ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2021, том 84, № 1, с. 53-66

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ

ПРОЕКТ DERICA И СТРАТЕГИЯ РАЗВИТИЯ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

НИЗКИХ ЭНЕРГИЙ

Т. В. Кулевой⁴⁾, И. Н. Мешков^5),6),7), С. М. Полозов²⁾,

А. С. Фомичев^1),8), Б. Ю. Шарков^9),2), П. Ю. Шатунов¹⁰⁾, М. И. Явор¹¹⁾

Поступила в редакцию 24.05.2020 г.; после доработки 24.05.2020 г.; принята к публикации 24.05.2020 г.

Рассматривается возможная стратегия развития ядерной физики низких энергий в РФ, основанная на

развитии проекта DERICA. DERICA — это многопользовательский многофункциональный комплекс

для производства и исследования радиоактивных изотопов. В научной программе DERICA основной

упор делается на исследования РИ в накопительных кольцах, однако стадийная программа развития

комплекса позволит решать широкий круг фундаментальных ядерно-физических задач на передовом

мировом уровне. Для завершающего этапа развития комплекса DERICA предлагается амбициозная

цель по созданию коллайдера электронов и радиоактивных ионов для изучения фундаментальных

характеристик радиоактивных изотопов в электронном рассеянии.

DOI: 10.31857/S0044002721010098

1. ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА НИЗКИХ ЭНЕРГИЙ

этих областях. К сожалению, на настоящий момент

фундаментальная ядерная физика низких энергий

Ядерная физика низких энергий исторически

в РФ практически прекратила существование: экс-

имела огромное значение для развития ряда от-

периментальные исследования мирового класса в

раслей науки и техники в нашей стране. Атомная

области фундаментальной ядерной физики ведутся

энергетика, реакторная физика, ядерная часть обо-

в нашей стране узким фронтом и в основном только

ронного комплекса, нейтронная физика, ядерная

в ОИЯИ.

астрофизика в различных аспектах опираются на

Данное печальное положение имеет принципи-

данные и на экспертизу из фундаментальной ядер-

альные причины. В конце 1980-х и начале 1990-

ной физики низких энергий. Особенно это касается

х гг. в мире происходила смена парадигмы ядер-

не “рутинных”, хорошо отработанных приложений

ной физики низких энергий. От исследований ста-

ядерной физики, а возможности проведения пи-

бильных ядер произошел стремительный переход к

онерских и междисциплинарных исследований в

исследованиям преимущественно на пучках радио-

активных изотопов (РИ): с одной стороны, была

¹⁾Лаборатория ядерных реакций им. Г. Н. Флерова, ОИЯИ,

Дубна, Россия.

в значительной степени исчерпана повестка ис-

²⁾Национальный исследовательский ядерный университет

следований со стабильными ядрами, а с другой

“МИФИ”, Москва, Россия.

стороны, были доведены до рабочего состояния

³⁾НИЦ “Курчатовский институт”, Москва, Россия.

технологии работ с пучками РИ. Основные методы

⁴⁾НИЦ “Курчатовский институт”— ИТЭФ, Москва, Рос-

получения пучков РИ — это in-flight (фрагмента-

сия.

ция быстрого пучка стабильных ядер и сепарация

⁵⁾Лаборатория физики высоких энергий им. А. М. Балдина

фрагментов “налету”) и ISOL (Isotope Separation

и В. И. Векслера, ОИЯИ, Дубна, Россия.

On-Line — сбор осколков индуцированного деле-

⁶⁾Лаборатория ядерных проблем им. В. П. Джелепова,

ОИЯИ, Дубна, Россия.

ния урана). (i) Эффективная генерация пучков

⁷⁾Санкт-Петербургский государственный университет,

РИ в технологии in-flight требует тяжелоионных

Санкт-Петербург, Россия.

ускорителей относительно высоких энергий (50-

⁸⁾Университет “Дубна”, Дубна, Россия.

1500 МэВ/нуклон, чаще всего чем выше, тем луч-

⁹⁾ОИЯИ, Дубна, Россия.

ше, но есть оптимум под каждую задачу). Это

¹⁰⁾Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН,

должен быть не одиночный ускоритель, а каскад

Новосибирск, Россия.

ускорителей с промежуточной обдиркой тяжелых

¹¹⁾Институт аналитического приборостроения РАН, Санкт-

Петербург, Россия.

ионов для повышения зарядового состояния. (ii)

^*E-mail: lgrigorenko@yandex.ru

Эффективная генерация пучков РИ в технологии

ГРИГОРЕНКО и др.

ISOL требует как высокоинтенсивного драйвера

2. ПРОЕКТ DERICA

(электроны, протоны, нейтроны), так и постуско-

рения полученных редких изотопов для проведения

В рамках стратегического плана развития

исследований более широкого класса задач. Таким

ОИЯИ на период 2022-2030 гг. и далее был

образом, от одиночных ускорителей “зари ядерной

предложен проект DERICA (Dubna Electron —

эры” произошел переход к каскадам ускорите-

Rare Isotope Collider fAcility), способный вдохнуть

лей, характерным для комплексов физики высоких

новую жизнь и вывести на мировой уровень

энергий. В этот период развитие научных проектов

исследования в области ядерной физики низких

у нас в стране было заморожено в принципе, и этот

энергий у нас в стране [4, 5]. Проект базируется на

переход в РФ не состоялся.

линейном сверхпроводящем ускорителе тяжелых

Ситуация в мире сегодня характеризуется

ионов квазинепрерывного действия с пучками

активным строительством фабрик радиоактивных

рекордных характеристик. В проекте делается

изотопов нового поколения. К амбициозным про-

акцент на исследованиях короткоживущих РИ

граммам апгрейда давно существующих лидеров в

в накопительных кольцах. Уникальной особен-

этой области — RIKEN → RIBF (Япония, работает

ностью проекта является возможность изучения

с 2007 г.), GANIL → SPIRAL2 (Франция, запуск в

взаимодействий электронов с РИ в коллайдерном

2020 г.), GSI → FAIR (Германия, идет капитальное

эксперименте с целью определения фундаменталь-

строительство), NSCL → FRIB (США, начат мон-

ных свойств ядерной материи — электромагнитных

таж оборудования) — добавились новые “игроки”.

формфакторов экзотических ядер. Отметим клю-

Это исключительно масштабные, создаваемые на

чевые моменты проекта.

“ровном месте” центры исследования радиоак-

тивных изотопов — HIAF (Китай) и RAON (Рес-

публика Корея). HIAF и RAON приближаются к

2.1. Амбициозная задача-максимум

стадии монтажа оборудования. Базовые бюджеты

и широта охвата

всех этих проектов находятся в диапазоне от ∼$1

до ∼$3 млрд.

Проект имеет принципиальную и амбициозную

задачу-максимум — создание коллайдера элек-

Приборная база ядерной физики низких энергий

тронов и радиоактивных изотопов. Ее реализация

в РФ катастрофически устарела. Ее обновление

относится к последней стадии проекта. Однако ряд

ведется силами отдельных институтов и на отдель-

уникальных научных задач мирового класса пред-

ных направлениях. В ЛЯР ОИЯИ в последнее

лагается выполнить по ходу проекта на его ранних

десятилетие все ресурсы были мобилизованы для

стадиях. Так, например, вторичные радиоактивные

обновления исследовательской инфраструктуры. В

2018 г. был запущен новый фрагмент-сепаратор

пучки в диапазоне энергий 20-70 МэВ/нуклон

ACCULINNA-2 [1], и в 2019 г. он дал первые ре-

будут иметь рекордные интенсивности в широком

зультаты мирового класса [2]. В 2019 г. заработала

номинале доступных масс A и зарядов Z. По-

“фабрика сверхтяжелых элементов”, базирующа-

стускоренные пучки РИ исключительного качества

яся на новом ускорителе DC-280 [3], где начата

(чистота, моноэнергетичность, эмиттанс) будут

подготовка первых экспериментов. В НИЦ КИ-

доступны с энергиями до

∼500

МэВ/нуклон.

