Экспериментальное исследование каналирования протонов с энергией 70 ГЭВ в изогнутых монокристаллах и применение их для формирования пучков в каналах частиц ускорителя ИФВЭ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

нI 6 ОД

3 П ЛОГ 1993

институт физики высоких энергии

93-94 На правах рукописи

Чеспоков Юрий Андреевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КАНАЛИРОВАНИЯ ПРОТОНОВ С ЭНЕРГИЕЙ 70 ГЭВ В ИЗОГНУТЫХ МОНОКРИСТАЛЛАХ И ПРИМЕНЕНИЕ ИХ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПУЧКОВ В КАНАЛАХ ЧАСТИЦ УСКОРИТЕЛЯ ИФВЭ

01.04.23 - физика высоких энергий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Протвино 1993

М-24

Работа выполнена в Институте физики высоких энергий (г. Протвино).

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор В.И. Котов.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук A.M. Зайцев, доктор физико-математических наук М.Н. Стриханов.

Ведущая организация - НИИЯФ МГУ, г. Москва.

Защита диссертации состоится "_" _ 1993 г.

в _часов на заседании специализированного Совета Д 034.02.01

при ИФВЭ по адресу: 142284, г. Протвино Московской области.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФВЭ.

Автореферат разослан "_" _ 1993 г.

Ученый секретарь

специализированного Совета Д 034.02.01 Ю.Г. Рябов

© Институт физики высоких энергий, 1993.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Применение явления каналированпя в физике высоких энергий перспективно по многим направлениям:

• Отклонение и фокусировка пучков частиц кристаллами.

• Исследование ионизационных процессов.

• Использование вращения спина каналированных частиц для измерения их магнитных моментов.

• Электромагнитные взаимодействия е,7-пучков высоких энергий с кристаллами (радиационные, поляризационные и ориентационные эффекты).

• Методика эксперимента и экспериментальное оборудование.

Цель диссертационной работы состояла в изучении характеристик плоскостного каналиропания протонов при энергии 70 ГэВ, выяснении принципиальных возможностей кристаллов дл:я отклонения и фокусировки пучков, а также в применении кристаллов в каналах частиц ускорителя ИФВЭ для повышения эффективности использования ускоренного пучка.

Научная новизна и результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований объемного захвата частиц и установленная зависимость его эффективности от пмпул:ьса частиц и радиуса изгиба кристалла, а также процессов деканалирования и реканалирования частиц в прямом кристалле и наблюдение состояния динамического равновесия.

2. Простой способ измерения длины деканалирования и полученные результаты для протонов с энергией 70 РэВ в изогнутых кристаллах кремния ориентации (111) и (110).

3. Результаты экспериментов, показывающих возможность фокусировки пучка изогнутым кристаллом.

4. Способ измерения с помощью изогнутого кристалла в сочетании с магнитным спектрометром основных характеристик пучков частиц (профили, гало, эмиттанс, разброс по импульсам).

5. Результаты исследований возможностей применения изогнутых кристаллов на каналах частиц ускорителя У-70 для повышения эффективности его использования (отклонение пучков частиц на большие углы до 130 мрад, работа кристаллов в интенсивных пучках до 1013 за цикл и деление их на части). Предложения по использованию кристаллов в экспериментальных зонах УНК и на других крупных ускорителях.

Практическая ценность. Приведенные в диссертации результаты исследований используются в каналах частиц ускорителя ИФВЭ и открывают большие возможности применения изогнутых кристаллов как на действующих, так и строящихся ускорителях на большие, энергии и кроме ИФВЭ могут быть использованы в других научных центрах по физике высоких энергий (ИЯФ СОАН, ОИЯИ, ИЯИ, ИТЭФ, CERN, FNAL, SSC, DESY и др.).

Апробация результатов и публикации. Диссертация написана на основе работ [1-16], опубликованных в виде препринтов и статей в отечественных и зарубежных журналах. Результаты исследований докладывались на отечественных и международных конференциях по каналиро-ванию -и ускорителям заряженных частиц [3, 13, 14, 15]. О нескольких полученных результатах, представляющих интерес для широкой научной общественности, сообщалось в журнале "Cern Courier" (Аго10, 1989 г. и №9, 1991 г.).

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 134 страницах, состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 43 рисунка, 3 таблицы и список цитируемой литературы из 79 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе описаны эксперименты по плоскостному каналирова-нию протонов с энергией 70 ГэВ.

