Экспериментальные исследования каналирования протонов в изогнутых монокристаллах и их применение для управления пучками на ускорителе ИФВЭ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ктуальность темы. Начинал с 60-х годов, широкое развитие получили иссле-ния, относящиеся к новому направлению в физике взаимодействия заряженных иц с веществом — каналированию частиц в монокристаллах. На основе иссле-ний различных проявлений эффекта каналирования для низкоэнергетических иц в настоящее время уже разработаны и применяются много методов изуче-структуры и степени совершенства кристаллов, а также различных физических ессов, протекающих в них. Однако в последние годы интерес сместился к изу-ю каналирования частиц высоких и сверхвысоких энергий, тимулирующее воздействие на экспериментальные исследования в этой области ала идея использования сверхсильных внутрикристаллических полей (109 В/см ше) для отклонения пучков заряженных частиц высоких энергий изогнутыми таллами, выдвинутая в 1976 году профессором Э.Н. Цыгановым из Дубны. в первых экспериментах с изогнутыми кристаллами эффективность отклоне-пучков частиц (отношение интенсивностей отклоненного пучка к падающему кристалл) была очень низкой (десятые доли процента), то в последующих ериментах она была доведена до десятков процентов. Это позволило сформули-ть предложения и начать исследования по применению изогнутых кристаллов вывода и коллимации пучка на ускорителях, формирования пучков в кана-транспортировки частиц и экспериментах с короткоживущими частицами. Во этих направлениях получены интересные результаты, вселяющие большой мизм. Углубление экспериментальных исследований в этой области приводит щественному расширению средств ускорительной техники и физики высоких гий в целом. ель диссертационной работы состояла в исследовании закономерностей ка-рования в мультигэвной области энергий, выяснении принципиальных возможей КПИГФЯ1ИА» -------------- - л——-—-—[и пучков, а также в создании реускорителе ИФВЭ для повышения

КНИГА ИМЕЕТ

Научная новизна и результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований объемного захвата частиц и установленная зави мость его эффективности от радиуса изгиба кристалла, а также процессов дека лирования и реканалирования частиц в прямом кристалле и наблюдение состоя динамического равновесия. Экспериментальное подтверждение особого вида захв частиц в режим каналирования, обусловленного градиентом кривизны кристал

2. Оригинальный способ измерения длины деканалирования и полученные зультаты для протонов с энергией 70 ГэВ в изогнутых кристаллах кремния о ентации (111) и (110).

3. Исследование тепловой и радиационной стойкости кристаллов. Сделанные воды о возможности использования изогнутых кристаллов в интенсивных пуч протонных ускорителей. Разработка нескольких видов устройств изгиба и кр ления кристаллов. Достижение рекордных параметров формируемых кристалл пучков.

4. Исследование влияния дефектов реальных кристаллов на процесс отклоне пучков частиц высоких энергий: деканалирование на дислокациях кристалличес решетки; зависимость от электропроводности материала; обнаружение тонких фектов влияния поверхностных дефектов, учет которых принципиально важен оптимизации вывода частиц из ускорителей.

5. Результаты экспериментов, показывающих возможность фокусировки пу изогнутым кристаллом. Эффективное отклонение с помощью фокусирующего к сталла пучка протонов с большой угловой расходимостью (в 50 раз превышаю критический угол каналирования).

6. Создание, исследование и проверка в течение десятилетней эксплуата кристаллических станций деления выведенного пучка на части для повыше эффективности его использования (выигрыш около 30%).

7. С помощью изогнутого на гигантский угол 150 мрад кристалла создан ка транспортировки частиц нового типа, не потребляющий электроэнергии (эконом ся сотни мегаватт-часов за один сеанс работы ускорителя). На базе нового кан организована оснащенная аппаратно-программными средствами эксперименталь установка для исследования кристаллических элементов.

8. Способ измерения с помощью изогнутого кристалла в сочетании с магнитн спектрометром основных характеристик пучков частиц (профили, гало, эмитт разброс по импульсам).

9. Результаты исследования высокоэффективного вывода частиц кристаллом У-70, намного опередившие известные мировые данные, полученные этим способ

Практическая ценность. Приведенные в диссертации результаты исслед ний используются на ускорителе ИФВЭ и открывают большие возможности п менения изогнутых кристаллов как на действующих, так и на строящихся у рителях на большие энергии и кроме ИФВЭ могут быть использованы в дру научных центрах по физике высоких энергий (ИЯФ СОАН, ОИЯИ, ИЯИ, ИТ CERN, FNAL, BNL, DESY, КЕК и др.).

Апробация результатов и публикации. Диссертация написана на основе от [1-29], опубликованных в виде препринтов и статей в отечественных и убежных журналах, включая монографию [1] и обзор в УФН [2]. Результа-исследований докладывались на отечественных и международных конферен-х по когерентным эффектам в кристаллах и ускорителям заряженных частиц 4,16,18,22,24,25,26,28]. О нескольких полученных результатах, представляю-интерес для широкой научной общественности, сообщалось в журналах "CERN rier" (№10 - 1989 г., №9 - 1991 г., №9 - 1997 г., №2, №5 - 1998 г.) и "Наука в сии" (№4 - 1997 г.). За выполненный цикл работ автор диссертации (с коллек-ом соавторов) удостоен звания лауреата Государственной премии Российской ерации в области науки и техники за 1996 год.

Объем и структура диссертации. Диссертация в форме научного доклада жена на 51 странице, состоит из четырех глав и заключения, содержит 30 унков, 3 таблицы и список цитируемой литературы из 29 наименований.

Содержание работы

1. Исследование особенностей каналирования в мультигэвной области энергий

Сравнение эффективностей торцевого и объемного захватов частиц в режим каналирования кристаллами кремния ак известно, в изогнутом кристалле существуют два механизма захвата частиц жим каналирования. В "стандартном" торцевом захвате участвуют частицы ка с угловой расходимостью меньше критического угла каналирования относи-но кристаллографических плоскостей на торце кристалла. Объемный захват икает в глубине изогнутого монокристалла, в области, где траектории частиц адают с касательными к изогнутым кристаллографическим плоскостям. проведенном эксперименте [17] наблюдались оба вида захвата. Применение сталла, с переменной кривизной позволило детально исследовать закономерности много захвата, что проделано впервые. Эксперимент был проведен на магни-тическом канале № 21 ускорителя ИФВЭ. Схема расположения оборудования ставлена на рис. 1. Пучок протонов магнитом М1 наводился на ориентиро-ый изогнутый на угол 21 мрад монокристалл кремния Si, расположенный в ометрйческом устройстве. Пучок отклоненных кристаллом частиц с помощью ектирующего магнита М2 пропускался сквозь 6-метровый стальной коллима-С1 вдоль геодезической оси канала № 21 и двумя последующими магнитами и М4 очищался от фона. Интенсивность отклоненных частиц измерялась двумя тилляционными счетчиками 51 и S2 размером 100х 100 мм2, включенными на адения. Мониторирование падающего пучка осуществлялось пропорциональной камерой £>1, камеры И2, БЗ (апертурой 100 х 100 мм2), работающие в аналогово режиме, контролировали положение и размеры отклоненного кристаллом пучка.

Суть опыта заключалась в том, чтобы выявить зависимость числа отклоне ных каналированных частиц от угла поворота кристалла относительно направл ния падающего пучка. При повороте кристалла в сторону его изгиба на угол превышающий расходимость падающего пучка, возникают условия выхода пуч в глубине кристалла на касательные к изогнутым плоскостям, т.е. реализуют условия объемного захвата (рис. 2).

Рис. 2. Условия объемного захвата.