ПИЯФ дан старт созданию установки ISOL-типа

Другой, очень интересной возможностью является

ИРИНА для исследования РИ на реакторе ПИК.

использование мишени в виде потока свободных

Суммарный бюджет этих проектов (∼$120 млн)

нейтронов (или холодных нейтронов в ловушке)

весьма значителен по отечественным масштабам,

для исследования реакций с ними в накопительных

но незначителен по мировым. Проекты эти “нише-

кольцах. Эти и другие уникальные технические

вые”, т.е. способны выдавать результаты мирового

возможности предлагаемого проекта позволят

класса в узких специфических областях современ-

эффективно исследовать самые сложные фунда-

ной ядерной физики низких энергий. С массовым

ментальные вопросы современной ядерной физики

вступлением в строй фабрик радиоактивных изо-

низких энергий: границы ядерной стабильности

топов нового поколения в 2023-2027 гг. научные

и границы существования ядерной структуры на

возможности этих установок станут мало конку-

карте нуклидов, истоки и механизмы сильного

рентными на мировом уровне. Чтобы кардинально

взаимодействия, в том числе в сильно несим-

переломить ситуацию после трех десятилетий “го-

метричной ядерной материи, существование и

лодного пайка” в отечественной науке, требуется

свойства экзотических видов радиоактивности (2p,

перспективное видение, консолидация усилий и

2n, 4n и т.д.), модификация оболочечной структуры

инвестиции гораздо большего уровня с целью со-

ядер вдали от ядерной “долины стабильности”,

здания ядерно-физического центра (центров) по-

поведение высокозаряженных ионов в условиях,

настоящему мирового класса.

близких к астрофизическим и т.д.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№1

2021

ПРОЕКТ DERICA И СТРАТЕГИЯ РАЗВИТИЯ

2.2. Общий замысел

в разворачивании проекта позволяет уменьшить

многие технологические риски, связанные с проек-

Общий вид установок проекта DERICA пред-

том. В частности, это снимет остроту (но, конечно,

ставлен на рис. 1. Базовой установкой для проекта

не устранит полностью) проблемы обеспечения

DERICA будет являться линейный сверхпроводя-

высококвалифицированными кадрами.

щий ускоритель-драйвер пучка стабильных ионов

LINAC-100, рассчитанный на экстремальные

интенсивности (см. разд. 3.1). Он должен работать

2.4. Возможности прикладных

в квазинепрерывном режиме и обеспечивать на

и междисциплинарных исследований

выходе для тяжелых ионов (Xe, Bi, U) энергию до

100 МэВ/нуклон (отсюда и название ускорителя)

Ускорительный комплекс DERICA является

с интенсивностями ∼20 pμA и для легких ионов

источником пучков любых стабильных ионов с

(B, Ne, Ca) до 160 МэВ/нуклон при ∼300 pμA.

Z = 5-92 исключительно высокой интенсивности

При этом предполагается поэтапное строительство

(1-5 emA) вплоть до энергий ∼160 МэВ/нуклон.

LINAC-100 с возможностью использования пучка

Стабильные и радиоактивные пучки меньших ин-

для экспериментов при более низких энергиях

тенсивностей будут доступны до энергий

по мере готовности ускорителя. РИ, отобранные

∼500 МэВ/нуклон. Это делает ускорительный

фрагмент-сепаратором DFS (DERICA Fragment

комплекс DERICA пригодным для большого

Separator, см. разд.

3.4), останавливаются в

числа прикладных задач из различных областей:

газовой ячейке, аккумулируются в ионной ловушке

физика плазмы и физика высоких плотностей

и передаются ионному источнику, который фор-

энергии, спектроскопия изомерных ядер, нейтрон-

мирует максимально высокое зарядовое состо-

ная физика, материаловедение и радиационная

яние для дальнейшего эффективного ускорения.

стойкость материалов, радиационное тестирова-

Постускорение пучка РИ в проекте DERICA

ние компонент микроэлектроники, радиационная

осуществляется линейным импульсным нормаль-

биология, ядерная и радиационная медицина. При

нопроводящим ускорителем LINAC-30 до энергии

этом вследствие весьма высокой интенсивности

∼30

МэВ/нуклон, после чего он передается

первичных ионных пучков многие из этих задач

комплексу накопительных колец (см. разд. 3.5).

могут решаться в “фоновом режиме” (используя

Для ряда задач требуются более высокие энергии.

незначительную часть полного тока), не пересека-

Так, эффективное функционирование электрон-

ясь с решением основных научных задач.

РИ коллайдера требует энергий ионов

300-

500 МэВ/нуклон. Дальнейшее повышение энергии

ускорения ионов от ∼30 до ∼500 МэВ/нуклон

2.5. Парадигма пользовательского центра

проходит в бустере-синхротроне с максимальным

темпом изменения магнитного поля FRR (Fast

DERICA планируется в современной парадигме

Ramping Ring, рабочий цикл менее

0.1

с). В

пользовательского центра (так называемого user

зависимости от схемы постускорения время до

facility), когда пучковое время на любой установке

инжекции в экспериментальное кольцо CR будет

предоставляется внешним пользователям в соот-

составлять 0.1-0.5 с.

ветствии со стандартизованной процедурой. Ком-

Таким образом, проект DERICA объединяет

плекс, таким образом, должен стать базовым цен-

конструктивные особенности и возможности как

тром по фундаментальной и прикладной ядерной

комплексов РИ, основанных на технологии in-

физике низких энергий у нас в стране и в странах-

flight, так и основанных на технологии ISOL. По

участницах ОИЯИ. При этом группы из различных

сравнению с ранее предложенными подходами

исследовательских организаций получат (а) доступ

концепция DERICA дает существенный выигрыш

к сложным и дорогим инструментам общего поль-

по времени, протекающему до начала измерений,

зования и (б) возможность развивать и эксплуати-

что может быть критично для исследования корот-

ровать свое оборудование без необходимости под-

коживущих РИ.

держивать всю инфраструктуру получения пучков

редких изотопов высокой интенсивности.

2.3. Стадийность проекта

Проект разбит на относительно короткие

2.6. “Окно возможностей”

научно-мотивированные стадии. Первые очереди

проекта дадут научные результаты уже через ∼3-

DERICA — проект умеренной стоимости (оцен-

5 лет после начала строительства. Каждые 3-5 лет

ка ∼$400 млн). В современной физике ядра и

будет вводиться очередная установка, открыва-

элементарных частиц типичная стоимость проектов

ющая новые научные возможности. Стадийность

мирового класса сегодня начинается от величин в

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№1

2021

ГРИГОРЕНКО и др.

начальн.

часть HI

начальн.

часть LI

LINAC-100

Пре-

Эксперим. зал

сепаратор

низких энергий

прикл. исследов.

Накопит

DFS

ольцо

LINAC-30

120 м

ERing

Накопительное

Эксперим. зал

кольцо CR

высоких энергий

Синхротро

FRR

Основной

Остановка

e-LINAC

сепаратор

РИ в газе

250 м

Рис. 1. Предварительный общий вид установок проекта DERICA. Сверхпроводящий сильноточный ускоритель-драйвер

непрерывного действия LINAC-100 доводит энергию пучка стабильных ионов до 100-160 МэВ/нуклон (см. разд. 3.1).

Радиоактивные изотопы рождаются на производящей мишени FT (fragmentation target); первичный пучок и ненужные

фрагменты поглощаются в радиационно-нагруженной зоне пресепаратора DFS. Искомые РИ отбираются основным

сепаратором DFS (см. разд. 3.4) и используются в экспериментальной зоне высоких энергий: либо для реакций при

промежуточных энергиях (50-100 МэВ/нуклон), либо останавливаются в газе. Остановленные в газе РИ ионизуются,

ускоряются импульсным нормально проводящим ускорителем LINAC-30 до ∼30 МэВ/нуклон и передаются комплексу

накопительных колец (см. разд. 3.5). В том числе для дальнейшего ускорения (синхротрон FRR, ∼500 МэВ/нуклон) и

исследования в коллайдере CR/e-Ring.