Как известно, существуют два механизма захвата частиц в режим каналирования. В "стандартном" торцевом захвате участвуют частицы

пучка с угловой расходимостью меньше критического угла каналирова-ния относительно кристаллографических плоскостей на торце кристалла. Объемный захват возникает в глубине изогнутого монокристалла в области, где траектории частиц совпадают с касательными к изогнутым кристаллографическим плоскостям (рис.1а). В проведенном эксперименте наблюдались оба вида захвата. Применение кристалла с переменной кривизной позволило детально исследовать закономерности объемного захвата, что проделано впервые.

Рис. 1. Условия объемного захвата (а). Схема расположения оборудования эксперимента (б).

Эксперимент был проведен на магнитооптическом канале №21 ускорителя ИФВЭ. Схема расположения оборудовакия представлена на рис.16. Пучок протонов магнитом М\ наводился на ориентированный изогнутый на угол 21 мрад монокристалл кремния расположенный в гониометрическом устройстве. Пучок отклоненных кристаллом частиц с помощью корректирующего магнита М 2 пропускался сквозь 6-метровый стальной коллиматор С1 вдоль геодезической оси канала №21 и двумя последующими магнитами М3 и М'4 очищался от фона. Интенсивность отклоненных частиц измерялась двумя сцинтда^шяционными счетчиками 51 и 52 размером 100 х 100 мм2, включенными на совпадения. Пропорциональные

камеры £>1, £>2,1)3 (апертурой 100 х 100 мм2 ), работающие в аналоговом режиме, контролировали положение падающего и отклоненного кристаллом пучков.

Суть опыта заключалась в том, чтобы выявить зависимость числа отклоненных каналированных частиц от угла поворота кристалла относительно направления падающего пучка. При повороте кристалла в сторону его изгиба на угол <р, превышающий расходимость падающего пучка, возникают условия выхода пучка в глубине кристалла на касательные к изогнутым плоскостям, т.е. реализуются условия объемного захвата.

Счетчики 51, 52 находились на значительном удалении ~ 100 м от кристалла, в связи с чем угловой аксептанс системы регистрации частиц составил ±0.5 мрад в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Этот угловой интервал позволял регистрировать без потерь все каналирован-ные частицы, выходящие из заднего торца кристалла. В то же время частицы, деканалироваышие в изогнутой части кристалла, практически не попадали на счетчики. Фон вторичных частиц из-за наличия трех магнитов отсутствовал полностью. Фон упругорассеянных на кристалле и материале держателя протонов был зафиксирован только при больших углах поворота кристалла <р > 15 мрад и вычитался как ориентационно-4 независимый сигнал на счетчиках. При углах поворота ц> < 15 мрад наблюдался 100%-ный ориентацпонный эффект, т.е. выделение каналированных частиц было идеальным.

В опыте использовалась пластина, вырезанная из бездислокационного кремния, ориентации (111) с размерами Н х V х Ь — 0.5 х 15 х 100мм3 (толщина, высота, длина по пучку). Точность изготовления менее одной угловой минуты. Кристалл был изогнут с переменной кривизной, как показало на рис.2. Один из его концов был закреплен между плоскими зеркалами, другой нагружен с помощью небольшого усилия.

Измерение зависимости числа отклоненных частиц от угла поворота было проведено дважды. Сначала пучок падал на кристалл со стороны нагруженного конца, так что по мере вращения кристалла в области объемного захвата кривизна нарастала. Затем кристалл был перевернут так, что частицы налетали со стороны закрепленного конца (в этом случае в месте объемного захвата кривизна спадала). Графики зависимости числа отклоненных частиц от угла поворота в первом и втором случаях приводятся на рис.За. Острые пики слева соответствуют торцевому захвату частиц в режим каналирования, пологая часть — объемному захвату.

<5)

ЖЦм 20

10

0

\

АО

80 1,мм

сш, мроЗ 20

10 О

В)

1

40

80 1.мм

Рис. 2. Способ изгиба кристалла (а). Радиус и угол изгиба в зависимости от продольной координаты кристалла, соответственно (б) и (в).

-2.0 0

120 ч'.ироэ

0.8 0.6 04 0.2 0

2.0 ¿.0 60 8.0 10.0 120

Рис. 3. Ориентационные зависимости количества отклоненных частиц для двух разных положений кристалла (кривые 1 и 2) (а). Рассчитанные зависимости вероятности объемного захвата- в случае нарастания и спада кривизны (черные и белые точки соответственно) (б).