Счетчики 51, 52 находились на значительном удалении ~ 100 м от кристалла, вязи с чем угловой аксептанс системы регистрации частиц составил ±0,5 мрад оризонтальной и вертикальной плоскостях, Этот угловой интервал позволял истрировать без потерь все каналированные частицы, выходящие из заднего ца кристалла. В то же время частицы, деканалировавшие в изогнутой части сталла, практически не попадали на счетчики. Фон вторичных частиц из-за ичия трех магнитов, настроенных на импульс первичного протонного пучка 70 ГэВ/с, отсутствовал полностью. Фон упругорассеянных на кристалле и ма-иале держателя протонов был зафиксирован только при больших углах поворота сталла ip > 15 мрад и вычитался как ориентационно-независимый сигнал на тчиках. При углах поворота <р < 15 мрад наблюдался 100%-ый ориентационный ект, т.е. выделение каналированных частиц было идеальным. В опыте использовалась пластина, вырезанная из бездислокационного кремния, ентации (111) с размерами: H х V х L = 0,5х15х 100 мм3 (толщина, высота, на по пучку). Точность изготовления менее одной угловой минуты. Кристалл изогнут с переменной кривизной, как показано на рис. 3. Один из его концов закреплен между плоскими зеркалами, другой нагружен с помощью неболь-го усилия. При таком способе изгиба форма кристалла описывается кубической вой, а радиус кривизны и угол касательной к плоскостям меняются по закону:

R(l) = L2J(2a0l), a(l) = a0{l/L0)2, (1)

I — расстояние, отсчитываемое от места приложения усилия; Lq = 92 мм — на изогнутой части кристалла; а0 — полный угол изгиба кристалла. Измерение зависимости числа отклоненных частиц от угла поворота было лро-ено дважды. Сначала пучок падал на кристалл со стороны нагруженного конца, что по мере вращения кристалла в области объемного захвата кривизна на-тала. Затем кристалл был перевернут так, что частицы налетали со стороны репленного конца (в этом случае в месте объемного захвата кривизна спадала), фики зависимости числа отклоненных частиц от угла поворота в первом и вто-случаях приводятся на рис. 4а. Острые пики слева соответствуют торцевому вату частиц в режим каналирования, пологая часть — объемному захвату. Наблюдаемое в опыте количество отклоненных частиц определяется вероятною захвата и последующим процессом деканалирования. Число частиц, откло-мых оптимально-ориентированным (ср = 0) кристаллом при торцевом захвате, еделяется выражением [1]

7V(0) = Iai х ^ х А. х Аь х exp , (2)

Isi обозначает количество частиц пучка, попадающих в сечение кристал-0С/Ф — отношение критического угла каналирования к расходимости лучка; ~ 0, 7 — аксептанс прямого кристалла; Аь ~ (1 — Rc/R)2 — уменьшение ак-танса в изогнутой с радиусом R части кристалла; Rc — критический радиус алирования; LbD — длина деканалирования в изогнутом кристалле.

Количество частиц, отклоненных в результате объемного захвата при повороте кристалла на угол равно

N{f) = Isi х W{R{<p)) х Аъ{<р) х exp где l{ip) — длина пути каналированных частиц в кристалле от точки захват до выхода из него, определяемая соотношениями (1); R{<f>) — радиус кривизн кристалла в точке захвата частиц в режим каналирования; W{R(<p)) — зависяща от радиуса кривизны вероятность объемного захвата.

При анализе экспериментальных кривых 1, 2 на рис. 4а, проведенном с помо щью соотношений (2) и (3), рассчитано значение вероятности объемного захват частиц W(R) при различных радиусах изгиба кристалла R, показанное на рис. 46. Зависимость W(R) близка к линейной. Линейное нарастание расхождения в зна чении W(R) ~ 20% для двух случаев измерения, соответствующих спадающе" и нарастающей кривизне кристалла, является экспериментальным подтверждени ем существования эффекта "градиентного" захвата, обоснованного в известны теоретических работах. Этот эффект является обратным центробежному декана лированию, подобно тому как объемный захват за счет рассеяния есть процесс обратный к обычному деканалированию.

В гармоническом приближении для нашего случая величина "градиентной до бавки" [1] есть щ(1) = ^ = {aoX/Ll) х R, ( где Л ~ 15 мкм — длина осцилляции траектории каналированной частицы пр 70 ГэВ в кремнии. Скорректированные значения W(R) с учетом этого эффект показаны на рис. 46 штриховыми линиями.

Измеренная величина вероятности объемного захвата оказалась невысокой. Так например, для радиуса изгиба кристалла 10 м она равна (0,9 ±0,15)% с учето статистических и систематических погрешностей измерения. Сопоставляя наш данные с результатом ПИЯФ для энергии протонов 1 ГэВ, мы сконструировал эмпирическую формулу: W(jpv,R) = A5R/(pv)^ где W(Vo),pv (ГэВ), R(m). Суще ствует простое объяснение зависимости W ~ R/(pv)3/2. Объемный захват можн рассматривать как частный случай реканалирования в изогнутом кристалле, когд внутри канала ничего нет, а вне его функция распределения определяется плот ностью падающего пучка. Каждая квазиканалированная частица ориентирован вблизи канала на протяжении длины порядка R х вс (вс ~ 1 /Ра — критически" угол каналирования). По правилу обратимости Линдхарда вероятность частиц оказаться внутри канала равна вероятности деканалирования на этой длине:

R • вс где Ьц ~ ру — длина деканалирования. В.М. Бирюковым в [1] в результате строгого рассмотрения получена аналитическая формула для вероятности объемног

РОССИЙСКАЯ' ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

2. Исследование динамики каналирования в прямом кристалле.

Наблюдение состояния динамического равновесия

В опыте [20] наблюдались некоторые закономерности каналирования частиц в рямом кристалле в зависимости от расходимости падающего пучка протонов, ультигэвные энергии предоставляют уникальную возможность провести прямое аблюдение состояния динамического равновесия, когда число каналированных ча-иц на входе и на выходе кристалла одинаково. Этот опыт также проводился в канале № 21 ускорителя ИФВЭ. Схема опыта алогична предыдущей, но магнит М2 был выключен. Кристалл был вырезан оль кристаллографической плоскости (111). Он изгибался специальным образом форме, напоминающей хоккейную клюшку. При общей длине 100 мм он имел ямую часть длиной Ь\ = 65 мм, другая часть длиной ¿2 = 35 мм изгибалась вномерно на угол 20 мрад. На кристалл с помощью начальной части магнито-тической системы канала № 21 наводился пучок протонов с энергией 70 ГэВ. еотклоненный пучок гасился в поглотителе С1. Отклоненные кристаллом части, попадающие в аксептанс конечной части магнитооптической системы, освобо-ались ею от фона вторичных частиц и регистрировались детекторами (состав гистрирующей аппаратуры и все подробности измерения уже обсуждались рае). Измерение числа отклоненных частиц проводилось дважды. Сначала пучок дал на кристалл со стороны прямой части, как это показано на рис. 5а ввер-. Затем кристалл переворачивался в вертикальной плоскости так, что частицы ©тали со стороны изогнутой его части (см. рис. 5а внизу).

Ф (мраЗ) 5. Положения кристалла при двух измерениях интенсивности отклоненного пучка — (а). Зависимость N1/N2 от угловой расходимости падающего на кристалл пучка (сплошная кривая — расчетная, точки — результаты измерений) — (б).

Во втором случае наличие прямой части в кристалле было несущественным так как частицы были уже повернуты кристаллом и обязательно регистрировалис детекторами (как каналированные, так и деканалировавшие на этом участке), первом же случае частицы, деканалировав в прямом участке, не отклонялись и по этому не регистрировались вовсе. Таким образом, измеряя отношение количеств отклоненных частиц в первом и во втором случаях N^/N2, мы получали информа цию о деканалировании протонов на прямом участке длиной Ь\ с учетом обратног процесса подзахвата из неканалированной фракции.

Угловая расходимость падающего пучка протонов могла варьироваться магни тооптической системой. Для пучка с малой угловой расходимостью Ф = 0,1 мра (стандартное отклонение) было получено отношение А^/АГ2 = 0, 72 ±0,03. При рас ходимости $ = 0,2 мрад отношение составило N±/N2 — 0,91 ±0,05. Для пучка широкой угловой расходимостью Ф = 1 мрад оказалось, что N^/N2 = 1 ±0,05, т.е роль процессов реканалирования усиливается с ростом угловой расходимости пада ющего пучка, приводя в последнем случае к состоянию динамического равновеси

Такое поведение соотношения N^/N2 представляется вполне логичным. На протяжении прямого участка из-за многократного рассеяния расходимость неканалированной фракции пучка увеличивается: + (в) где Ф — начальная расходимость пучка; р — импульс частиц; Ьц — радиационная длина. Многократное рассеяние на длине Ь\ в нашем случае составляет величину ФтпиИ — 0,2 мрад. Если начальная расходимость пучка много больше этой величины, фазовая плотность неканалированной фракции пучка не меняется сколь-либо заметно на длине Ь\. Значит, скорость "подпитки" сохраняется на всей длине, обеспечивая N1 ~ N2- Если же Ф < Фтии, фазовая плотность частиц вблизи канала и, соответственно, скорость реканалирования быстро падают, частицы из канала убывают за счет деканалирования, поэтому < N2 заметно.