5-10 раз выше. Возможность создания ядерно-

результаты НИОКР 2019-2020 гг. по направле-

физического комплекса с актуальной и перспек-

ниям ускоритель-драйвер LINAC-100, фрагмент-

тивной на мировом уровне программой, и с отно-

сепаратор DFS, комплекс накопительных колец.

сительно скромным бюджетом определяется осо-

бенностью момента. Например, из-за сложностей в

реализации проекта FAIR часть научной програм-

3.1. Общие замечания по LINAC-100

мы может быть реализована в рамках DERICA.

Физика радиоактивных изотопов активно развива-

Базовой установкой для проекта DERICA будет

ется во многих странах, и это “окно возможностей”

являться ускоритель-драйвер пучка стабильных

не будет длительным.

ионов LINAC-100, возможность реализации про-

ектных параметров которого является ключевым

фактором для успеха всего проекта. Ускоритель

должен работать в непрерывном (continuous wave,

3. СТАТУС ПРОЕКТА DERICA

cw) режиме и обеспечивать на выходе для тяжелых

В настоящий момент в ОИЯИ развернута

ионов (Xe, Bi, U) энергию до 100 МэВ/нуклон

программа по проведению НИОКР, созданию

(отсюда и название ускорителя) с интенсивностя-

прототипов “критических” компонентов проекта

ми ∼20 pμA и для легких ионов (B, Ne, Ca) до

и технико-экономическому обоснованию всего

160 МэВ/нуклон при ∼300 pμA. При этом пред-

проекта DERICA. Эта программа выполняется в

полагается поэтапное строительство LINAC-100

сотрудничестве с ведущими отечественными цен-

с возможностью использования пучка для экс-

трами, прежде всего НИЦ КИ-ИТЭФ, МИФИ,

периментов при более низких энергиях по мере

ИЯФ СО РАН, РФЯЦ-ВНИИТФ. К критическим

готовности ускорителя, см. “экспериментальный

компонентам проекта относятся узлы и установ-

зал низких энергий” на рис. 1. Для достижения

ки, от которых зависит выполнимость научной

заявленных амбициозных параметров пучка тяже-

программы DERICA в целом и/или для развития

лых ионов на выходе ускорителя-драйвера LINAC-

которых требуется длительное время. Научная

100 требуется проведение НИР с использованием

программа проекта опубликована в работе [4]. Со

самых передовых технологий. Значительные успе-

статусом программы DERICA можно ознакомить-

хи в развитии линейных тяжелоионных ускорите-

ся также на сайте [5]. Предполагаемый общий вид

лей были достигнуты в последнее десятилетие в

базовых установок проекта DERICA показан на

IMP (Ланчжоу, Китай), GANIL (Кан, Франция)

рис. 1. Далее в этом разделе кратко представлены

и FRIB (Ист-Лансинг, США) [6-12]. С учетом

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№1

2021

ПРОЕКТ DERICA И СТРАТЕГИЯ РАЗВИТИЯ

этого опыта и прогрессирующих технологий уско-

получены в источниках на основе электронно-

рения частиц проектируемый ускоритель LINAC-

циклотронного резонанса (ЭЦР-источниках). На-

100 может превзойти по интенсивности в 3-30 раз

чальная часть ускорителя включает ЭЦР ион-

существующие мировые аналоги.

ный источник (или несколько источников), канал

для шестимерного согласования пучка при низких

Для создания высокоинтенсивного ускорителя

энергиях, ускоряющую секцию с RFQ и несколь-

тяжелых ионов и достижения заявленных парамет-

ров пучка ионов в LINAC-100 необходимо решить

ко коротких IH-резонаторов (нормально- и/или

ряд принципиальных задач, основными из которых

сверхпроводящих).

являются:

Базовая версия общей схемы LINAC-100 пока-

1. Генерация и формирование ионных пучков

зана на рис. 2. Для задач проекта DERICA должны

с максимально высоким зарядовым состоянием и

ускоряться ионы в широком диапазоне A/Z ∼ 3-8.

интенсивностью не менее 20 pμA и минимально до-

Создание RFQ под такой диапазон возможно, но

стижимым эмиттансом пучка (требование по эмит-

его габариты будут очень велики. Поэтому возмож-

тансу является абсолютно критическим, так как

ны два подхода.

при высоких проектных токах и энергиях ускорение

(i) Может быть использована универсальная

должно происходить практически без потерь);

начальная часть, оптимизированная на тяжелые

ионы с A/Z ∼ 7, а ускорение в ней легких ионов

2. Разработка начальной части ускори-

будет идти с невысокой зарядностью (например,

тельного комплекса, включающей структуру с

ионов бора с зарядностью 2+ и кальция с за-

пространственно-однородной квадрупольной фо-

рядностью 6+). Для легких ионов в этом случае

кусировкой (ПОКФ, Radio Frequency Quadrupole

потребуется в составе начальной части отдельный

focusing, RFQ), резонаторы с трубками дрейфа

ионный источник.

(DTL) и каналы шестимерного согласования

(ii) Альтернативой является включение в состав

ионного пучка между ними, а также ионного пучка,

ускорителя двух начальных частей: для относи-

генерируемого ионным источником, с RFQ;

тельно легких ионов от бора до кальция (LI) и

3. Разработка технологий изготовления, на-

тяжелых ионов (HI) вплоть до урана (именно эта

стройки и поддержания стабильности параметров

версия схемы LINAC-100 показана на рис. 2).

нормальнопроводящих RFQ- и DTL-резонаторов

В большинстве проектов ускорителей-драйверов

при работе в cw-режиме;

ионных пучков для уменьшения длины и стоимости

4. Разработка систем для ускорения ионных

ускорителя используются стрипперы, позволяю-

пучков на основе СП-резонаторов и освоение тех-

щие повысить зарядность ускоряемых ионов и тем

нологий их производства;

самым уменьшить величину полного ускоряющего

напряжения. Энергия, при которой устанавли-

5. Разработка ВЧ-генераторов, предпочтитель-

вается стриппер, значительно различается для

но на твердотельных усилителях, работающих в

cw-режиме;

различных проектов: от 1.4 МэВ/нуклон на уско-

рителе UNILAC (GSI, Дармштадт, Германия) до

6. Разработка систем диагностики высокоин-

25 МэВ/нуклон на ускорителе FRIB (MSU, Ист-

тенсивного cw-пучка в широком диапазоне энер-

Лансинг, США). В LINAC-100 предполагается

гий.

установить стриппер при энергии пучка ионов

В настоящее время проекты ускорителей-

порядка 10 МэВ/нуклон.

драйверов для производства радиоактивных изото-

Выбор энергии перехода к СП-резонаторам для

пов, а также ускорителей для ядерной энергетики

ускорения пучка в диапазоне энергий от 0.3-0.5

или генераторов нейтронов на основе реакции

скалывания (Spallation Neutron Source, SNS) в

(на выходе секции с RFQ) до 10 МэВ/нуклон

мире разрабатываются и создаются по практи-

является одним из сложных вопросов при проекти-

чески одинаковым схемам: линейный ускоритель

ровании LINAC-100. В настоящее время он актив-

RFQ и модульная часть ускорителя, большая

но прорабатывается с учетом зарубежного опыта.

часть которого построена на сверхпроводящих

Необходимо отметить, что выбор энергии перехода

элементах. Однако следует понимать, что ряд

на сверхпроводящие резонаторы должен зависеть

не только от результатов моделирования дина-

вопросов не имеет общепринятых решений, и

мики пучка и оптимизации электродинамических

должны быть найдены решения, адаптированные

характеристик резонаторов, но и от сравнитель-

непосредственно к проекту DERICA.

ной стоимости и энергопотребления нормально-

Тяжелые ионы (HI) с зарядностью A/Z ∼ 6-8

и сверхпроводящего вариантов для этого участка

при интенсивности в несколько десятков pμA и

ускорителя, а также от уровня развития технологии

легкие ионы (LI) с зарядностью A/Z ∼ 3-4 при

производства сверхпроводящих резонаторов в РФ

интенсивности в несколько сотен pμA могут быть

и за рубежом.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№1

2021

ГРИГОРЕНКО и др.

