускорительного комплекса было обеспечение высокой степени действительно параллельного проведения различных исследовательских программ. Предложенная схема синхротрона и накопительных колец (с их соответствующими временными циклами ускорения, накопления, хранения и охлаждения пучков) имеет принципиальную возможность для оптимизации параллельной самосогласованной работы комплекса. Практически, комплекс будет работать для различных экспериментов так, как если бы он был предназначен для каждого эксперимента в отдельности. Рис. 2 (рисунок не приводится) иллюстрирует это на примере.
III. Экспериментальная программа и экспериментальные установки
Цели и предметы исследований в рамках научных программ Установки ФАИР можно сгруппировать в 3 группы:
более глубокое понимание структуры и свойств материи, что включает понимание структуры материи на уровне ее основных составляющих, а также фундаментальных законов, сил и симметрий; понимание того, как из этих фундаментальных составляющих образуются сложные объекты, объекты, образование которых происходит не в результате простого сложения, а в результате нелинейных процессов, корреляций и связей;
пополнение наших знаний о развитии Вселенной, так как иерархическая структура материи (от микроскопического до макроскопического уровня) непосредственно связана с последовательностью этапов эволюции и образования видимого мира;
использование ионных пучков в технологии и прикладных исследованиях.
Эти общие исследовательские цели могут быть сгруппированы в следующие конкретные области исследований на Установке ФАИР:
структура ядра и ядерная астрофизика с использованием пучков стабильных ионов, а также, что особенно важно, пучков короткоживущих (радиоактивных) ядер, далеких от границы стабильности;
структура адронов, теория сильных взаимодействий в рамках квантовой хромодинамики (КХД) и КХД - вакуум в основном с использованием пучков антипротонов;
фазовые диаграммы ядерной материи и кварк-глюонная плазма с использованием пучков тяжелых ионов высоких энергий;
физика очень плотной плазмы с использованием сильно сжатых банчей пучков тяжелых ионов в уникальной комбинации с петаваттным лазером, сооружаемым в настоящее время;
атомная физика, квантовая электродинамика (КЭД) и сверхсильные электромагнитные поля с использованием пучков тяжелых ионов высокой зарядности и антиматерии;
технические разработки и прикладные исследования на пучках ионов для материаловедения и биологии.
Соответствующие предложения по проведению экспериментов и исследовательские коллективы перечислены в таблице 2, где также указана основная экспериментальная аппаратура, необходимая для соответствующих исследований.
Таблица 2
Одобренные исследовательские программы Установки ФАИР с указанием научных целей и соответствующего научного оборудования
Указан также ряд возможных в будущем экспериментов, рассмотренных программным комитетом, но не вошедших в перечень установок первой очереди.
Эксперимент | Расположение экспериментальной установки | Программа исследований | Основное техническое оборудование | Установка первой очереди |
R3B | NUSTAR1 | изучение реакций методом обратной кинематики с использованием пучков релятивистских радиоактивных ионов | большая установка, позволяющая выполнять эксперименты во всем диапазоне кинематических реакций | да |
HISPEC/ DESPEC | NUSTAR | исследование ядер, далеких от границ стабильности, методом спектроскопии частиц и гамма- спектроскопии с высоким разрешением и высокой эффективностью | гамма детекторы (АГАТА) плюс установки для детектирования заряженных частиц и нейтронов | да |
LASPEC | NUSTAR | лазерная спектроскопия радиоактивных ионов | многоцелевая установка по лазерной спектроскопии | да |
MATS | NUSTAR | измерение масс и времен жизни радиоактивных ядер с высокой точностью и эффективностью | комбинированная установка, состоящая из ионной ловушки на основе электронного пучка (для накопления заряда) , ионных ловушек (для подготовки пучка) и прецизионной системы на основе ловушки Пеннинга | да |
ILIMA | NUSTAR | измерение масс и времен жизни, охлаждение радиоактивных ионных пучков | масс-спектроскопия с помощью эффекта Шоттки и изохронным методом | да |
EXL | NUSTAR | исследование реакций взаимодействия легких ионов с радиоактивными ядрами методом обратной кинематики | установка по исследованию реакций на внутренних мишенях | да |
AIC | NUSTAR | измерение массовых (среднеквадратичных) радиусов ядер, далеких от границы стабильности | коллайдер антипротонов и (радиоактивных) ионов | нет |
ELISe | NUSTAR | упругое, неупругое и квазисвободное рассеяние электронов на ядрах, далеких от границы стабильности | установка по электрон-ионным столкновениям, включающая электронный спектрометр с высоким разрешением | да |
NCAP | NUSTAR | производство определенных радионуклидов для изучения захвата нейтронов на выведенных пучках | нет | нет |