Измеренные в эксперименте отношения (N±/N2) приведены на рис. 56 в сравнении с расчетной кривой [20], учитывающей процессы обмена между каналированной и неканалированной фракциями пучка. Проведенный опыт демонстрирует, как важен в прямом кристалле объемный захват, когда в экспериментальных условиях доля каналированных частиц с глубиной кристалла отнюдь не убывает экспоненциально.

1.3. Измерение длины деканалирования 70-ГэВ протонов в кристаллах кремния ориентации (110) и (111), изогнутых с постоянным радиусом кривизны

Для практических целей особый интерес представляет измерение длины деканалирования в изогнутых кристаллах. В опыте [21] длина деканалирования протонов энергией 70 ГэВ была прецизионно измерена в кристаллах кремния нетради-онным методом, основанным на использовании явления объемного захвата. Это инственный опыт, в котором прецизионное измерение осуществлялось для двух оскостных каналов (111) и (110).

Использовалась та же схема эксперимента, чтс и на рис. 1 , но кристаллы гибались с постоянным радиусом кривизны. Кристаллы разной ориентации, вы-занные из одного материала, были изогнуты по цилиндру радиусом R = 3 м длине L = 60 мм. Отклонение от среднего радиуса было ~ 1%. На кристал-поочередно наводился пучок 70 ГэВ протонов с малой угловой расходимостью = 0,1 мрад. Экспериментально измерялась зависимость количества отклоненных стиц от угла поворота кристалла. Наблюдались только частицы, вылетающие заднего торца кристалла; деканалировавшие в изогнутой части кристалла ча-ицы не регистрировались. Так же, как и в предыдущих опытах, они гибли на глотителе С1 (см. рис. 1). В начале измерений кристалл с помощью гониометра настраивался на торцевой ват по максимуму отклоненных частиц и поворачивал пучок на полный угол = Lo/R = 20 мрад. Затем происходило вращение кристалла в сторону его изгиба угол (р, превышающий расходимость падающего пучка — возникали условия ъемного захвата. с. 6. Схема наведения протонного пучка на кристалл — (а). Экспериментальные зависимости количества отклоненных частиц N(e) для кристаллов Si(lll) и Si(110) в логарифмическом масштабе — (б).

Так как кривизна кристалла постоянна, то при его вращении в режим канали-вания при объемном механизме захватывается одно и то же количество частиц W(R) — const, где I обозначает интенсивность падающего на кристалл пучка, пучок

0 4.0 8.0 12.0 16.0 20.0 9,мраЭ a W(R) — вероятность объемного захвата. Однако путь каналированных части I от точки захвата и до заднего торца кристалла уменьшается линейно с росто угла вращения кристалла (рис. 6а): 1(<р) = Lq — R-<p = R-в, где в — угол поворот частиц в кристалле. Регистрируя количество отклоненных кристаллом частиц мож но установить, таким образом, закон деканалирования частиц. Экспериментальны зависимости N(6) для кристаллов ориентации (111) и (110) показаны на рис. 66 из которого видно, что они подчиняются экспоненциальному закону. Причем, из меренные длины деканалирования равны X111 = (52 ± 2) мм, L110 = (37 ± 5) м соответственно. Известно, что изгиб кристалла укорачивает длину деканалирова ния. Если привести эти данные к прямому кристаллу, то полученные величинь равны = (61 ± 2) мм, Lj}° = (42 ± 5) мм.

Эти результаты интересно сравнить с предсказанием теории. Диффузионная те ория предсказывает, что в глубине кристалла доля каналированных частиц убывав экспоненциально ~ exp(—z/Li)), с длиной деканалирования

4 Ес ;02дА>: которая не зависит от начального распределения частиц. Здесь Ес — критическа энергия поперечного движения; — 1-й корень функции Бесселя; величина -коэффициент трения, определяемый средним квадратом угла рассеяния на электро нах и ядрах. Из соотношения (7) В.М.Бирюковым в [21] получено аналитическо выражение для Ьв (при расчёте коэффициента трения Б о использовался потенции Линдхарда для атомной плоскости): axF^p

9тг2 ln(2mec27/7) — 1 Z;remec2'

Здесь ге — классический радиус электрона; те — масса покоя электрона; I -потенциал ионизации (172 эВ в кремнии). = 0,8853 a^Z-1/3; а в=0,529 А -параметр экранирования Томаса-Ферми; Zi = (Q/e) — заряд каналированной ча стицы в единицах е; 7 — релятивистский фактор.

Согласно модели (8), длина деканалирования пропорциональна межплоскостном расстоянию dp. Кристалл кремния ориентации (110) представляет собой регуляр ную структуру с одинаковым расстоянием dp между плоскостями. В кристалле ориентацией (111) периодически большое расстояние dpl между атомными плоско стями сменяется малым dps, при этом dps = (1/3)dpi,. В протяжённых кристалле Si (111) можно не учитывать частицы, движущиеся в малом межплоскостном ин тервале dps- Для случая Е = 70 ГэВ выражение (8) приводит к величинам: L1^1 53,5 мм, 1/]р10 = 43,7 мм, обеспечивая удовлетворительное согласие с экспериментом Отношение L^/L^0, согласно (8), должно равняться /dp — 1,23 для кремния Экспериментальное отношение составляет 1,4±0,2.

На рис. 7 результаты измерения длин деканалирования при 70 ГэВ сравнивают ся с теоретическими величинами (8) и известными экспериментальными данным для других энергий. с: 7. Расчетные зависимости LD от энергии частиц в каналах Si(lll) и Si(llO) совместно с экспериментальными данными: • — ОИЯИ; о — CERN; ~к — FNAL; ® — ИФВЭ.

Исследования принципиальных возможностей применения изогнутых кристаллов для формирования пучков

Для практического использования монокристаллов на ускорителях необходимо учить ответы на следующие вопросы. Пучки какой предельной интенсивности и какие углы можно отклонить кристаллом. Каков запас прочности механической, иационной; не будет ли разгибаться кристалл от температуры и радиации, кой длины могут быть совершенные кристаллы; как влияет качество изгиба сталла и обработки его поверхности на характеристики отклоняемых пучков?. Для прояснения этих вопросов был проведен большой обьем исследований. В цессе работы были изогнуты и испытаны в пучках десятки (если не сотни) сталлов. Приготовление монокристаллических пластин и изгибающих устройств

Для эффективного отклонения пучков частиц высоких энергий необходимо обес-ить высокое качество ориентации и обработки граней монокристаллических стин. В проведенных опытах с пучками 70-ГэВ протонов кристаллы, имею-е длину около 100 мм и толщину ~ 1 мм должны были иметь эффективно лоняющий слой, близкий по размерам к полному сечению кристалла. Это до-гается, если выдерживается точность ориентации пластин ~ 1 угловой минуты, непараллельность и неплоскостность боковых граней около 10 мкм по всей длин кристалла. Глубина нарушенного кристаллического слоя при полировке боковы граней должна быть на том же уровне. Эти требования, в принципе, обеспечиваются существующим уровнем технологии.

В планируемых применениях кристаллов на ускорителях тэвных энергий, особенности для вывода пучков из сверхпроводящих коллайдеров, требования качеству ориентации и обработки граней ужесточаются. Так, ожидается, что параметр наведения пучка на кристалл при выводе его из ускорителя LHC будет составлять доли микрона [1], что, по-видимому, потребует создания новых средст контроля и обработки кристаллической поверхности для захвата с первого оборота. С ростом энергии отклоняемых частиц до тэвного диапазона ужесточаются также требования к качеству материала монокристаллических пластин. Мозаичность кристаллов не должна превышать величину ~ 1 мкрад, определяемую критически углом каналирования.

Согласно известному эмпирическому правилу, кремниевую пластину толщиной Н можно изогнуть упруго по цилиндру радиуса R при условии R > 1000 X Н. В то же время для эффективного поворота пучков существует оптимальный радиус изгиба Ronm j Для значительных углов поворота равный нескольким критически: радиусам Rc ([2]): Ronm ~ (3 -f- 5) х Rc. Для кремния RC[M] = 0,0018 х Е [ГэВ]. Поэтому этот прочностной критерий приводит к ограничению толщины используемых пластин Н [мм] < 0, 007 х Е [ГэВ]. Так, в случае энергии отклоняемых частиц Е = 70 ГэВ оптимальный поворот осуществляет пластина толщиной Н < 0,5 мм. Но для строящихся ускорителей на тэвные энергии толщина пластин может составлять десятки миллиметров, что, как правило, много больше характерных размеров пучка.