Stripper +

ECR+LEBT 14 м

RFQ 12 м

NC IH 20 м

SC CH 25 м

Separator 15 м

SC HWR/QWR 40 м

начальн. часть HI

RFQ 6

SC CH 10 м

ECR+LEBT 14 м

NC IH 10 м

Chikane 10 м

начальн. часть LI

SC Spoke 30 м (2nd group)

SC Spoke 30 м (3nd group)

HEBT ? m

Рис. 2. Общая схема ускорителя-драйвераLINAC-100. ECR — ионный источник на электрон-циклотронномрезонансе;

LEBT — канал транспортировки пучка при низких энергиях, в котором происходит шестимерное согласование его

параметров на вход в первую ускоряющую секцию; RFQ — ускоритель-группирователь с пространственно-однородной

квадрупольной фокусировкой; NC IH — нормально проводящие ускоряющие резонаторы H-типа; SC CH — сверхпро-

водящие ускоряющие резонаторы H-типа, например CH-резонаторы; Stripper + Separator — стриппер для повышения

зарядности пучка и магнитная система для сепарации ионов с заданной зарядностью; SC HWR/QWR — сверхпро-

водящие четверть- и полуволновые коаксиальные ускоряющие резонаторы; SC Spoke — сверхпроводящие Spoke-

резонаторы (“спицевые”), две группы; HEBT — канал транспортировки пучка при высоких энергиях. Это резервное

место, и его длина определяется закладываемой возможностью апгрейда LINAC-100 по энергии (предположительно до

200 МэВ/нуклон).

При энергиях выше 10 МэВ/нуклон в настоя-

разработке системы формирования ионного пуч-

щее время используются только сверхпроводящие

ка, призванной минимизировать эмиттанс пучка с

резонаторы. Так как при энергии от 10 до 100-

требуемой для проекта DERICA интенсивностью.

160 МэВ/нуклон нет возможности использовать

Работа ведется при поддержке экспертов из GSI,

только один типоразмер СП-ускоряющих резо-

LNL-INFN (Леньяро, Италия), IMP (Ланчжоу,

наторов, этот участок разбивается на несколько

Китай). При создании высоковольтной платформы

групп (конкретно — три), каждая из которых со-

используется опыт создания платформ для цикло-

стоит из идентичных резонаторов.

трона DC-280 [15], линейных ускорителей в LNL-

INFN [16] и индийского проекта IPR [17].

Разработка cw-RFQ ведется совместными уси-

3.2. Прототип начальной части LINAC-100

лиями ИТЭФ и ВНИИТФ им. Е. И. Забабахина с

Интенсивность пучка, достижимая на линейном

использованием их успешного опыта по разработке

ускорителе, ограничивается прежде всего произ-

линейного ускорителя в рамках проекта NICA [13].

водительностью его начальной части. Для реше-

На сегодняшний день технология создания cw-

ния этой задачи в рамках проекта DERICA на-

RFQ находится в стадии освоения ведущими уско-

чато проектирование стенда — прототипа началь-

рительными лабораториями мира. Уже есть приме-

ной части. Стенд включает в себя высоковольтную

ры действующих cw-RFQ, однако работающих на

платформу (∼200 кВ) с расположенным на ней

пучках малой интенсивности [14]. Специалистами

ЭЦР-источником, канал шестимерного согласова-

ИТЭФ были рассмотрены несколько вариантов

ния пучка, генерируемого ЭЦР, с RFQ, а также

формирования ускорительного канала для пучка

начальные секции RFQ, см. рис. 3.

ионов U³⁴⁺ интенсивностью 1 емА и эмиттансом

На сегодняшний день практически единствен-

1π мм мрад. Возможность получения пучка с та-

ным решением в области генерации высокоинтен-

кими рекордными характеристиками еще не име-

сивных непрерывных пучков ионов высокой заряд-

ет экспериментального подтверждения. Поэтому

ности являются ЭЦР-источники. На лучших ЭЦР-

при разработке начальной секции HI для LINAC-

источниках с магнитной системой на сверхпровод-

100 закладывалось отношение аксептанса канала

никах и работающих на частоте 28 ГГц, создан-

к эмиттансу пучка, равное шести. По результатам

ных в IMP (Ланчжоу, Китай) и LBNL (Беркли,

моделирования было показано, что при исполь-

США) [13, 14], требуемые для проекта DERICA

зовании гармонического банчера на входе в RFQ

интенсивности достигнуты для ионов урана с за-

для шестимерного согласования можно добиться

рядом 34+. В ЛЯР ОИЯИ имеется богатый опыт

100% захвата ионов в режим ускорения, см. рис. 3.

разработки ЭЦР-источников и совместно с НИЦ

При этом обеспечивается минимальный рост попе-

КИ-ИТЭФ начата работа по созданию источника

речного и, самое главное, продольного эмиттансов

данного поколения. В работу вовлечены НИИЭФА

пучка. Разработан вариант нормальнопроводящего

им. Ефремова (С.-Петербург) и ИПФ РАН (Ниж-

канала, обеспечивающий 100% ускорение ионов

ний Новгород). Одновременно начата работа по

пучка от выхода RFQ (работающего на частоте

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№1

2021

ПРОЕКТ DERICA И СТРАТЕГИЯ РАЗВИТИЯ

Low-energy

RFQ accelerator

beam transport

line (LEBT)

ECR ion source

High-voltage platform ~ 200 kV

0.1

0.01

0.001

-10

0.0001

-20

0.1

0.01

0.001

-10

0.0001

-20

200

0.1

100

0.01

0.001

-100

0.0001

-200

Position, m

Рис. 3. Предполагаемая конфигурация стенда начальной части ускорителя LINAC-100 и результат моделирования

динамики пучка в RFQ (40.625 МГц) при шестимерном согласовании пучка.

40.625 МГц) до энергии 10 МэВ/нуклон и вклю-

ров пучка ведутся разработки специализированных

чающий два типа DTL (работающих на частотах

датчиков силами ОИЯИ, ИТЭФ и ИЯИ РАН. В

81.25 и 162.5 МГц) на основе малозазорных ре-

дальнейшем, по мере создания узлов установки,

зонаторов. Целесообразность создания нормаль-

будет создана начальная часть на основе источника

нопроводящего канала обусловлена минимизацией

28 ГГц ЭЦР и RFQ, доведенного до полной энергии

рисков, а также тем фактом, что выход на эту энер-

(∼12 секций RFQ), а данный стенд будет использо-

гию позволит начать осуществление эксперимен-

ваться как стенд новых ускорительных технологий.

тальной научной программы по ряду направлений:

барьеры деления сложных ядер, реакции много-

3.3. Сверхпроводящая часть LINAC-100

нуклонных передач, прикладные исследования и

др. [4].

Сравнительная эффективность нормально- и

сверхпроводящих (СП) ускоряющих структур

На начальном этапе запланированы работы с

определяется различием физических эффектов,

пучком по настройке канала шестимерного согла-

ограничивающих предельную напряженность по-

сования и тестированию нескольких (2-4) секций

ля в резонаторах. Для нормальнопроводящих

RFQ с использованием 14 ГГц ЭЦР на постоянных

ускоряющих структур она ограничена высокоча-

магнитах (низкая зарядность, но высокий ток —

стотным пробоем, для сверхпроводящих — квенч-

например, ∼3 емА¹⁴N²⁺). Предполагается, что

эффектом, который возникает при повышении

ВЧ-мощность для резонаторов будет получена от

предельного магнитного поля на поверхности резо-

твердотельных усилителей мощности. В РФ вы-

натора. В отдельных случаях предельно возможное

пуском таких усилителей занимаются два центра:

поле в СП-резонаторах оказывается в 2.0-3.5 раза

ТРИАДА-ТВ и НИИТФА. Для оснащения стен-

выше по сравнению с нормальнопроводящими.