EXO-pbar | NUSTAR | исследование избытка протонов и нейтронов на поверхности ядер, далеких от границы стабильности | ионы и антипротоны с очень низкой энергией, накопленные в ловушке Пеннинга | нет |
PANDA | QCD2 | изучение КХД и физики адронов с помощью охлажденных пучков антипротонов высокой энергии | большой детектор с внутренней мишенью, перекрывающий почти весь телесный угол | да |
CBM | QCD | исследование фазовой диаграммы КХД при столкновениях пучков ядер высоких энергий | большой детектор на выведенном пучке, перекрывающий почти весь телесный угол | да |
PAX/ASSIA | QCD | изучение КХД и физики адронов с помощью поляризованных пучков антипротонов | система коллайдерных детекторов, перекрывающая большой телесный угол | нет |
HEDgeHOB/ WDM | APPA3 | исследования горячей и плотной материи, образованной мощными импульсами пучков ионов и (или) лазерного излучения | экспериментальные установки по изучению физики плазмы | да |
FLAIR | APPA | прецизионные исследования с помощью пучков антипротонов с очень низкой или нулевой энергией | электростатическое накопительное кольцо на сверхнизкие энергии, ловушка Пеннинга, мишенная станция по генерированию антипротонов низких энергий | да |
SPARC | APPA | исследования по атомной спектроскопии и физике столкновений на пучках накопленных ионов высокой энергии | эксперименты на внутренних мишенях и выведенных пучках | да |
BIOMAT | APPA | применение ионных и антипротонных пучков в биофизике, биологии, материаловедении и других науках | различные многоцелевые мишенные станции | да |
_____________
1 Ядерные структуры, астрофизика и реакции.
2 КХД и адронная физика.
3 Aтомная физика, физика плазмы и применения.
IV. Капитальное строительство
Общие положения
Ускорительный комплекс Установки ФАИР будет сооружаться к востоку от существующей установки в Компании по исследованию тяжелых ионов. Ускорительное кольцо будет построено под землей. Все другие здания будут строиться на земле. Конструкция ускорительного комплекса потребует очистки 14 га леса, который потом будет восстановлен или посажен в другом месте.
Юридические и регулирующие процедуры, необходимые для генерального плана застройки (Bebauungsplanverfahren) , успешно завершены. Соответствующее решение было принято муниципалитетом г. Дармштадта 14 февраля 2006 г.
Проект будет использовать ускорительный комплекс Компании по исследованию тяжелых ионов как инжектор. Кольцевой туннель будет построен открытым способом на глубине приблизительно 17 метров. Над туннелем будет находиться 10-метровый слой земли для выполнения требований радиационной безопасности. Удаленный грунт будет использован для защитных целей и земляных работ при сооружении новой установки. В проект Установки ФАИР входит обязательная земляная защита в целях радиационной безопасности. Кольцевой туннель связан с 3 зданиями, которые симметрично расположены вокруг кольца и к которым существует доступ через пересекающий их туннель, а также через систему ходов с ответвлениями. Все другие здания будут расположены к югу от большого кольцевого туннеля. Благодаря наличию большого земельного участка, решение расположить их на поверхности считается более экономичным.
Этапы создания установки
Строительство, ввод в эксплуатацию и начало работы Установки ФАИР будут проходить в 3 этапа. Срок сооружения Установки ФАИР составляет 8 лет.
Первый этап - физика радиоактивных пучков: структура ядра и ядерная астрофизика; исследования по атомной физике и физика плазмы с использованием высокозарядных и (или) радиоактивных ионов.
Второй этап - протон-антипротонная физика и физика релятивистских тяжелых ионов: изучение КХД на пучках протонов и антипротонов с целью исследования фундаментальных симметрий и взаимодействий; физика плотной барионной материи на пучках релятивистских тяжелых ионов с энергией 1-10 ГэВ/а.е.м.; атомная физика релятивистских энергий.
Третий этап - работа комплекса в полном объеме по всем научным программам: параллельное функционирование до 4 исследовательских программ одновременно; полная энергия и светимость для программ по ядерным столкновениям; прецизионное изучение КХД на установке PANDA; исследования по физике плазмы; изучение атомных реакций с использованием пучков высоких энергий.
Поэтапность отражена в последовательности ввода зданий. Планирование было оптимизировано относительно строительных затрат и времени сооружения. Возможны альтернативные варианты, однако их реализация обойдется дороже. Таким образом, за основу был взят план создания Установки ФАИР, предложенный BUNG Beratende Ingenieure. Этапы строительства представлены на рис. 3 (рисунок не приводится) .
V. Радиационная безопасность
План радиационной защиты Установки ФАИР основан на детальных расчетах образования, распространения и ослабления радиации. Были использованы 2 следующие методики:
модель Моэра (закон обратных квадратов и экспоненциальное уменьшение дозы в материале защиты) ;
численное моделирование образования и прохождения радиации через защиту методом Монте-Карло.
Все ко