Изгиб кристалла по заданной поверхности в общем случае является непростой задачей. Исторически изогнутые кристаллы широко применялись для фокусировки рентгеновских и гамма-лучей в кристалл-дифракционных приборах для нужд ядерной спектроскопии. В решении проблемы применялись два общих подхода: 1) изгиб с помощью цилиндрических зеркал; 2) метод моментов.

Особенности требований к изогнутым кристаллам, применяемым для отклонения пучков частиц высоких энергий по сравнению с их использованием для фокусировки гамма-лучей связаны с различными направлениями траекторий движения частиц: гамма-лучи пересекают пластины поперек больших граней, заряженные частицы движутся вдоль вырезанных пластин. Поэтому требования постоянства радиуса изгиба по продольной координате, как правило, не очень жесткие (точность А R/R ~ 1% вполне достаточна). Однако возникают специфические требования на краях изогнутых пластин. Необходимо выдержать полный угол изгиба 0 в пределах углового аксептанса существующих магнитооптических каналов транспортировки частиц, куда необходимо отклонять пучки. Обычно эта величина А0 ~ 0,1 мрад. Такая точность может контролироваться по отраженному лазерному лучу при прямолинейном движении кристалла на микрометрическом столике.

Как показал опыт, большой проблемой является устранение неравномерности згиба по поперечной координате. В неответственных случаях, при использовании исталлов для деления выведенного пучка, можно было ограничиться все той же чностью A0j. ~ 0,1 мрад, что, как правило, значительно меньше расходимости адающего пучка 1 мрад). Для вывода пучка из ускорителя или для иссле-вания эффективности захвата частиц в режим каналирования такая точность ляется неприемлемой и определяется величиной критического угла каналирова-я. В этом случае края кристалла приходится оставлять плоскими, либо приметь для проверки качества изгиба лазерную интерферометрию, и корректировать верхности изгибающих зеркал.

В проведенных опытах с откло-нием пучков частиц присутству-т те или иные разновидности ука-нных методов изгиба кристалла редложено и испытано около десят-конструкций, часть из них опи-на в соответствующих парагра-ах). На рис. 8 показан разработан-ш и широко применяемый [10,13, ] вариант конструкции изгибающе-устройства на основе металличе-ого зеркала, получивший в лите-туре название "bridge" (мост). В ой конструкции центральная часть вобождена от вещества, чтобы све-и к минимуму потери частиц. Кри-алл крепится к изогнутой металли- Рис g Разработанное устройство для изгиба и ской поверхности с помощью упру- крепления кристаллов, х шайб, действующих по принципу вестной в технике подпружиненной опоры, снимающей механические напряжения, торые возникают при взаимодействии интенсивного пучка с кристаллом. ниометричёские устройства

Необходимой частью экспериментального оборудования являются гониометри-ские устройства для ориентации кристаллов относительно пучка. Обычно для иентации кристаллов требуется минимальный шаг углового перемещения, срав-мый с критическим углом каналирования (~ 20 мкрад при 70 ГэВ). Такие чности обеспечивает известная компактная конструкция, содержащая коромысло, иводимое в движение микрометрическим винтом, расположенным на оси шагово-двигателя. В зависимости от величины коромысла и шага резьбы микрометри-ского винта в конструкциях достигался шаг углового перемещения 8-30 мкрад.

Для управления использовались шаговые двигатели марки ШДР-711, ШДР-7 Управляющие импульсы на двигатели поступали от модулей управления МУ. выполненных в стандарте КАМАК. Число и частота управляющих импуль могли задаваться от ЭВМ и вручную с передней панели модулей. Указан конструкции легко размещались внутри стандартных вакуумных боксов и уста вливались на устройства, обеспечивающие координатные перемещения (на рис в качестве примера показано устройство кристаллической станции деления пуч установленной в канале № 8).

Рис. 9. Кристаллическая станция деления пучка. 1 — изогнутый монокристалл; 2 — криста держатель; Показан также одноосевой гониометр с горизонтальным перемещением.

2.2. Влияние дефектов кристалла

Приведенная формула (8) для величины длины деканалирования дает след щую зависимость от свойств вещества: ¿д ~ атг • что для изоморфных к сталлов приводит к зависимости ~ (слабое убывание с ростом Z). поскольку критический радиус изгиба Яс ~ (величина, обратная критическ полю), то "сила" дефлектора 0£> ~ ~ 22|/3 — заметно растет с ростом

Кроме того, критический угол захвата вс ~ у/иё ~

1/3 также возрастает. Поэт тяжелые материалы, в принципе, предпочтительнее для поворотов лучка.

Практика, однако, показывает, что главным фактором в использовании кристал-в в области высоких энергий пока является совершенство кристаллической струк-ры. В этом отношении кремний — истинный рекордсмен. О высоком качестве ого материала говорят данные по измерению длин деканалирования, приведенные азделе 1, а также ряд результатов опытов по отклонению пучка протяженными исталлами [25], в разное время устанавливаемыми в магнитооптических каналах стиц, позволивших продвинуть исследования "вширь".

Так, в одном из них был испытан в пучке изогнутый на угол 20 мрад кристалл емния (110) длиной 150 мм. Метод введения в режим каналирования и анализ нных аналогичны рассмотренным в разделе 1.1. Соответствие доли отклоненных стиц расчетным величинам, полученным из соотношения (2), свидетельствует о ершенстве кристалла.

В опытах сравнивались отклоняющие свойства протяженных (до 100 мм) кри-шов кремния, полученных из разных источников. Обнаружена устойчивая по-ряемость результатов от кристалла к кристаллу 5%, соответствующая точности ерений.

Интересные выводы были сделаны из внения эффективности отклонения пуч-кристаллами кремния с различной элек-проводностью (этот параметр зависит концентрации примесной добавки и яется определяющим в микроэлектро-е). Ранее частицы высоких энергий отняли только высокоомными материала-(р > 5 КОм-см). Испытания в пуч-протонов с энергией 70 ГэВ показали, кремний с удельным сопротивлением 100 Ом-см обладает столь же высокими лоняющими свойствами. Таким обра, подтверждаются предсказания теории уменьшении с ростом энергии влияния каналирование концентраций одиноч-х примесных атомов. Даже кремниевые пластины массово-производства, вырезанные из слитков ьшого диаметра для приготовления микросхем, обнаруживают хорошие откло-щие свойства. В одном из опытов из пластины диаметром 100 мм (ориентация 1); п — тип проводимости; не более 100/см2 — плотность дислокаций) был при-овлен дефлектор длиной 30 мм. По сравнению с бездислокационным "эталоном" отклонял (90 ± 5)% частиц.

Именно дислокации при высоких энергиях представляют наибольшую опасность, как сечение деканалирования на остальных типах дефектов с ростом энергии ает, либо остается постоянным. На рис. 10 показана теоретическая кривая

Рис. 10. Зависимость длины деканалирования Щ) при 70 ГэВ от количества дислокаций в кристалле. Точки — эксперимент; кривая — теория. уменьшения длины деканалирования с ростом количества дислокаций в кристал ле при 70 ГэВ [1]. На график нанесена экспериментальная точка, отражающа уменьшение длины деканалирования в несовершенном кремниевом кристалле.

Было испытано несколько кристаллов германия длиной до 45 мм. На рис. 1 показаны данные рентгенографического анализа фрагмента одного из германие вых кристаллов, с помощью которых определена концентрация дислокаций: пд (1000±100)/см2 (под микроскопом на фотопластинке подсчитывалась суммарна длина дислокаций на единицу объема). При тестировании кристаллов германия пучке 70-ГэВ протонов по доле отклоненных частиц из соотношения (2) в [10] а также из сравнения с кристаллами кремния в идентичных условиях [25] бы ла определена величина Ьр = (5 ± 1) мм (это составляет 15% от характеристи ки для совершенного материала). Измеренная величина концентрации дислокаци около 1000/см2 объясняет аномальное деканалирование в образце германия и ко личественно хорошо согласуется с теорией (экспериментальная точка нанесена н график рис. 10).

Рис. 11. Результаты рентгенографической съемки образца германия по методу Бормана В этом методе дислокации отображаются в рентгеновских лучах на нижней граь кристалла черными линиями, что зафиксировано на фотографии.

Установлено также влияние дефектов кристаллической поверхности, вносимы при обработке пластин, на характеристики пучка частиц высоких энергий, откло ненного изогнутым монокристаллом [24]. Эта задача актуальна при оптимизаци ристаллических септумов, предназначенных для эффективного вывода циркули-ующего пучка из ускорителя, где пучок имеет малую угловую расходимость и собо чувствителен к дефектам кристалла на его поверхности, соприкасающейся с учком.