да современными системами диагностики парамет-

Также в последнее десятилетие наблюдается отказ

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№1

2021

ГРИГОРЕНКО и др.

итоговой зарядности будет составлять 20-25%.

Для повышения интенсивности пучка после обдир-

ки можно рассмотреть возможность совместного

ускорения в сверхпроводящей части трех соседних

зарядностей, что теоретически позволит сохранить

более 60% интенсивности исходного пучка, однако

до настоящего времени этот способ эксперимен-

тально для непрерывных пучков не проверен (в

ускорителе-драйвере комплекса FRIB планирует-

ся ускорить после стриппера две соседние заряд-

ности).

После стриппера следует основная сверх-

проводящая часть ускорителя, предназначенная

для ускорения пучка в диапазоне энергий 10-

100

МэВ/нуклон. По результатам моделиро-

вания динамики пучка

[19] эту часть ускори-

теля предложено разделить на три участка с

резонаторами различных типов. Первая группа

должна состоять из коаксиальных двухзазорных

Рис.

4. Разработанные коллаборацией ОИЯИ,

МИФИ, ФТИ НАНБ и ИЯП БГУ сверхпроводящие

полуволновых резонаторов (до энергии около

полуволновые (a) и четвертьволновые (б) ускоряющие

МэВ/нуклон), при более высоких энергиях

резонаторы.

предполагается использовать два типа Spoke-

резонаторов. Численное моделирование динамики

показало, что общее число резонаторов, которые

от применения классических резонаторов Е-типа с

необходимо использовать в диапазоне энергий 10-

трубками дрейфа (ускорителей Альвареца) в поль-

100 МэВ/нуклон, составляет 92, а общая длина

зу более компактных и энергоэффективных уско-

сверхпроводящей части составит около 100 м (без

рителей на основе резонаторов Н-типа. Например,

учета технологических промежутков, необходимых

для промежуточных энергий (от 1.4 МэВ/нуклон)

для размещения блоков диагностики параметров

в GSI была показана работоспособность много-

пучка и поворотных магнитов, предназначенных

зазорных сверхпроводящих СН-резонаторов [18],

для отвода пучка в экспериментальные каналы).

однако более эффективными они становятся при

Ключевой проблемой в создании СП-части

энергии выше 3-3.5 МэВ/нуклон.

LINAC-100 является отсутствие у нас в стране

Для LINAC-100 была промоделирована ди-

технологий, необходимых для их серийного про-

намика пучка в СН-резонаторах для диапазона

изводства. За последние годы коллаборацией

энергий 3-10 МэВ/нуклон. В ходе исследования

ОИЯИ, МИФИ и ряда белорусских организаций, в

динамики пучка в LINAC-100 было показано, что

основном ФТИ НАНБ и ИЯП БГУ, начаты работы

необходимо будет использовать или 15 СП шести-

по освоению таких технологий [20, 21]. Заверше-

зазорных СН-резонаторов (90 ускоряющих зазо-

на разработка сверхпроводящего полуволнового

ров), или 44 аналогичных нормальнопроводящих

коаксиального резонатора, изготовлен его медный

резонатора (264 зазора). Вместе с тем необходимо

прототип, который показал полное соответствие

отметить большую сложность изготовления и вы-

параметров расчетным значениям. Изготовление

сокую стоимость СП СН-резонаторов.

первого СП-резонатора из ниобия ожидается в

конце 2020 г. На рис. 4 показаны разработанные

При энергии пучка до 10 МэВ/нуклон предпо-

модели полуволновых и четвертьволновых резо-

лагается установить стриппер, который позволит

наторов, изготовление и тестирование которых

сильно повысить зарядность ионов урана с U³⁴⁺

ведется в настоящее время.

до U⁶⁰⁺, что сократит необходимое количество

резонаторов и существенно уменьшит стоимость

ускорителя. Тип стриппера (газовый или на жидком

3.4. Фрагмент-сепаратор DFS

литии) в настоящее время обсуждается, так как

в различных тяжелоионных ускорителях исполь-

При интенсивностях ∼20-300 pμА (∼10¹⁴-

зуются разные подходы. В ускорителе UNILAC

10¹⁵ ионов в секунду) на выходе DFS мы должны

(GSI) много лет успешно эксплуатируется газовый

получать ∼10³-10⁹ вторичных ионов в секунду (в

стриппер, в проекте FRIB планируется использо-

зависимости от задачи). На производящей мишени

вание жидкого лития. Необходимо отметить, что

ивзонеостановкипервичного пучка всуммеможет

для ионов урана эффективность обдирки для одной

выделяться до мегаватта тепловой энергии. При

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№1

2021

ПРОЕКТ DERICA И СТРАТЕГИЯ РАЗВИТИЯ

этом может генерироваться до 5 × 10¹⁴ нейтронов в

В режиме (I) первые два дипольных магнита вклю-

секунду (это даже позволяет планировать проведе-

чены по схеме сложения дисперсий, ахроматич-

ние прикладных исследований с нейтронами). Тех-

ный дегрейдер расположен в середине основного

нические требования, предъявляемые к перспек-

сепаратора, а последние два дипольных магни-

тивному фрагмент-сепаратору проекта DERICA,

та компенсируют дисперсию первых, обеспечивая

являются по-настоящему экстремальными.

ахроматичную транспортировку пучка. Разрешаю-

щая способность первого порядка основного сепа-

Сепаратор фрагментов выполнен по двухкас-

ратора в этом режиме составляет P/ΔP = 3000,

кадной схеме, включающей пресепаратор и основ-

а дисперсия по импульсу в плоскости дегрейдера

ной сепаратор со сложением дисперсий каскадов,

равна 5 м. В режиме (II) ахроматичный дегрей-

см. рис. 5. Такая двухкаскадная схема реализована

дер расположен в плоскости изображения между

на фрагмент-сепараторе BigRIPS (RIKEN, Япо-

первым и вторым дипольными магнитами, кото-

ния) [22] и является стандартной для перспектив-

рые включены по схеме компенсации дисперсии

ных фабрик РИ: конструкция пресепаратора в зна-

первого магнита вторым. При этом ахроматичное

чительной мере определяется необходимостью ор-

изображение образуется в средней плоскости ос-

ганизовать поглощение первичного пучка высокой

новного сепаратора, в которой производится про-

интенсивности (см., например, SuperFRS@FAIR

странственная сепарация фрагментов. Разрешаю-

[23] или ARIS@FRIB [24]). Для упрощения экс-

щая способность основного сепаратора в таком

плуатации DFS в экстремальных радиационных

режиме равна P/ΔP = 1500, а дисперсия по им-

условиях была поставлена задача создания высо-

пульсу в плоскости дегрейдера составляет 5.4 м.

коэффективной установки, используя только нор-

Оставшаяся вторая половина основного сепара-

мальнопроводящие магнитные элементы. Список

тора используется при этом как транспортирую-

элементов включает 6 дипольных магнитов,

щая система для времяпролетной идентификации

квадрупольных, 26 секступольных и 12 октуполь-

фрагментов. В режиме (II) аксептанс основного

ных линз. Учитывая мировой опыт фабрик РИ,

сепаратора по импульсу несколько уменьшается и

была предложена С-образная схема магнитных

составляет ΔP/P = ±2.5% (FWHM).

элементов с общим углом поворота 174^◦ , предпо-

лагающим наличие перед мишенью дополнитель-

ного 6^◦ отклоняющего магнита для того, чтобы

3.5. Комплекс накопительных колец

исключить обратный поток “баллистических” ча-

В настоящий момент в рамках проекта DERICA

стиц от производящей мишени в ускоритель. Все

предлагается создание комплекса из трех накопи-

мультипольные магниты, кроме двух первых квад-

тельных колец, см. рис. 1. Бустер-ускоритель Fast

руполей, имеют диаметр апертуры 35 см. Высота

Ramping Ring (FRR) предназначен для захвата

межполюсного зазора дипольных магнитов 10 см.