С помощью анализа кривых 1, 2 на рис.За рассчитано значение вероятности объемного захвата частиц при различных радиусах изгиба кристалла W(R), показанное на рис.36. Зависимость W(R) близка к линейной. Некоторое расхождение в значении W(R) ~ 20% для двух случаев измерения наряду с другими причинами может иметь интересное объяснение из-за существования эффекта "градиентного" захвата, обоснованного в известных теоретических работах (скорректированные значения W(R) с учетом этого эффекта показаны на рис.36 штриховыми линиями).

Для будущих применений важно знать, как эффективность объемного захвата зависит от импульса Р канализованных частиц и радиуса кривизны кристалла R. Сопоставляя наши данные с результатом ПИЯФ для энергии протонов 1 ГэВ можно сконструировать эмпирическую формулу:

W{P,R) = %

Р 2

где W(%), Р(ГэВ/с), R{м). Полученная эмпирическая формула согласуется с простой аналитической оценкой.

Объемный захват можно рассматривать как частный случай рекана-лирования в изогнутом кристалле, когда внутри канала ничего нет, а вне его функция распределения определяется плотностью падающего пучка. Каждая квазиканалированная частица ориентирована вблизи канала на протяжении длины порядка R х rpc (ipc ~ -jj- — критический угол каналирования). По правилу обратимости Линдхарда вероятность частице оказаться внутри канала равна вероятности деканалирования на этой длине: W = х Р"Фс, где Lp ~ Р - длина деканалирования. Отсюда следует, что W = const х Это выражение совпадает с точностью до фактора ~2 с данными эксперимента.

В следующем опыте наблюдались некоторые закономерности каналирования частиц в прямом кристалле в зависимости от расходимости падающего пучка протонов. В частности, наблюдалось состояние динамического равновесия, когда число каналпрованных частиц на входе и на выходе кристалла было равным.

Этот опыт также проводился в канале №21 ускорителя ИФВЭ. Схема опыта аналогична предыдущей, но магнит М2 был выключен. Кристалл был вырезан вдоль кристаллографической плоскости (111). Он изгибался специальным образом по форме, напоминающей хоккейную клюшку.. При общей длине 100 мм он имел прямую часть длиной L\ — 65 мм, другая часть длиной Li — 35 мм изгибалась равномерно на угол 20 мрад. На кристалл с помощью начальной части магнитооптической системы канала

№21 наводился пучок протонов с энергией 70 ГэВ. Неотклоненный пучок гасился в поглотителе С1. Отклоненные кристаллом частицы, попадающие в аксептанс конечной части магнитооптической системы, освобождались ею от фона вторичных частиц и регистрировались детекторами (состав регистрирующей аппаратуры и все подробности измерения уже обсуждались ранее).

Измерение числа отклоненных частиц проводилось дважды. Сначала пучок падал на кристалл со стороны прямой части, как это показано на рис.4а вверху. Затем кристалл переворачивался в вертикальной плоскости так, что частицы налетали со стороны изогнутой его части (см. рис.4а внизу). Во втором случае наличие прямой части в кристалле было несущественным, так как частицы были уже повернуты кристаллом и обязательно регистрировались детекторами (как каналпрованные, так и деканалпровавшие на этом участке ). В первом лее случае частицы, дека-налировав в прямом участке, не отклонялись и поэтому не регистрировались вовсе. Таким образом, измеряя отношение количества отклоненных частиц в первом и во втором случаях N1/N2, мы получали информацию о деканалировании протонов на прямом участке длиной с учетом обратного процесса подзахвата из нскапалированной фракции.

Угловая расходимость падающего пучка протонов могла варьироваться магнитооптически системой. Для пучка с малой угловой расходимостью Ф = 0.1 мрад (стандартное отклонение) было получено отношение NifN^ = 0.72±0.03. При расходимости Ф = 0.2 мрад отношение составило N\ JN2 = 0.91 ± 0.05. Для пучка с широкой угловой расходимостью. Ф = 1 мрад оказалось, что N1/N2 = 1±0.05. Отсюда следует, что роль процессов реканалирования усиливается с ростом угловой расходимости падающего пучка, приводя в последнем случае к состоянию динамического равновесия

N1 = N3.

•Измеренные в эксперименте отношения (iVj/Ay приведены на рис.46 в> сравнении с расчетной кривой, учитывающей процессы обмена между каналированной и неканалированной фракциями пучка.

Для практических целей особый интерес представляет измерение длины деканалирования в изогнутых кристаллах. В следующем проведенном опыте длина деканалирования протонов с энергией 70 ГэВ была измерена в кристаллах кремния ориентации (111) и (110) нетрадиционным методом, основанным на использовании явления объемного захвата.