В опыте прецизионно с точностью менее 1 мкм измерены профили отклоненного ристаллом пучка частиц с помощью ядерных фотоэмульсий. Путем сравнения зображений пучка на ближних эмульсиях с размерами кристаллов было выяснено, то испытанные кристаллы имеют заметный неканалирующий слой (см. табл. 1), ирина которого колеблется в пределах ~ 40 — 60 мкм.

Таблица 1. Характеристики кристаллов и размеры отклоненных пучков.

Тип кристалла Длина, мм Толщина, мкм Размер пучка, мкм Неэффективный слой, мкм

81(110)

81(111)

Ое(1Ю)

81(111)

81(111)

81(111)

Наблюдалась также специфическая мозаичность кристаллов вблизи торцов, при-одящая к угловым искажениям отклоненного пучка, превосходящем критический гол каналирования. Так, на рис. 12а показано изображение отклоненного пучка, труктура которого отражает характер поверхностных дефектов на торце кристал-а. Фотография этого торца, увеличенная под микроскопом, приведена на рис. 126. а расстоянии ~ 1 м от кристалла наблюдается фрагментирование пучка на отельные зоны с разрывом между ними ~ 100 мкм. Соответствующие этому на-людаемые искажения углов вылета частиц пучка а ~ 100 мкрад в этом случае бусловлены деформациями решетки на глубину к ~ (ЗЛС) X а = 50 мкм на торце ристалла. Здесь принято, что (3Лс) — радиус изгиба плоскостей, равный трем ритическим радиусам Ес ~ 15 см, при котором возможно эффективное каналиро-ание (при меньших радиусах деформации плоскостей частицы просто выходили ы из режима каналирования, не давая такой скоррелированной картины, как это идно из рисунка). Обнаруженные глубокие угловые деформации кристаллической ешетки, образующиеся из-за мельчайших микронных дефектов на поверхности, и огут быть причиной возникновения существенного приповерхностного слоя, неэф-ективного для каналирования мультигэвных частиц. Последующие опыты показа-и, что качество отклоненного пучка заметно улучшается при тонкой химической олировке торцов кристалла.

Проведенные исследования таким образом помогли уточнить требования к кри-аллам и усовершенствовать технологии изготовления монокристаллических пла-ин, пригодных для отклонения и вывода пучков на ускорителях.

3. Тепловая и радиационная стойкость кристаллов

В экспериментальной работе Э.Н.Цыганова и др. (1979 г.), где впервые провеялась идея отклонения частиц изогнутым монокристаллом, интенсивность откло-енного пучка едва достигала нескольких частиц в секунду. В дальнейшем из-за евысокой эффективности отклонения частиц кристаллами (главным образом, из-несоответствия эмиттанса пучка аксептансу кристалла), а также радиационных вреждений полупроводниковых кристаллов сложилось мнение об ограниченных зможностях этого метода формирования пучков.

С целью практического изучения возможности формирования с помощью моно-исталла интенсивного пучка протонов, достаточного, в принципе, для генерации учков вторичных частиц, был поставлен специальный эксперимент [18].

Изогнутый на угол 13 мрад кристалл кремния устанавливался на выведенном з ускорителя протонном лучке с энергией 70 ГэВ (конструкция кристаллической анции приведена на рис. 9). Часть пучка, захваченная в режим каналирования, от-онялась в магнитооптический канал, где размещалась детектирующая аппарату-а. Кристалл кремния ориентации (111) имел размеры HxV xL = 0,5x40x30 мм3 ирина, высота, длина по пучку), длина изогнутой части составляла 20 мм, а едний радиус изгиба 1,5 м. На кристалл наводился быстро выведенный пучок нтенсивностью 1,3 х 1013 в цикле при длительности вывода 5 мксек и времени овторения циклов 9 секунд. Пучок имел размеры сга = <ту = 1,4 мм и угловую асходимость в х-плоскости (плоскости поворота пучка) erg = 0,8 мрад. Около , 8 X 1012 частиц за цикл попадали непосредственно на торец кристалла, вызы-ая среднее во времени энерговыделение ~ 1 Вт. Кристалл нагревался пучком о температуры ~ 150°С, кроме того, подвергался динамическому механическому оздействию в момент прохождения пучка.

Первые попытки использовать монокристалл для отклонения быстро выведен-ого интенсивного пучка закончились неудачно. Кристалл, изогнутый с помощью риклеивания к металлическому цилиндру по всей своей поверхности, лопался от инамических нагрузок. Удачной оказалась конструкция, когда кристалл прижи-ался к металлическому основанию с помощью пружинных креплений (рис. 8).

В максимуме кристалл отклонял 9,5х 109 частиц/цикл. Потери частиц основно-пучка были на уровне 1%, это примерно в десять раз превышало интенсивность тклоненного пучка т.е. эффективность деления пучка кристаллическим сплитте-ом составила ~ 10%. Для приведенных выше параметров падающего пучка, когда гловая расходимость в ~ 40 раз превышала критический угол каналирования, эта ифра соответствует расчету.

На рис. 13 приведена зависимость интенсивности отклоненного пучка от вре-ени с момента начала работы кристалла (положение кристалла оптимальное).

Флуктуации интенсивности от цикла к циклу составляли приемлемую величин 12%. На этом уровне не было замечено изменения средней интенсивности, что под тверждает благоприятные теоретические предсказания [1] о слабой температурно зависимости отклоняющих свойств при плоскостном каналировании.

12.0 п

2.00.0 I ' ' I I ' I I I I I I I I I ' I I I I I I I I I I I I I | I г I I I I I ' I I

0 Ю 20 30 АО 50 60 70 80 I, ггап

Рис. 13. Зависимость интенсивности отклоненного кристаллом пучка от времени (положение кристалла оптимальное). Сплошная кривая фитирует экспериментальные точки, каждая из которых соответствует одному циклу ускорения. Штриховая -расчет, учитывающий температурную зависимость каналирующих свойств.

Определялась также пространственная стабильность отклоненного лучка, которая контролировалась удаленной ионизационной камерой. Было установлено, что изменения угла изгиба кристалла Д0/0 < Ю-2.

Облучение кристалла в быстро выведенном интенсивном пучке продолжалось в течение одного сеанса работы ускорителя. Выдержав поток частиц ~ 1019/см2 в условиях теплового и механического воздействий кристалл не только не разрушился, но и сохранил каналирующие свойства без значительных ухудшений.

Полученный результат является неожиданным по своей оптимистичности. Из результатов опыта следует, что в обычных магнитооптических каналах частиц кристаллы могут эксплуатироваться годами, а также могут быть использованы для вывода интенсивных пучков из ускорителя (что успешно подтвердилось позднее).

2.4. Отклонение пучка на большие углы

Следует отметить, что для создания экспериментальных зон на тэвных ускорителях также перспективно использовать изогнутые монокристаллы, так как они позволяют отклонять пучки на значительно большие углы, чем обычные электромагниты. Как отмечено в [2], "сила" кристаллического дефлектора = Ьц/В-соскольку и Ьв и Лс почти одинаково (линейно) растут с ростом энергии Е, мак-мально возможный угол отклонения пучка кристаллом не зависит от энергии стиц. Это является важным достоинством кристаллической оптики. Согласно нным измерения Ьс , приведенным в главе 1, для 81(111) и 81(110) будем иметь = 0,47 рад и &£> = 0,34 рад соответственно. Для частиц высоких энергий муль-гэвного диапазона это просто гигантская величина в сравнении с поворотом в ычном электромагните . ЗООШДТл • м)

Эм мрад = --. р/(ГэВ/с) пример, в случае поворота пучка с импульсом 1000 ГэВ/с б-метровым железным гнитом угол отклонения будет равен только 3 мрад.

Возможность отклонения пучка на большой угол также проверялась эксперимен-ьно на быстро выведенном пучке протонов с энергией 70 ГэВ. Интенсивность ямого пучка до и после кристалла измерялась трансформаторами тока с абсо-тной ошибкой около 1%. Интенсивность отклоненного кристаллом пучка реги-рировалась специальным трансформатором тока повышенной чувствительности истематической погрешностью 10%.