и последующего ускорения пучка редких ионов,

Сепаратор рассчитан на магнитную жесткость

поступающего из линейного ускорителя LINAC-

исследуемых фрагментов до 7 Тм. Угловой аксеп-

30. Накопительное кольцо Collector Ring (CR)

танс сепаратора составляет ±50 мрад в плоско-

оптимизировано для проведения различных экс-

сти дисперсии и ±30 мрад в перпендикулярном

периментов с накопленным пучком РИ. Одним из

направлении. Аксептанс по импульсам составляет

важнейших экспериментов всего проекта является

ΔP/P = ±3% (FWHM). Ионно-оптическая схе-

изучение внутренней структуры экзотических ядер

ма сепаратора выполнена с полной компенсацией

с помощью рассеяния на них встречного пучка

пространственных аберраций изображения второ-

электронов высокого качества. Для создания таких

го порядка и компенсацией наиболее существенных

пучков используется кольцо Electron Ring, имею-

аберраций третьего порядка.

щее с CR одно место встречи. Дополнительно рас-

В пресепараторе использованы дипольные маг-

сматривается вопрос о необходимости четвертого

ниты с 35^◦ углом поворота и наклонной выход-

кольца, специализированного для экспериментов

ной границей для создания промежуточной про-

с ионами в области низких энергий (Low-Energy

странственной фокусировки пучка фрагментов в

Ring — LERing).

месте расположения гасителя первичного пучка

Инжекция в бустер-ускоритель FRR про-

(см. рис. 5). Пресепаратор обладает разрешаю-

исходит в многооборотном режиме на энергии

щей способностью первого порядка P/ΔP = 1500

30 МэВ/нуклон. Апертуры магнитных элементов

при диаметре первичного пучка на мишени 1 мм.

кольца могут быть относительно небольшими, так

Дисперсия по импульсу в плоскости дегрейдера

как поступающий пучок уже заранее охлажден

(средней плоскости пресепаратора) составляет 2 м.

согласно схеме всего проекта. Максимальная

Основной сепаратор использует четыре диполь-

энергия, до которой ускоряются РИ, составляет

ных магнита с углами поворота 26^◦ и может рабо-

500 МэВ/нуклон. Таким образом, энергия пучка

тать в двух режимах, показанных на врезке рис. 5.

изменяется в 17 раз, но жесткость магнитного поля

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№1

2021

ПРОЕКТ DERICA И СТРАТЕГИЯ РАЗВИТИЯ

±20 mrad

ions

fission fragments

190 cm

Рассеянные

электроны

e^-

Вак. камера

Кремниевый детектор

Ионы

B = 3-6 T

Рис. 7. a — Схема организациипромежутка встречи со стандартным электронным спектрометром (“бабочка”). б — Схе-

ма продольного сечения альтернативного электронного спектрометра с тороидальными сверхпроводящими катушками.

изменяется менее чем в 5 раз, от 2.1 до 9.8 Т,

количества экспериментальных промежутков. Об-

что упрощает достаточно амбициозную задачу по

щая длина кольца — 193 м, а длина каждого из

созданию бустер-накопителя с рабочим циклом в

шести прямых участков — около 10 м. Один про-

0.1 с. Предлагаемая на данном этапе разработки

межуток занят под однооборотную инжекцию —

длина кольца составляет 105 м, что при радиусе

накопитель может работать как в режиме с рас-

поворота в 6.1 м дает изменение поля в поворотных

пущенным пучком, для чего требуется выключить

магнитах от

0.35

до

1.6

Т. Такие параметры

ВЧ-систему после впуска, так и в многосгустко-

могут быть обеспечены без использования сверх-

вом режиме с общим количеством банчей до 120.

проводящих элементов для создания магнитной

В другом техническом промежутке расположена

структуры кольца. Секторные поворотные магниты

установка электронного охлаждения, что необхо-

сгруппированы по два и имеют угол поворота

димо для поддержания высокого качества пучка во

в 15^◦. Оптика кольца использует дублетную схему

время экспериментов (например, эмиттанс пучка

квадрупольных линз, что дает большую гибкость

ионов порядка 50 мм мрад в режиме коллайдера

по выбору бетатронной рабочей точки и большой

при токах до 1.5 × 10¹⁰ частиц¹¹Be⁴⁺). На данном

аксептанс, что необходимо для многооборотной

этапе разработки использование стохастического

инжекции

[25]. Двенадцатикратная симметрия

охлаждения не предполагается. Остальные четы-

позволяет подавить большую часть бетатронных

ре промежутка CR используются для размещения

резонансов. Оптические функции для одного

экспериментов, в частности экспериментов с газо-

периода кольца представлены на рис. 6a. При этом

вой мишенью, с нейтронной мишенью и с встреч-

градиенты магнитного поля в квадрупольных лин-

ными электрон-ионными пучками. Оптика кольца

зах умеренные, до 5 Т/м. После инжекции пучок

оптимизирована таким образом, чтобы с помощью

группируется с помощью ВЧ-системы, ускоряется

ахроматических арок дисперсия пучка занулялась

до энергии эксперимента и перепускается в CR по

во всех прямых промежутках. Каждая арка состоит

однооборотной схеме. Возможно использование

из четырех секторных поворотных магнитов с углом

дополнительных структур ВЧ для объединения

15^◦ и полем до 1.6 Т (не исключается использо-

сгустков перед выпуском.

вание однотипных магнитов с бустер-накопителем

для удешевления проекта) и семи квадрупольных

Накопительное кольцо CR имеет шестигранную

линз длиной 1 м и силой до 5 Т/м. Оптические

форму, что позволяет лучше вписаться в рабо-

функции одного периода кольца представлены на

чий зал проекта DERICA и дает дополнитель-

рис. 6б.

ные возможности для одновременного проведе-

ния нескольких исследований за счет достаточного

Самым сложным экспериментом с точки зрения

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№1

2021

ГРИГОРЕНКО и др.

ускорительной инфраструктуры является, без-

электронного охлаждения, от параметров встречи

условно, эксперимент со встречными пучками

и многих других. Предварительные оценки показы-

электронов и редких ионов. Так как проведение

вают, что предельная достижимая светимость для

эксперимента требует значительного изменения

пучка ионов¹¹Be⁴⁺ составляет 5 × 10²⁹ см-2 с-1,

магнитной структуры экспериментального кольца

а для²³⁸U⁹²⁺ — 2 × 10²⁷ см-2 с-1. Оценки де-

и оба типа пучков невозможно накапливать в одном

лались для энергии ионов 300 МэВ/нуклон. В

кольце ввиду значительно различных релятивист-

данный момент в разработке находятся два вари-

ских параметров β, то рассматривается следующая

анта электронного спектрометра для промежутка

схема эксперимента — пучки электронов накапли-

встречи. Один, нормальнопроводящий, наследует

ваются в отдельном пучке Electron Ring, имеющем

принципы, предложенные при разработке анало-

существенно меньший периметр по сравнению

гичного проекта ELISE@FAIR [26]. Отворачива-

с CR, а место встречи вынесено относительно

ющее поле для рассеянных электронов в этом

стандартной орбиты ионного кольца с помощью

варианте создается с помощью специально профи-

специальной (так называемой “bypass”) структуры.

лированного дипольного магнита, а последующая

Таким образом, можно отдельно сгруппировать все

фокусировка с помощью серии дополнительных

дополнительные элементы, необходимые только

квадрупольных линз и магнитов. Положительными

для работы в режиме коллайдера и миними-

сторонами этого варианта являются относительная

зировать накладываемые ими ограничения на

простота конструкции, отрицательными — малый

остальные режимы работы. Таковыми элементами

захватываемый телесный угол: ±30 мрад по верти-

являются квадруполи финального фокуса обоих

кали и 10-45^◦ относительно орбиты установки по

колец, необходимые для создания малых размеров

горизонтали. Альтернативным вариантом, сильно

пучков в месте встречи, поворотные магниты и

смягчающим требования по светимости, являет-

дипольные корректоры для сведения и разведения

ся спектрометр, где для создания отклоняющего

пучков, датчики положения пучков, детекторы

поперечного магнитного поля используются торо-

рассеянных ионов, детектор-спектрометр для

идальные катушки, а детектирование происходит

регистрации электронов, рассеянных на ядрах

прямо на стенках вакуумной камеры, см. рис. 7б. В

редких ионов. Общая длина bypass-структуры

этом варианте детектируемый телесный угол рассе-

около 30 м, а место встречи сдвинуто относительно

янных электронов составляет практически 4π, од-

стандартной орбиты CR примерно на 1.5 м. Все

нако создание магнитного поля надлежащего каче-

магнитные элементы вокруг промежутка встре-

ства в таком случае является задачей высочайшей

чи имеют противоречивые параметры — с одной

сложности. Проектная относительная разрешаю-

стороны, они должны иметь большую апертуру,

щая способность спектрометра будет составлять

так как поперечный размер пучка быстро рас-

∼10-4.