Использовалась та же схема эксперимента, что и на рис.16, но кристаллы изгибались с постоянным радиусом кривизны. Кристаллы разной ориентации, вырезанные из одного материала, были изогнуты по цилин-

пучок

пучок

б)

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Ф (мраЗ)

Рис. 4.

Положения кристалла при двух измерениях интенсивности отклоненного пучка (а). Зависимость Л^/Л^ от угловой расходимости падающего на кристалл пучка (сплошная кривая — расчетная, точки — результаты измерений) (б).

дру радиусом R = 3 м на длине L = 60 мм. Отклонение от среднего радиуса было ~ 1%. На кристаллы поочередно наводился пучок 70 ГэВ протонов с малой угловой расходимостью Ф = 0.1 мрад. Экспериментально измерялась зависимость количества отклоненных частиц от угла поворота кристалла. Наблюдались только частицы, вылетающие из зад-пего торца кристалла; деканалировавшие в изогнутой части кристалла частицы не регистрировались. Так же, как и в предыдущих опытах, они гибли на поглотителе С1 (см. рис. 16).

В начале измерений кристалл с помощью гониометра настраивался на торцевой захват по максимуму отклоненных частиц и поворачивал пучок на полный угол ао = Lq/R — 20 мрад. Затем происходило вращение кристалла в сторону его изгиба на угол <р, превышающий расходимость падающего пучка, — возникали условия объемного захвата.

Так как кривизна кристалла постоянна, то при его вращении в режим каналирования при объемном механизме захватывается одно и то же количество частиц I х W(R) = const , где I обозначает интенсивность падающего на кристалл пучка, a W(R) — вероятность объемного захвата. Однако путь каналированных частиц I от точки захвата н до заднего торца кристалла уменьшается линейно с ростом угла вращения кристалла (рис.5а): l(tp) = Lo~R-<p = R-9, где в — угол поворота частиц в кристалле.

Регистрируя количество отклоненных кристаллом частиц можно установить, таким образом закон деканалпрованпя частиц. Экспериментальные зависимости N{6) для кристаллов ориентации (111) и (110) показаны на рис.56, из которого видно, что они подчиняются экспоненциальному закону. Причем измеренные длины деканалирования равны Ьш = (52 ± 2)мм, L110 = (37 ± 5)мм соответственно. •

Известно, что изгиб кристалла укорачивает длину деканалирования. Если привести эти данные к прямому кристаллу, то полученные величины равны Ljj1 = (61 ± 2) мм, L™ = (42 ± 5) мм. Hg, рис.6 результаты измерения длин деканалирования (в приведенном виде) сравниваются с теоретическими величинами и известными экспериментальными данными для других энергий.

Во второй главе описаны работы по выяснению реальных возможностей кристаллов для формирования разнообразных пучков частиц, в условиях, когда кристалл испытывает макровоздействие от ансамбля частиц.

Проводилось наблюдение отклонения пучка кристаллами разных материалов. Зависимость длины деканалирования от свойств вещества опре-

Рис. 5. Схема наведения протонного пучка на кристалл (а). Экспериментальные зависимости количества отклоненных частиц N(0) для кристаллов 81(111) и 31(110) в логарифмическом масштабе (б).

Рис. 6. Расчетные зависимости Ld от энергии частиц в каналах Si(lll) и Si(110) совместно с экспериментальными данными : • — ОИЯИ; о — CERN; * — FNAL; ® — ИФВЭ.

деляется выражением Lq ~ cltf • d ( атг — параметр экранирования Томаса-Ферми, d — межплоскостное расстояние ), что для изоморфных кристаллов приводит к зависимости Lp ~ (слабое убывание с ростом заряда ядра Z). Но поскольку критический радиус изгиба Пс ~ Z~l, то "сила" дефлектора 0 ~ Lp/Rc ~ Z* заметно растет с ростом Z. Кроме того, критический угол "фс ~ Z^ также возрастает. Поэтому тяжелые материалы, в принципе, предпочтительнее для поворотов пучка. Практика, однако, показывает, что главным фактором в использовании кристаллов в области высоких энергий пока является совершенство кристаллической структуры. В этом отношении кремний наиболее исследован. О высоком качестве этого материала говорят данные по измерению длины деканалп-рования, приведенные ранее. Испытывались в пучке кристаллы до 150 мм длиной, и полученные оценки длины деканалирования соответствуют измерениям в более коротких кристаллах. В опытах сравнивались отклоняющие свойства кристаллов, полученных из разных источников. Обнаружена устойчивая повторяемость результатов от кристалла к кристаллу.