Кремниевый кристалл был изогнут на угол 0 = 130 мрад. Его размеры были х V х Ь — 0,5 х 15 х 100 мм3. При оптимальной ориентации кристалл отклонял 108 р/цикл, доля отклоненных частиц соответствовала расчету по формуле (2). я отклонения тэвных частиц на такие углы потребуются совершенные кристал-длиной несколько десятков сантиметров. Существует определенный оптимизм в решении этой проблемы; во всяком случае, кристаллы длиной 15 см уже пытаны в пучке (раздел 2.2). Методы фокусировки пучка кристаллами и перспективы применения

Экспериментально показано, что с помощью изогнутого монокристалла можно не лько отклонять пучок, но и фокусировать его. Перспективный способ фокусировки л предложен в середине 80-х годов сотрудником ПЙЯФ А.й.Смирновым. Суть этого метода заключается в том, что поверхности выходного торца изо-утого кристалла придается специальная форма, чтобы касательные к кристал-графическим плоскостям на этой поверхности проходили через одну линию и, довательно, частицы в плоскости отклонения собирались в линейный фокус за т разности углов поворота. В случае изгиба кристаллографических плоскостей цилиндру с радиусом Я (см. рис. 14) необходимо, чтобы линия, на которой ат центры кривизны 00', была расположена на поверхности цилиндра радиуса по которому обработан торец кристалла. При этом фокусное расстояние Г будет еделяться выражением Р = \/4г2 — Л2.

Рис. 14. Принцип фокусировки пучка кристаллом. 00' — линия, на которой лежат центры кривизны кристаллографических плоскостей; 00' — ось цилиндра радиуса г, по которому обрабатывается торец кристалла; И' — линия фокуса, в которой сходятся касательные к изогнутым плоскостям, согласно известной геометрической теореме.

В случае идеального изгиба и обработки кристалла размер пучка в точке фокуса Ах, обусловленный его угловой расходимостью в пределах критического угла каналирования 0С, равен Ах = 2Рвс.

Так как критический угол каналирования достаточно мал (вс = 0, 02—0,002 мрад для частиц с энергией от 100 ГэВ до 10 ТэВ при плоскостном каналировании в кремнии), а технология изгиба и обработки кристалла позволяет получить фокусное расстояние порядка нескольких сантиметров, достижимые размеры пучка составят ~ 10 мкм в гэвной и ~ 1 мкм в тэвной области энергий. Заметим, что коэффициент линейного увеличения при фокусировке q — 2Рвс/Н, где Н — характерная ширина кристалла ~ 1 мм, может достигать соответственно величины сотых и тысячных долей.

Описанный способ фокусировки был реализован в совместном эксперименте ИФВЭ—ПИЯФ на протонном пучке с энергией 70 ГэВ [15,16]. В опыте использовались три кристалла кремния размерами Н X V х Ь = 2x15x70 мм3 (ширина, высота, длина по пучку) ориентации (111). Кристаллы изгибались по цилиндру радиусом В. = 2,7 м на длине ~ 65 мм. Чтобы иметь различные фокусные расстояния, выходные торцы кристаллов обрабатывались по цилиндрам с радиусами, значения которых приведены в табл. 2. (соответственно геометрии рис. 14 менялись также углы среза фокусирующей кромки а = агссоз(Л,/2г)). аблица 2. Характеристики фокусирующих кристаллов и размеры пучков в фокусе. Кристалла Л, м г, м а, град Г, м Размер фокуса 2<гх, мкм расчет измерен.

1 2,7 2,21 58,2 3,

2 2,7 1,52 - 30,4 1,

3 2,7 1,374 11,9 0,

На кристалл, устанавливаемый в гониометре, направлялся протонный пучок азмером <тх = 2 мм с малой угловой расходимостью (Тх> = 0,1 мрад. По ориентаци-нной зависимости сигнала на удаленных детекторах кристалл вводился в режим аналирования. Интенсивности прямого и отклоненного исследуемым кристаллом а угол ~ 24 мрад пучков измерялись сцинтилляционными счетчиками. При опти-альной ориентации кристалл отклонял 3% частиц прямого пучка (для указанных арактеристик пучка и кристаллов эта величина соответствует расчету).

Эффект фокусировки регистрировался с помощью ядерных фотоэмульсий. Не-колько слоев эмульсии располагалось на различном расстоянии от выходного торца ристалла. Обработка экспонированных эмульсий при работе с кристаллом № 1 роводилась на микрофотометре, а при работе с кристаллами № 2 и № 3 осу-ествлялся прямой счет плотности распределения треков по сечению пучка под икроскопом. Размер проявленных зерен трека ("ширина трека") -— около 1 мкм.

Рис. 15 иллюстрирует эффект фокусировки отклоненного кристаллом № 1 пучка, а рис. 16 показано изображение пучка, сфокусированного кристаллом № 3 на асстоянии 0,5 м (самая жесткая фокусировка). Размеры пучков в кроссоверах <тх (расчетные и измеренные) указаны в таблице, из которой видно, что они для ристаллов № 1 и № 2 согласуются между собой в пределах 15%. Для кристалла 2 3 размер пучка в кроссовере существенно больше расчетного, что связано с величением вклада аберраций при уменьшении фокусного расстояния.

Реализованный способ фокусировки может быть использован для получения учков частиц микронных размеров тэвной области энергий на ускорителях ново-о поколения. Для этого изображение отклоненного кристаллом пучка достаточно ередать с помощью единичной оптики до экспериментальной установки.

Другое важное применение фокусирующего кристалла может быть связано с брагценным направлением движения частиц — преобразование в параллельный учка, расходящегося из точечного источника. Для этих целей специальным обра-ом должен быть обработан входной торец кристалла. Задача фокусировки расходя-егося пучка актуальна для формирования пучков вторичных частиц, в частности, х вывода из ускорителя коллайдерного типа.

Рис. 15. Изображение отклоненного кристаллом № 1 пучка на трех эмульсиях, расположенных на расстояниях 0,7; 2; 3,5 м от кристалла (справа виден неотклоненный пучок с ореолом вторичных частиц, а также шлейф деканалированных в изогнутой части кристалла частиц).

77 """

Рис. 17. Схема вьюода пучка вторичных частиц из ускорителя фокусирующим

В этом случае на входном торце кристалла направление движения частиц совпадает с направлением кристаллографических плоскостей в пределах критического угла каналирования вс, а эффективность захвата г/ может быть близкой к теоретическому пределу ~ 70%. В реальных условиях эксперимента дефекты фокусирующег устройства могут приводить к существенному уменьшению т).

Указанным выше условиям получения эффективного вывода вторичных частиц несложно удовлетворить в области тэвных энергий. Оценки, выполненные для кол-лайдера LHC (энергия ускоренных протонов 7 ТэВ), показали, что таким способом из LHC можно вывести вторичные частицы с интенсивностью ~ 10®/сек.

Эксперимент по исследованию эффективности захвата и отклонения расходящегося из точечного источника пучка был выполнен на выведенном протонном пучке ускорителя ИФВЭ с энергией 70 ГэВ [23]. Схема эксперимента представлена на рис. 18. Кристалл Si\, изогнутый на угол 60 мрад, с обычными плоскими торцами вводился в интенсивный (10п/сек) выведенный пучок протонов с энергией 70 ГэВ. Каналированный пучок умеренной интенсивности 107/сек отклонялся кристаллом в направлении магнитооптической системы, где были установлены еще два кристалла. Пучок формировался начальной частью магнитной системы и наводился на кристалл Si2, имеющий фокусирующий задний торец. Этот кристалл имел толщину 2 мм, высоту 15 мм, длину 70 мм и был изогнут на угол 18 мрад. Кристалл фокусировал пучок на расстоянии 0,5 м в узкую вертикальную линию с размером в кроссовере ~ 80 мкм (ширина на полувысоте) и угловой расходимостью ±2 мрад.

Полученный таким образом пучок был использован как источник протонов. Для фокусировки и последующего отклонения этого расходящегося пучка использовался кристалл Si3 с фокусным расстоянием 2,5 м. Он имел размеры 2 X 20 х 30 мм3 и изгибался на угол 6 мрад (первый и второй кристаллы имели ориентацию (111), третий был вырезан вдоль плоскости (110)). Этот кристалл обеспечивал угловой аксептанс <р — ±0,4 мрад. Согласно предварительным измерениям, он обеспечивал при фокусировке из параллели в точку размер кроссовера ~ 200 мкм (идеальная величина Ах = 20CF = 125 мкм). Кристаллы вводились в режим каналирования последовательно. Каждый из них имел самостоятельное гониометрическое устройство. кристаллом,

Высокоэффективное отклонение расходящегося пучка подтверждается данными обработки профиля пучка на ядерной эмульсии, расположенной за кристаллом Si3 при его оптимальной ориентации. Этот профиль представлен на рис. 20. Широкий пучок (превышение над фоном) соответствует расходящемуся пучку, сформированному кристаллом 5г2. Провал справа представляет тень от кристалла Sis, обусловленную захватом части пучка в режим каналирования. Как можно установить из сотношения площадей, в режим каналирования захвачено ~ 30% частиц. Слева на графике виден вклад отклоненных кристаллом Sis частиц, накладывающийся на широкий профиль расходящегося пучка от кристалла Si2. Доля отклоненного пучка, согласно графику, составила 14% от числа падающих частиц. Эта величина хорошо согласуется с измерениями сцинтилляционными счетчиками. Убывание числа отклоненных частиц в 2,2 раза в сравнении с захваченными в режим каналирования объясняется процессами деканалирования.