тет с удалением от места встречи, с другой —

высокие значения градиентов магнитного поля,

при сохранении его качества. Чтобы выполнить

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

все эти требования, предлагается использовать

для элементов bypass сверхпроводящие магниты.

Значимость проекта DERICA велика не только

Общая схема промежутка встречи показана на

для решения фундаментальных задач ядерной фи-

рис. 7a.

зики, но и для развития технологической базы фи-

Электронное кольцо Electron Ring имеет пе-

зических исследований. Высокочастотная сверх-

риметр 56 м. Его длина подобрана таким обра-

проводимость, ВЧ-электроника и силовая элек-

зом, чтобы один сгусток электронов сталкивал-

троника, технологии линейных нормальнопроводя-

щих и сверхпроводящих ускорителей, работающих

ся с пятью сгустками редких ионов. При этом

учтены разницы в скоростях для электронов,

в квазинепрерывном режиме, технологии высо-

движущихся практически со скоростью света,

кого вакуума, мишенный комплекс на мощность

и ионов, имеющих β ≈ 0.75 для максимальной

пучка порядка 1 МВт и другие “экстремальные”

технические аспекты проекта DERICA потребуют

энергии 500 МэВ/нуклон. Такая схема может вести

привлечения возможностей значительного числа

к усилению когерентных эффектов встречи, но

отечественных научных и инженерных организа-

позволяет минимизировать стоимость создания

ций. В частности, экспертиза организаций государ-

установки. Энергия электронного кольца может

ственной корпорации “Росатом” будет необходима

варьироваться в пределах 200-500

МэВ. Все

при создании роботизированного мишенного ком-

магнитные элементы электронного кольца, кроме

плекса, работающего в условиях экстремальных

элементов промежутка встречи, предполагаются

радиационных нагрузок.

нормальнопроводящими.

Светимость в эксперименте со встречными пуч-

Выполнение проекта DERICA можно начи-

ками электронов и редких ионов зависит от про-

нать в рамках бюджета ОИЯИ в ограниченном

изводительности источника ионов, от мощности

виде (ускоритель на половинную энергию плюс

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№1

2021

ПРОЕКТ DERICA И СТРАТЕГИЯ РАЗВИТИЯ

фрагмент-сепаратор). Даже в таком виде предла-

K. Zhu, Y. R. Lu, X. J. Yin, Y. Q. Yang, S. L. Gao,

гаемый комплекс станет основой перспективной

Z. Wang, Y. He, G. Liu, X. H. Zhang, Y. J. Yuan,

научной программы ОИЯИ мирового класса в об-

H. W. Zhao, J. W. Xia, and C. E. Chen, Nucl. Instrum.

Methods Phys. Res. A 794, 113 (2015).

ласти физики радиоактивных изотопов. В полном

R. Ferdinand, M. Di Giacomo, H. Franberg,

виде проект DERICA относится к классу “мегасай-

J.-M. Lagniel, G. Normand, A. Savalle, and

енс” и в действительности представляет собой не

D. Uriot, in Proceedings of the 10th International

рядовой проект создания изолированной установ-

Particle Accelerator Conference (IPAC2019),

ки, а стратегию развития фундаментальной физики

Melbourne, Australia, JACoW Publishing, p. 848,

низких энергий в РФ на десятилетия вперед.

doi:10.18429/JACoW-IPAC2019-MOPTS006

Авторы благодарны дирекции ОИЯИ и прежде

M. Di Giacomo, R. Ferdinand, H. Franberg,

всего директору ОИЯИ академику В.А. Матвееву

J.-M. Lagniel, G. Normand, M. Desmons, Ph. Gal-

за постоянный интерес и финансовую поддержку

demard, Y. Lussignol, O. Piquet, and S. Sube, in

проекта. Авторы выражают глубокую признатель-

Proceedings of the 9th International Particle

ность коллегам из перечисленных в статье научных

Accelerator Conference (IPAC2018), Vancouver,

центров, внесших и вносящих свой вклад в про-

BC, Canada, p. 2804.

движение проекта. Нельзя не упомянуть вклад всех

E. Pozdeyev, J. Brandon, N. Bultman, K. Davidson,

соавторов базовой работы по проекту DERICA в

P. Gibson, L. Hodges, K. Holland, M. Konrad,

журнале УФН [4]. Особая благодарность за ак-

S. Lidia, G. Machicoane, H. Maniar, T. Maruta,

тивное участие в работах по проекту С.Л. Бо-

D. Morris, P. Morrison, C. Morton, P. Ostroumov,

гомолову, А.А. Ефремову (ОИЯИ), М.А. Гусаро-

et al., in Proceedings of the 9th International

вой, В.С. Дюбкову, М.В. Лалаяну, Ю.Ю. Лозееву,

Particle Accelerator Conference (IPAC2018),

Vancouver, BC, Canada, p. 58.

Т.А. Лозеевой, С.В. Мациевскому, А.В. Самоши-

10.

Y. Yang, Y. H. Zhai, Y. J. Zhai, L. T. Sun,

ну (МИФИ), А.Л. Ситникову, А.И. Семенникову,

L. P. Sun, X. B. Xu, L. B. Shi, L. Lu, Y. H.

В.Г. Кузьмичеву, Д.Н. Селезневу, А.В. Зиятди-

Guo, B. S. Gao, and H. W. Zhao, in Proceedings

новой, Е.Р. Хабибулиной (ИТЭФ), В.И. Залес-

of the 10th International Particle Accelerator

скому (ФТИ НАНБ), П.Н. Остроумову (FRIB),

Conference (IPAC2019), Melbourne, Australia,

В.А. Барту, Х. Гайсселю, Х. Симону, П. Шпэдтке,

p. 2043.

С.Г. Ярамышеву (GSI), В. Бикману (SIGMA-PHI),

11.

P. N. Ostroumov, T. Maruta, S. Cogan,

Г. Бизоффи, А. Факко, А. Палмьери (LNL-INFN).

K. Fukushima, S. H. Kim, S. Lidia, F. Marti,

Частичная поддержка работы была оказана гран-

A. S. Plastun, J. Wei, T. Yoshimoto, T. Zhang, and

том РНФ № 17-12-01367-П.

Q. Zhao, Phys. Rev. Accel. Beams 22, 080101

(2019).

12.

P. N. Ostroumov, S. Cogan, K. Fukushima, S. Lidia,

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

T. Maruta, A. S. Plastun, J. Wei, J. Wong,

1. A. S. Fomichev, L. V. Grigorenko, S. A. Krupko,

T. Yoshimoto, and Q. Zhao, Phys. Rev. Accel. Beams

S. V. Stepantsov, and G. M. Ter-Akopian, Eur. Phys.

22, 040101 (2019).

J. A 54, 97 (2018).

13.