Ситуация с другими материалами резко отличается от случая с кремнием. Так, оценки длины деканалирования для кристаллов германия ~ 5 мм на порядок хуже расчетных. Были сделаны безуспешные пока поЬытки обнаружить эффект отклонения частиц в кристаллах арсенида галлия и гадолиний-галлиевого граната.

Специальные опыты проводились по изучению работы кристаллов в интенсивных пучках. Изогнутый на угол 13 мрад кристалл кремния устанавливался в пучке высокой интенсивности 1013/ цикл, вызывая энерговыделение в кристалле ~ 1 Вт. Кристалл нагревался пучком до температуры ~ 150° С, кроме того, подвергался динамическому механическому воздействию в момент прохождения пучка. Он изгибался на металлическом кристаллодержателе с выпуклой поверхностью и был закреплен с помощью упругих шайб (как показано на рис.11), которые действовали по принципу известной в технике подпружиненной опоры. Не давая кристаллу разогнуться, они могли снимать возникающие механические напряжения. При оптимальной ориентации кристалл отклонял рекордный пучок Ю10/цикл. Потери основного пучка при этом были на порядок выше ( ~ 1% ), что соответствовало расчету. Выдержав поток частиц 1019/см2 в условиях теплового и механического воздействия, кристалл не только не разрушился, по и сохранил каналирующие свойства без значительных ухудшений.

Была проверена также возможность отклонения пучка на большой угол. При тех же потерях, что и в предыдущем- случае, кристалл длиной

100 мм отклонял пучок 108/ цикл на рекордный угол 130 мрад. Изогнутые монокристаллы, в принципе, позволяют не только отклонять пучок, но и фокусировать его.

Один из перспективных способов фокусировки был предложен в середине 80-х годов сотрудником ПИЯФ А.И. Смирновым. Суть предложенного метода заключается в том, что поверхности выходного торца изогнутого кристалла придается специальная форма, чтобы касательные к кристаллографическим плоскостям на этой поверхности проходили через одну линию. В случае изгиба по цилиндру с радиусом Я (рис.7) необходимо, чтобы линия, на которой лежат центры кривизны 00, была расположена на поверхности цилиндра радиуса г, по которому обработан торец кристалла. При этом фокусное расстояние Р будет определяться выражением Р = 1/4г2 — К1. Размер пучка в точке фокуса АХ, обусловленный его угловой расходимостью в пределах критического угла каналирования, равен ДХ = 2Рфс и может достигать шифонной величины.

Описанный способ фокусировки был реализован в совместном эксперименте ИФВЭ-ПИЯФ на протонном пучке ускорителя У-70. В опыте использовались три кристалла размером Н х V у. Ь = 2х15х 70 мм3. Кристаллы изгибались по цилиндру радиусом Д = 2.7 и на длине 65 мм и имели фокусное расстояние: первый — 3.5 м, второй — 1.4 м, и третий — 0.5 м.

Эффект фокусировки регистрировался с помощью ядерных фотоэмульсий. Рис.8 иллюстрирует эффект фокусировки отклоненного первым кристаллом пучка.

Рис. 7. Принцип фокусировки пучка кристаллом.

На рпс.9 а,б,в представлены результаты обработки профилей сфокусированного пучка в кроссовере для трех кристаллов (для первого обработка проведена с помощью микрофотометра, для второго и третьего — методом счета треков под микроскопом). Размеры сфокусированных пучков на уровне спгма составляют: 200, 80 и 43 мкм. Эти данные неплохо согласуются с расчетом для первого и второго кристаллов, для третьего размер кристалла в два раза шире расчетного, что связано с увеличением вклада аберраций при уменьшении фокусного расстояния.

Реализованный способ фокусировки может быть использован для получения пучков частиц микронных размеров на тэвных ускорителях нового поколения.

Другое важное применение фокусирующего кристалла связано с обращенным направлением движения частиц (фокусировка из точки в параллель). С внутренней мишени ускорителя, выполненной в виде нити и размещенной в фокусе кристалла, можно собрать и вывести из вакуумной камеры большую часть 50%) вторичных частиц, генерируемых на этой мишени.

В третьей главе диссертации рассмотрено применение изогнутых монокристаллов в каналах частиц ускориталя ИФВЭ.