Полученная эффективность отклонения фокусирующим кристаллом пучка частиц с большой угловой расходимостью оказалась достаточно высокой, несмотря на то, что в принятой схеме эксперимента на ее величину влияют не только дефекты исследуемого фокусирующего кристалла Si3, но также и кристалла Si2, формирующего источник. Дальнейшее повышение эффективности отклонения 77 требует специальных исследований и совершенствования технологии изготовления фокусирующих кристаллов.

Отметим, что использованная в эксперименте система из двух фокусирующих кристаллов, отклоняющих пучок в одну и ту же сторону, может представлять самостоятельный интерес, например для транспортировки выведенного из ускорителя пучка протонов.

Фокусировка пучка кристаллами существенно расширяет область их применения. Появляется возможность управления пучками с большой угловой расходимостью, что создает основу для систем формирования вторичных частиц нового типа.

4. Внедрение систем кристаллооптики на ускорителе ИФВЭ

4.1. Применение изогнутых монокристаллов в каналах транспортировки частиц

Комплексы магнитооптических каналов, формирующие пучки различных частиц, являются неотъемлемой частью ускорителя ИФВЭ. Разработка и создание систем каналов частиц с использованием внешних мишеней 70-ГэВ ускорителя ИФВЭ осуществлялись последовательно в течение ряда лет на базе быстрого и медленного выводов протонов. Серьезная модернизация канала № 8 [3] и строительство новых каналов №№ 21, 22, 23 [4,5] были проведены в 80-х годах (при активном участии автора диссертации) в связи с вводом в строй ускорителя-бустера и увеличением интенсивности ускоренного пучка свыше 1013 протонов в цикле.

Рис. 21. Расположение каналов частиц в экспериментальных залах. Выносными линиями обозначены места установки кристаллов.

Современное расположение каналов частиц, занимающих три больших экспериментальных зала, представлено на рис. 21 (учтены некоторые перспективные планы (канал № 24)). В центре залов расположен канал № 8 для исследования нейтрино с широким спектром, в южной части залов (низ рисунка) — канал транспортировки частиц для меченых нейтрино № 23. Универсальные адронные каналы № 21 на установку СФИНКС и № 22 на установки ФОДС, СВД находятся в северной части залов (верх рисунка).

По своей структуре каналы представляют собой сложные установки протяжённостью несколько сотен метров. В них использовано около сотни единиц магнитооптического оборудования (двухметровые квадрупольные линзы и трёх-, шестиметровые дипольные магниты) и десятки дистанционно-управляемых коллиматоров. Каналы оснащены унифицированными системами диагностики пучка [6] и управления элементами [5]. Основу системы диагностики пучка составляют многоканальные профилометры (около 30 единиц), содержащие по 16 регистрационных каналов в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Применяются два типа детекторов: ионизационные камеры для мониторирования пучков интенсивностью до 101о/цикл, и камеры вторичной эмиссии для пучков 101О-1013/цикл. В зависимости от размеров пучка и требуемого разрешения детекторы изготовлены с шагом от 0,5 мм (в местах изображений ), до 10 мм — в местах больших размеров пучка. Электроника предварительной обработки сигналов размещена по трассе каналов в непосредственной близости от детекторов, а интеллектуальная электроника с программным обеспечением находится в пультовых управления каналами.

По данным, поступающим с каждого профилометра, в "линию" вычисляется и выводится на визуальные мониторы информация о средних размерах и положении центра тяжести пучка. Необходимый набор детекторов на каждом канале позволяет измерять эмиттанс пучка, его линейные и угловые огибающие. Сбор, первичная обработка и отображение информации с детекторов пучка осуществляются интеллектуальными контроллерами АКК-83. Управление технологическим оборудованием каналов реализовано на микроЭВМ "Электроника-60". Кроме того, эта микромашина взаимодействует с ЭВМ управления источниками питания магнитооптических элементов, обеспечивая автоматическое управление токами. Контроль и управление подсистемами, реализованными в микроЭВМ нижнего уровня, а также вычисления, связанные с определением характеристик пучка и коррекцией режимов магнитооптических элементов, осуществляет ЭВМ РС. Она же обеспечивает запись и хранение данных для о:Г-Нпе обработки.

Богатые спектрометрические возможности созданных электромагнитных каналов транспортировки частиц и штатная регистрирующая аппаратура, которая может работать с интенсивными пучками частиц, позволили использовать их в качестве основы экспериментальной установки для проведения описанных опытов по исследованию каналирования в кристаллах.

В то же время широкое применение кристаллических элементов в каналах частиц позволило снять многие проблемы, связанные с режимами их работы. На рис. 21 выносными линиями обозначены места установки кристаллических элементов. Нумерация линий соответствует хронологической последовательности их внедрения. Основное назначение установленных кристаллов отражено в табл. 3.

Таблица 3. Назначение установленных в каналах транспортировки частиц кристаллов.

Номер Год Назначение Описание кристалла внедрения

Формирование узконаправленного

1 1987 пучка протонов на установку СФИНКС интенсивностью до 107 за цикл Деление пучка между [7]

2 1988 направлениями № 23 и № 21, 12з = Ю13, 121 = Ю7 частиц за цикл Деление пучка между [10]

3 1990 направлениями № 8 и № 21, 1а = 10", 121 = Ю10 частиц за цикл Деление пучка между [18]

4 1990 направлениями № 8 и № 22, 1а = 1013,122 = 108 частиц за цикл Создание канала частиц нового [13]

5 1994 типа без электромагнитов, интенсивность пучка до 106 за цикл Организация тестого пучка низкой [22]

6 1995 интенсивности путем "кратного каналирования" ,7=1 — 104 частиц за цикл [23]

Первые применения кристаллического элемента были связаны с созданием уз-онаправленного пучка варьируемой интенсивности на установку СФИНКС [7,8,9]. ри этом кристалл использовался как аттенюатор пучка; неотклонённый основной учок гасился в поглотителе. Впоследствии совершенствование технологии изгиба ристаллов позволило минимизировать потери частиц и решить более актуальную адачу деления пучка кристаллическим сплиттером. еление пучка

Обычно деление пучка для организации одновременной работы физических уста-овок осуществлялось электростатическим или магнитным сплиттерами. Это до-таточно сложный в техническом отношении путь, требующий для реализации хемы деления значительного пространства, так как углы отклонения пучка обыч-ым сплиттером весьма ограничены. Применение кристаллов позволяет просто ешить задачу деления выведенного пучка, где обычными средствами это сделать евозможно.

Первая кристаллическая станция деления пучка [10] начала функционировать с конца 1988 года. Схема деления пучка представлена на рис. 22. При первых испытаниях медленно выведенный из ускорителя пучок протонов интенсивностью 5 X 1011/цикл транспортировался на мишень экспериментальной установки по изучению процессов в пучке меченых нейтрино. С помощью изогнутого на угол 60 мрад монокристалла кремния часть пучка умеренной интенсивности отклонялась в магнитооптический канал на мишень установки, предназначенной для адронных исследований. Для совмещения трассы каналированного пучка с осью существующего магнитооптического канала кристаллический дефлектор располагался внутри шестиметрового поворотного магнита М4.

Наведение пучка на кристалл контролировалось по мониторам вторичных частиц, а также телевизионной системой наблюдения. Первичный протонный пучок контролировался многоканальными профилометрами вторичной эмиссии Б1, Б4. Для регистрации параметров пучка отклоненных частиц использовались пропорциональные камеры Б2, БЗ, работающие в режиме интегрирования заряда, и сцин-тилляционные счетчики 81, 82, включенные на совпадения. Сочетание аналоговых и счетных методов регистрации частиц позволяло определять интенсивность пучка в большом динамическом диапазоне 1 — 108 частиц/цикл.