М. А. Гусарова, В. С. Дюбков, С. М. Полозов,

2. A. A. Bezbakh, V. Chudoba, S. A. Krupko,

А. В. Самошин, Т. В. Кулевой, А. А. Мартынов,

S. G. Belogurov, D. Biare, A. S. Fomichev,

А. С. Пластун, В. А. Андреев, С. В. Барабин,

E. M. Gazeeva, A. V. Gorshkov, L. V. Grigorenko,

А. В. Козлов, В. А. Кошелев, Г. Н. Кропачев,

G. Kaminski, O. A. Kiselev, D. A. Kostyleva,

Р. П. Куйбида, В. Г. Кузьмичев, Д. А. Лякин,

M. Yu. Kozlov, B. Mauyey, I. Mukha, I. A. Muza-

А. Ю. Орлов и др., Письма в ЭЧАЯ 13, 1425 (2016)

levskii, et al., Phys. Rev. Lett. 124, 022502 (2020)

[Phys. Part. Nucl. Lett. 13, 915 (2016)].

[arXiv: 1906.07818].

14.

P. N. Ostroumov, in Proceedings of the 29th Linear

3. Г. Г. Гульбекян, С. Н. Дмитриев, М. Г. Иткис,

Accelerator Conference,

Ю. Ц. Оганесян, Б. Н. Гикал, И. В. Калагин,

http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/li-

В. А. Семин, С. Л. Богомолов, В. А. Бузмаков,

nac2018/talks/tu2a02_talk.pdf

И. А. Иваненко, Н. Ю. Казаринов, Н. Ф. Осипов,

15.

I. V. Kalagin, G. G. Gulbekian, S. N. Dmitriev,

С. В. Пащенко, В. А. Соколов, Н. Н. Пчелкин,

Yu. Ts. Oganessian, B. N. Gikal, S. L. Bogomolov,

С. В. Прохоров и др., Письма в ЭЧАЯ 16, 653

(2019) [Phys. Part. Nucl. Lett. 16, 866 (2019)].

I. A. Ivanenko, N. Yu. Kazarinov, V. A. Semin,

G. N. Ivanov, and N. F. Osipov, in Proceedings of the

4. Л. В. Григоренко, Б. Ю. Шарков, А. С. Фомичев,

RuPAC2018, Protvino, Russia, p. 60.

А. Л. Барабанов, В. Барт, А. А. Безбах, С. Л. Бого-

молов, М. С. Головков, А. В. Горшков, С. Н. Дмит-

16.

M. Cavenago, T. Kulevoy, V. Stolbunov, and

риев, В. К. Ерёмин, С. Н. Ершов, М. В. Жуков,

A. Vassiliev, in Proceedings of the Fifth European

И. В. Калагин, А. В. Карпов, Т. Катаяма и др., УФН

Particle Accelerator Conference, EPAC’96,

189, 721 (2019) [Phys. Usp. 62, 675 (2019)].

Barcelona, Spain, June 10-14, 1996, p. 1487.

5. DERICA project site, http://derica.jinr.ru

17.

SigmaPhi Company, https://www.sigmaphi.fr

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№1

2021

ГРИГОРЕНКО и др.

18. W. Barth, K. Aulenbacher, M. Basten, M. Busch,

22. T. Kubo, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 204,

F. Dziuba, V. Gettmann, M. Heilmann, T. K ¨urzeder,

97 (2003).

M. Miski-Oglu, H. Podlech, A. Rubin, A. Schnase,

23. H. Geissel, H. Weick, M. Winkler, G. M ¨unzenberg,

M. Schwarz, and S. Yaramyshev, Phys. Rev. Accel.

V. Chichkine, M. Yavor, T. Aumann, K. H. Behr,

Beams 21, 020102 (2018);

M. B ¨ohmer, A. Br ¨unle, K. Burkard, J. Benlliure,

https://doi.org/10.1103/PhysRevAccelBe-

D. Cortina-Gil, L. Chulkov, A. Dael, J.-E. Ducret,

ams.21.020102

et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 204, 71

19. T. A. Lozeeva, Yu. Yu. Lozeev, S. M. Polozov,

(2003).

A. V. Samoshin, L. V. Grigorenko, A. S. Fomichev,

24. M. Hausmann, A. M. Aaron, A. M. Amthor,

W. Barth, and S. Yaramyshev, Phys. At. Nucl. 82,

M. Avilov, L. Bandura, R. Bennett, G. Bollen,

1519 (2019).

T. Borden, T. W. Burgess, S. S. Chouhan,

20. К. А. Алиев, С. М. Полозов, А. В. Самошин,

С. Е. Топорков, Т. В. Кулевой, Г. Н. Кропачев,

V. B. Graves, W. Mittig, D. J. Morrissey, F. Pel-

А. В. Бутенко, В. А. Мончинский, А. О. Сидорин,

lemoine, M. Portillo, R. M. Ronningen, et al., Nucl.

Г. В. Трубников, Письма в ЭЧАЯ 13, 1418 (2016)

Instrum. Methods Phys. Res. B 317, 349 (2013).

[Phys. Part. Nucl. Lett. 13, 911 (2016)].

25. В. В. Анашин, И. Б. Вассерман, В. Г. Вещеревич

21. А. А. Бакиновская, М. А. Батурицкий, Т. А. Бахаре-

и др., Препринт ИЯФ 83-98 (Новосибирск, 1983).

ва, А. В. Бутенко, М. А. Гусарова, С. Е. Демьянов,

26. A. N. Antonov, M. K. Gaidarov, M. V. Ivanov,

Н. Э. Емельянов, В. Г. Залесский, В. Л. Звягин-

D. N. Kadrev, M. A¨ıche, G. Barreau, S. Czajkowski,

цев, В. А. Карпович, Т. В. Кулевой, А. А. Кураев,

B. Jurado, G. Belier, A. Chatillon, T. Granier, J. Taieb,

М. В. Лалаян, Ю. Ю. Лозеев, С. А. Максименко,

D. Dor ´e, A. Letourneau, D. Ridikas, E. Dupont, et al.,

В. В. Матвеенко, Письма в ЭЧАЯ 15, 780 (2018)

[Phys. Part. Nucl. Lett. 15, 831 (2016)].

Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 637, 60 (2011).

THE DERICA PROJECT AND THE DEVELOPMENT STRATEGY

OF LOW-ENERGY NUCLEAR PHYSICS

L. V. Grigorenko^1),2),3), G. N. Kropachev^4),1), T. V. Kulevoy⁴⁾, I. N. Meshkov^5),6),7),

S. M. Polozov²⁾, A. S. Fomichev^1),8), B. Yu. Sharkov^9),2), P. Yu. Shatunov¹⁰⁾, M. I. Yavor¹¹⁾

¹⁾Flerov Laboratory of Nuclear Reactions, JINR, 141980 Dubna, Russia

²⁾National Research Nuclear University “MEPhI”, 115409 Moscow, Russia

³⁾National Research Centre “Kurchatov Institute”, Kurchatov sq. 1, 123182 Moscow, Russia

⁴⁾National Research Centre “Kurchatov Institute”- ITEP,

Bol’shaya Cheremushkinskaya 25, 117218 Moscow, Russia

⁵⁾Veksler and Baldin Laboratory of High Energy Physics, JINR, 141980 Dubna, Russia

⁶⁾Dzhelepov Laboratory of Nuclear Problems, JINR, 141980 Dubna, Russia

⁷⁾St. Petersburg University, Universitetskaya Emb. 13B, St. Petersburg 199034, Russia

⁸⁾State University Dubna, Universitetskaya 19, 141982 Dubna, Russia

⁹⁾Joint Institute for Nuclear Research, Joliot-Curie 6, 141980 Dubna, Russia

¹⁰⁾Budker Institute of Nuclear Physics, Acad. Lavrentieva Pr. 11, Novosibirsk, 630090 Russia

¹¹⁾Institute for Analytical Instrumentation RAS,

Ivana Chernykh 31-33, lit. A, St. Petersburg, 198095, Russia

The strategy of the low-energy nuclear physics development in Russian Federation is discussed, which

is based on the construction of DERICA research center. DERICA is multipurpose multiuser facility for

production and studies of radioactive isotopes (RI). The emphasis of the DERICA scientific program are

studies of RI in storage rings. However, the program is divided into several stages, and at each stage a

wide range of fundamental problems of nuclear physics becomes available. The ambitious goal of these

developments is the creation of an electron-ion collider aimed at studying the fundamental properties of RI

in electron-ion scattering.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№1

2021