Комплексы магнитооптических каналов, формирующие пучки различных частиц, являются неотъемлемой частью ускорителя ИФВЭ. В 80-х годах была проведена их модернизация для работы с пучком высокой интенсивности 1013 за цикл. По своей структуре каналы представляют собой сложные установки протяженностью несколько сотен метров. В них использовано около сотни единиц магнитооптического оборудования (двухметровые квадрупольные линзы и трех-, шестиметровые дипольные магниты). С созданием разветвленной сети каналов остро встал вопрос об увеличении эффективности использования ускоренного пучка.

Широкое применение кристаллических элементов в каналах частиц позволило снять многие проблемы.

Первые применения кристаллического элемента были связаны с созданием узконаправленного пучка варьируемой интенсивности на установку СФИНКС. При этом кристалл использовался как аттенюатор пучка, не-отклоненный основной пучок гасился в поглотителе. Впоследствии совершенствование технологии изгиба кристаллов позволило минимизировать потери частиц и решить более актуальную задачу деления пучка кристаллическим сплиттером.

Первая станция деления пучка была введена в строй в конце 1988 года. Схема деления представлена на рис.10. С помощью изогнутого на угол

Рис. 8. Изображение отклоненного первым кристаллом пучка на эмульсиях, расположенных на расстояниях 0.7; 2; 3.5 м от торца кристалла (справа виден неотклоненный пучок с ореолом вторичных частиц, а также шлейф деканалированных протонов).

8.0

4.0

тл-г

-150 -100 -50

0

х.мкм

50 100 150

О

Рис. 9. Профили пучка в кроссовере для трех кристаллов (а), (б), (в).

Рис. 10. Схема деления пучка в направлении магнитооптических каналов № 23 и № 21.

60 мрад монокристалла было осуществлено отклонение части пучка с направления интенсивного канала №23 в канал транспортировки №21 и сформирован протонный пучок умеренной интенсивности, необходимый для работы установки СФИНКС. Для изгиба кристалла была применена металлическая конструкция, обладающая необходимой радиационной и тепловой стойкостью (рис.11). В результате испытаний было выяснено, что с помощью кристалла можно осуществить деление пучка протонов в рабочем режиме магнитооптических каналов: /23 — Ю13/ цикл, /21 = 107/ цикл, размещая кристалл в области гало пучка, чтобы потери частиц не превышали допустимую величину ~ Ю10/ цикл (0.1% /гз)-

Опыт последующих лет работы' доказал высокую надежность кристаллической станции деления пучка. Кремниевый > кристалл длиной 60 мм отработал без замены 4 года, выдержав поток частиц свыше 1018/см'2. Впоследствии в каналах было установлено еще несколько кристаллов, которые обеспечивают одновременную работу нескольких физических установок.

Один из изогнутых кристаллов, установленный в канале №8 , был использован для диагностики пучка. Схема измерений параметров пучка представлена на рис.12. Часть пучка, захваченная кристаллом в режим каналирования, отклонялась в магнитооптический канал № 21 и

Рис. 12. Принцип измерения характеристик пучка : — изогнутый монокристалл;

•0,51, £2 — регистрирующая аппаратура; (¿1,СЦг — дублет квадрупольных линз; М — отклоняющий магнит (сплошные кривые — ход лучей в горизонтальной плоскости, штриховая — дисперсия).

с. О

10

0.5

а)

4 з 2 I 0 1 2 3 Х,тт

50 2 5

Л

Б)

25

15 10 5 0 5 10 Х.тт

Рис. 13. Семейство замкнутых кривых, соответствующих фазовой плотности частиц: 1 — 0.75; 2 — 0.5; 3 — 0.25; 4 •— 0.1; 5 — 0.01 от максимального значения (а). Профиль пучка, включая область его гало (б). Относительное распределение частиц в пучке по импульсам (в).

регистрировалась там в бесфоновых условиях. При этом линзы Qi,Qi п магнит М выполняли роль спектрометра. Проводя измерения при разном положении кристалла относительно падающего на него пучка как по координате, так и по углу, можно получить полную информацию о характеристиках пучка (эмиттанс, профили, гало, разброс по импульсам). Результаты измерения приведены на рис.13 а,б,в.

На основе изложенного экспериментального материала и благоприятных теоретических предсказаний сформулированы предложения применения изогнутых кристаллов в адронной экспериментальной зоне УНК на энергию 3 ТэВ (для деления пучков: в мишенной станции ТН1, станции деления пучка DC1, в местах установки разводящих магнитов).