В качестве дефлекторов испытывалось несколько экземпляров кристаллов: два кремниевых, вырезанных вдоль кристаллографической плоскости (111), и один германиевый, вырезанный вдоль плоскости (НО). Размеры кристаллов были следую-ще: 5г - 1 : 0,5 X 15 х 60 мм3, Бг - 2 : 0, 55 х 15 х 60 мм3, ве : 0,6 X 15 X 45 мм3, овольно протяженная длина кристаллов определяется значительной величиной ребуемого угла поворота (существует оптимальный радиус изгиба и длина: если ристалл слишком короткий — частицы деканалируют из-за центробежного эффекта, слишком длинный — происходит сильное рассеяние на электронах и ядрах, .е. доминирует обычное деканалирование).

Для изгиба кристаллов была применена конструкция, показанная на рис. 8. В езультате первых испытаний было выяснено, что с помощью кристалла можно существить деление пучка протонов в рабочем режиме магнитооптических кана-ов: /2з = 1013/цикл, /21 = 107/цикл, размещая кристалл в области гало пучка, тобы потери частиц не превышали допустимую величину ~ 101О/цикл (0,1%/2з).

Опыт последующих лет работы доказал высокую надежность кристаллической танции деления пучка. Кремниевый кристалл 81-1 отработал без замены 10 лет: ыдержав поток частиц свыше 1018/см2, он сохранил отклоняющие свойства без начительных ухудшений. Впоследствии в каналах было установлено еще несколько ристаллов [13,14,18], назначение которых отражено табл.3. Коэффициент одновре-енности работы физических установок вырос в среднем на 30%.

В этих условиях пучок отклонялся кристаллами на значительно меньший угол, и ~ 10 мрад, что позволило увеличить интенсивность формируемых кристал-ами пучков до 108 - Ю10 частиц в цикле. Важно отметить, что возникающий ри небольших углах изгиба кристалла фон упругорассеянных протонов, по дан-ым измерений интенсиметров установленных в каналах частиц, не превышал % от интенсивности каналированного пучка. Измерения фонового пучка прово-ились обычно путем разориентации кристалла, и кроме рассеяния на кристалле, читывали вклад вторичных частиц, образующихся от взаимодействия первичных ротонов с апертурами магнитов, остаточным газом и разделительными фольга-и вакуумной системы. Это доказывает преимущества (по параметру величины нтенсивности) применения кристаллов над методом формирования пучка за счет ифракционного рассеяния в мишени. Позднее это было подтверждено и при выводе учка кристаллом из ускорителя (раздел 4.2).

Основные результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Предложен и реализован эксперимент по исследованию эффективности торцевого и объемного захватов частиц в режим каналирования. Объемный захва впервые исследован столь детально, определена зависимость его эффективност от радиуса изгиба кристалла. Получено экспериментальное подтверждение суще ствования особого вида объемного захвата, обусловленного градиентом кривизн: кристалла.

2. Исследована динамика каналирования частиц в прямом кристалле. Определе-влияние процессов реканалирования в зависимости от начальной расходимости ающего пучка. Показано, что в широких пучках наступает состояние динами-кого равновесия, когда количество каналированных частиц не убывает с ростом ны кристалла.

3. Оригинальным методом, в одних экспериментальных условиях измерена дли-деканалирования 70 ГэВ протонов в изогнутых кристаллах кремния ориентации 1) и (НО). Этот единственный опыт, в котором наиболее прецизионное измене осуществлялось для двух плоскостных каналов, позволил сделать важные ретические обобщения.

4. Изучено влияние дефектов реальных кристаллов на характеристики процесса лонения частиц высоких энергий (данные в настоящее время единственны): ис-довано деканалирование на дислокациях кристаллической решетки; проверены алирующие свойства кремния различной электропроводности; обнаружены тонэффекты влияния поверхностных дефектов на характеристики каналирования риповерхностных слоях (толщиной до ~50 мкм), учет которых принципиалъ-важен для оптимизации кристаллических септумов, используемых при выводе ка из ускорителей.

5. Исследована тепловая и радиационная стойкость кристаллов. Показано, что сталлы способны длительное время сохранять отклоняющие свойства в интен-ных пучках 1013/цикл при прохождении потока частиц 1019/см2, нагреваясь до пературы в сотни градусов. При этом для решения технических проблем было дложено и испытано несколько способов изгиба и крепления кристаллов.

6. В коллаборации с сотрудниками ПИЯФ проведены уникальные опыты, по усировке пучков кристаллами, имеющими специальную форму торца: пучок тонов с энергией 70 ГэВ размером 2 мм фокусировался На расстоянии до 0,5 м зкую линию шириной до 40 мкм. При обращенном направлении движения частиц ристалле (фокусировка из точки в параллель) было продемонстрировано эффек-ное (15%) отклонение расходящегося пучка (с угловой расходимостью много ыпе, около 50 раз, угла Линдхарда) фокусирующим кристаллом. Таким обра, открываются перспективы формирования кристаллами не только протонных, и пучков вторичных частиц на ускорителях. Появляются также заманчивы® * можности использования кристаллов в экспериментах с короткоживущими ча-^ цами высоких энергий.

7. Экспериментально показана возможность применения изогнутых кристаллов очетании с магнитной оптикой для измерения основных параметров (эмиттанс, фили, гало, разброс по импульсам) интенсивных пучков, где использование тных методов регистрации частиц невозможно. В измерении гало на уровне 7 и Ар/р < 10~4 продемонстрированы уникальные возможности этого метода.

8. Осуществлено практическое применение кристаллов в каналах частиц для по-сения эффективности использования ускорителя У-70: кристаллические станции ения пучка в течение ряда лет обеспечивают одновременную работу нескольких ических установок. Создан канал транспортировки протонов нового типа без потребления электроэнергии, организованный с помощью изогнутого на гигантский угол 150 мрад кристалла, с интенсивностью пучка 106 частиц за цикл. Следует отметить, что создание подобных систем не требует больших капитальных затрат (стоимость одного кристалла ~100$, стоимость нескольких заменяющих его магнитов млн. $).

9. Сформулированы требования на кристаллический септум для проведения эксперимента по высокоэффективному выводу из У-70. Подготовлены кристаллические устройства, удовлетворяющие этим требованиям, и проведены экспериментальные исследования многооборотного медленного вывода пучка из У70 с помощью кристалла. Благодаря применению короткого кристаллического септума длиной до 5 мм достигнуты высокая кратность прохождения частиц через кристалл и рекордная эффективность вывода 47%. Интенсивность выведенного пучка 6 • 1011 протонов в цикле на 5 порядков величины превысила известные мировые данные, полученные при выводе кристаллами.

Заключение

1. Biryukov V.M., Chesnokov Yu.A. and Kotov V.l. Crystal Channeling and its Application at High Energy Accelerators. (Berlin: Springer, 1997, 219pp.)

2. Бирюков B.M., Котов В.И. и Чесноков Ю.А. Управление пучками заряженных частиц высоких энергий при помощи изогнутых монокристаллов. // УФН. 1994, т. 164, № 10, с.1017.

3. Афонин А.Г., Галяев H.A., Гресь В.Н., Давыденко Ю.П., Дианов В.И., Дышкант A.C., Запольский В.Н., Котов В.И., Крючков В.П., Лапицкий С.Н., Лебедев В.Н., Максимов A.B., Минченко A.B., Мойбенко А.Н., Селезнев B.C.,

4. Суляев P.M., Терехов В.И., Холоденко М.А., Черный С.А., Чесноков Ю.А. Универсальный высокоинтенсивный канал пучков частиц на ускорителе ИФ-ВЭ (канал № 22): Препринт ИФВЭ 90-38, Протвино, 1990.

5. 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.

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. Chesnokov Yu.A., Galyaev N.A., Kotov V.l., Tsaric S.V. and Zapolsky V.N. 70 GeV proton volume capture into channeling mode with a bent Si single crystal. // Nucl.Instr. and Meth. 1992, B69, p.247.

8. Chesnokov Yu.A., Dudenko V.V., Galyaev N.A., Greth V.N., Kim L.A., Kotov V.l., Pudovkin A.K., Terekhov V.l., Tsarik S.V. High energy particle beam diagnostics using bent single crystals. // Nucl. Instr. and Meth. 1992, B63, p.366.

9. Biryukov V.M., Chesnokov Yu.A., Galyaev N.A., Kotov V.l., Tsarik S.V., Zapolsky V.N. Investigation of the rechanneling and dynamic equilibrium effects in crystals. // Nucl.Instr.and Meth. 1993, B73 153.

10. Рукопись поступила 16 ноября 1998 г.