Рассмотрены также более общие перспективы использования кристаллических систем формирования пучка для организации экспериментальных зон на тэвных ускорителях. Эти перспективы вытекают из результатов успешных опытов на У-70, где были опробованы системы формирования пучка, содержащие до трех последовательно введенных в режим ка-налирования кристаллов с общим углом поворота около 100 мрад. Причем эффективность отклонения частиц для отдельных кристаллов достигала величины в десятки процентов.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

1. Предложен и реализован эксперимент по исследованию эффективности торцевого и объемного захватов частиц в режим каналирования. Объемный захват впервые исследован столь детально: определена зависимость его эффективности от энергии частиц и радиуса изгиба кристалла. Получено экспериментальное указание на существование особого вида объемного захвата, обусловленного градиентом кривизны кристалла.

2. Исследовано деканалпрование частиц в прямом кристалле. Определено влияние процессов реканалирования в зависимости от начальной расходимости падающего пучка. Показано, что в широких пучках наступает состояние динамического равновесия: когда количество каналпрованных частиц не убывает с ростом длины кристалла.

3. Оригинальным методом в одних экспериментальных условиях измерена длина деканалирования 70 ГэВ протонов в изогнутых кристаллах кремния ориентации (111) и (110). Наблюдается согласие нзмерейных величин с диффузионной теорией п экспериментальными данными, полученными при других энергиях.

4. Проведено наблюдение отклонения частиц кристаллами разных материалов. Установлено, что бездислокационные кристаллы кремния обладают высоким совершенством: кристаллы до 150 мм длиной отклоняют пучок с характеристиками, близкими к расчетным. Для качественных кристаллов кремния с аналогичными размерами наблюдается устойчивая повторяемость отклоняющих свойств.

5. Исследована тепловая и радиационная стойкость кристаллов. Показано, что кристаллы сохраняют отклоняющие свойства в интенсивных пучках 1013/ цикл при прохождении потока частиц 1019/ см2. При этом интенсивность отклоненных пучков (для умеренных углов ~ 10 мрад) составляет Ю10/ цикл, а максимальный угол отклонения может достигать величины 130 мрад.

6. В совместном ИФВЭ-ПИЯФ эксперименте показана возможность фокусировки пучка изогнутым монокристаллом: пучок протонов с энергией 70 ГэВ размером 2 мм фокусировался на' расстоянии до 0.5 м в узкую линию шириной до 40 мкм. Открывающиеся возможности фокусировки пучков изогнутыми кристаллами расширяют область их применения на ускорителях высоких энергий (получение пучков микронных размеров, вывод вторичных частиц с внутренней мишени).

7. Экспериментально показана возможность применения изогнутых кристаллов в сочетании с магнитной оптикой для измерения основных параметров (эмиттанс, профили, гало, разброс по импульсам) интенсивных пучков, где использование счетных методов регистрации частиц невозможно. В измерении гало на уровне Ю-7 и АР/Р < Ю-4 продемонстрированы уникальные возможности этого метода.

8. Осуществлено практическое применение кристаллов в каналах частиц для повышения эффективности использования ускорителя У-70: кристаллические станции деления пучка в течение ряда лет обеспечивают одновременную работу нескольких физических установок.

9. Сформулированы предложения по применению кристаллических систем транспортировки пучка в экспериментальной зоне создаваемого ускорителя УНК и на других крупных ускорителях. .

Список литературы

[1] Афонин А.Г., Бавижев М.Д., Котов В.И., Логинов A.A., Меркер Э.А., Мокрушин С.Б., Мызников К.П., Рзаев P.A., Сидоров С.Е., Федотов Ю.С., Чесноков Ю.А., Воробьев С.А., Дзыба А.Р., Розум Е.И. Экспериментальное исследование эффективности поворота пучка протонов с энергией 70 ГэВ с помощью изогнутого монокристалла: Препринт ИФВЭ 87-121. - Серпухов, 1987.

[2] Бавижев М.Д., Баталов A.A., Галяев H.A., Запольский В.Н., Котов В.И., Меркер Э.А., Рзаев P.A., Федотов Ю.С., Чесноков Ю.А. Применение изогнутых монокристаллов для формирования протонных пучков умеренной интенсивности на ускорителе ИФВЭ: Препринт ИФВЭ 87-148. - Серпухов, 1987.

[3] Бавижев М.Д., Баталов A.A., Галяев H.A., Дзыба А.Р., Запольский В.Н., Котов В.И., Меркер Э.А., Рзаев P.A., Федотов Ю.С., Чесноков Ю.А. Применение изогнутых монокристаллов для формирования протонных пучков на ускорителе ИФВЭ. // Труды 11 Всесоюзного совещания по ускорителям. - Дубна, 1989. Т.2, с. 285.

[4] Бавижев М.Д., Галяев H.A., Гресь В.Н., Дуденко В.В., Запольский В.Н., Котов В.И., Рзаев P.A., Чесноков Ю.А. Деление пучка протонов с энергией 70 ГэВ изогнутыми монокристаллами: Препринт ИФВЭ 89-77. - Серпухов,1989.

[5] Галяев H.A., Гаркуша В.И., Запольский В.Н., Карташев В.П., Котов В.И., Новоскольцев Ф.Н., Рзаев P.A., Чесноков Ю.А. Перспективы использования изогнутых монокристаллов при формировании пучков частиц в экспериментальной зоне УНК: Препринт ИФВЭ 89-191. -Серпухов, 1989.

[6] Галяев H.A., Гресь В.Н., Дуденко В.В., Запольский В.Н., Рзаев P.A., Терехов В.И., Царик C.B., Чесноков Ю.А. Канал транспортировки частиц высоких энергий с применением элементов кристаллической оптики. Препринт ИФВЭ 90-19. - Протвино, 1990.

[7] Архипенко A.A., Афонин А.Г., Бугорский А.П., Галяев H.A., Дыш-кант A.C., Запольский В.Н., Кузьмин Г.Т., Рол-сков Г.А., Царик C.B., Чесноков Ю.А. Использование кристаллического сплиттера для организации одновременной работы медленного вывода в двух направлениях: Препринт ИФВЭ 90-91. - Протвино, 1990.

[8] Галяев H.A., Запольский В.Н., Котов В.И., Царик C.B., Чесно-ков Ю.А. Объемный захват протонов с энергией 70 ГэВ в режим кана-лирования изогнутыми монокристаллами кремния: Препринт ИФВЭ 90-147. - Протвино, 1990; // Nucí. Instr. and Meth. 1992. B69,p.247.

[9] Чесноков Ю.А., Дуденко В.В., Галяев H.A., Гресь В.Н., Ким JI.A., Котов В.И., Пудовкин А.К., Терехов В.И., Царик C.B., Запольский В.Н. Диагностика пучков частиц высоких энергий с помощью изогнутых монокристаллов: Препринт ИФВЭ 90-169. - Протвино, 1990; // Nucí. Instr. and Meth. 1992. B63, p.366.

[10] Гордеева M.А., Гурьев M.П., Денисов A.C., Платонов Ю.П., Скоро-богатов В.В., Смирнов А.И., Федин O.JL, Щетковский А.И., Баранов В.И., Галяев H.A., Дуденко В.В., Запольский В.Н., Котов В.И., Царик C.B., Чесноков Ю.А. Первые результаты исследования фокусировки пучка протонов с энергией 70 ГэВ изогнутым монокристаллом: Препринт ИФВЭ 91-120. - Протвино, 1991; // Письма в ЖЭТФ. 1991. Т.54, С.485; Nucl. Instr. and Meth. 1992. B69, p.382.

[11] Галяев H.A., Гресь В.H., Дуденко В.В., Запольский В.Н., Котов В.И., Терехов В.И., Царик C.B., Чесноков Ю.А. Работа изогнутого монокристалла в интенсивных пучках: Препринт ИФВЭ 91-155.- Протвино, 1991.

[12] Бирюков В.М., Галяев H.A., Запольский В.Н., Котов В.И., Царик C.B., Чесноков Ю.А. Исследование эффектов реканалировання и динамического равновесия в кристаллах: Препринт ИФВЭ 91-166. - Протвино, 1991; // Nucl.Instr. and Meth. 1993. В73, р.153.

[13] Галяев H.A., Запольский В.Н., Котов В.И., Царик C.B., Чесноков Ю.А. Применение изогнутых монокристаллов в задачах формирования пучков частиц высоких энергий. // Проблемы применения эффектов каналирования частиц кристаллами в физике высоких энергий. Материалы Всесоюзного совещания. - Изд-во ИФВЭ, Протвино, 1991, с.29; // Proc. of РАС-91, VI, р.192, San Francisco, 1991. 1

[14] Kotov V.l., Baranov V.l., Chesnokov Yu.A., Dudenko V.V., Galyaev N.A., Tsarik S.V., Zapolsky V.N., Denisov A.S., Fedin O.L., Gordeeva M.A., Gurev M.P., Platonov Yu.P., Schetcovsky A.I., Skorobogatov V.V., Smirnov A.I. Results on studying 70 Gi?V proton beam focusing by bent crystal. //15 International Conference on high energy accelerators. Abstracts. - Hamburg, 1992. P.21.