Исследование отражения протонов с энергией 400 ГЭВ изогнутым монокристаллом кремния с помощью плоскопараллельного позиционно чувствительного детектора тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

КОСЬЯНЕНКО Сергей Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ ОТРАЖЕНИЯ ПРОТОНОВ С ЭНЕРГИЕЙ 400 ГЭВ ИЗОГНУТЫМ МОНОКРИСТАЛЛОМ КРЕМНИЯ С ПОМОЩЬЮ ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНОГО ПОЗИЦИОННО ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ДЕТЕКТОРА

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Гатчина 2010

> 1 АПР 2910

004600168

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН.

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук, профессор Нестеров Михаил Мефодьевич,

кандидат физ.-мат. наук, доцент Сомов Сергей Всеволодович.

Ведущая организация:

Физический факультет Санкт-Петербургского государственного университета.

Защита состоится « » апреля 2010 г. в «Ц » часов на заседании диссертационного совета Д 002.034.01 при Учреждении Российской академии наук Институте аналитического приборостроения РАН (ИАП РАН) по адресу: 190103, Санкт-Петербург, Рижский пр., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИАП РАН.

Автореферат разослан «» марта 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.П. Щербаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Эффект объёмного отражения был теоретически предсказан в компьютерном моделировании прохождения протонов через кристаллическую решетку. Первое наблюдение эффекта выполнено с помощью фотоэмульсии, в которой был зарегистрирован протонный пучок, прошедший кристалл. Однако в такой постановке не было данных о падающем на кристалл пучке, да п сам снимок прошедшего фотоэмульсию пучка исключал не только детальное количественное изучение эффекта в силу свойств фотоэмульсии (нелинейность отклика, трудности оценки интенсивностей зарегистрированных пучков...), но и усложнял качественный анализ из-за трудности в интерпретации снимка. На повестке дня стояла задача качественного наблюдения явления объёмного отражения, с использованием современного электронного детектирующего оборудования, и его количественного исследования.

Эффект объёмного отражения, как новая мода взаимодействия частиц с кристаллической структурой, кроме научной значимости имеет и практическое значение, связанное с появлением новых возможностей управления пучками частиц. В перспективе это имеет особое значение, например, при создании ЬНС ввиду огромных затрат при его разработке и экстремальности его параметров.

Цели настоящей работы

1. Обнаружить явление объёмного отражения протонов с энергией 400 ГэВ изогнутыми монокристаллами кремния. Оценить эффективность и угол объёмного отражения.

2. Зарегистрировать объёмное отражение протонов с энергией 400 ГэВ, прошедших сборку из изогнутых монокристаллов кремния. Оценить эффективность и угол такого процесса.

3. Разработать и апробировать позиционно чувствительный детектор (ПЧД) для исследования явления объёмного отражения протонов.

4. Разработать систему сбора, передачи, обработки и представления экспериментальных данных, поступающих с ПЧД.

Научная новизна работы состоит в первом наблюдении эффекта отражения ультрарелятивистских протонов и получении количественных характеристик этого явления, а также в разработке, создании и исследовании плоскопараллельного позиционно чувствительного детектора (3-ПЧД), обладающего пространственным разрешением на уровне десятков микрон.

Практическая значимость работы состоит в том, что явление объёмного отражения протонов монокристаллом позволит в будущем создавать более эффективные и дешевые системы формирования и вывода

протонных пучков.

Разработанный и созданный детектор может быть с успехом применен не только в физике высоких энергий, но и в прикладных областях, таких как медицина, биология, дефектоскопия и др.

Апробация работы

Основные результаты исследования докладывались и обсуждались на конференции «Channeling 2006, Frascati, Italy, июнь 2006 г.», на сессии ОФН РАН «Секция ядерной физики ОФН РАН, ноябрь 2007», а также на семинарах ПИЯФ им. Б. П. Константинова.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы. Общий объём диссертации 102 страницы, 60 рисунков и 26 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлены краткие исторические сведения, мотивация, актуальность, цель работы и вклад автора.

Первая глава посвящена обзору процессов каналирования и объёмного отражения протонов. В конце главы сформированы пункты, которые необходимо исполнить для успешного выполнения работы.

Вторая глава посвящена эксперименту по исследованию отражения протонов монокристаллом кремния. В первом параграфе этой главы описана экспериментальная установка и приведены характеристики изогнутых кристаллов кремния QM1 и QM2, с помощью которых изучалось исследуемое явление.

Кристалл QM1.

1. Толщина 930 мкм.

2. Изгиб плоскости каналирования (111) (наведённая квазимозаика), измеренный с помощью рентгеновских лучей, равен 75 мкрад.

3. Радиус изгиба плоскости (111)

930.МКЛ» равен R =-= 12,4л/.

15 мкрад

4. Критический угол каналирования равен 8,4 мкрад.

5. Расчётная толщина области отражения равна 100 мкм.

6. Угол МКР 2,8 мкрад.

7. Ожидаемое расстояние между прямым (неориентированное положение кристалла) и каналированным пучком на базе

71,4 м равно 75 х 10"6 рад х 71,4 л;« 5,4 х 10"3 = 5,4 мм.

8. Ожидаемое расстояние между прямым пучком и отражённым

равно 2 х 8,4 х 1045 радх 71,4м ~ 1,2 х 10"3 м = 1, 2мм.

Кристалл QM2.

1. Толщина 840 мкм.

2. Изгиб плоскости каналирования (111) (наведённая квазимозаика), измеренный с помощью рентгеновских лучей, равен 72 мкрад.

840,wcw

3. Радиус изгиба плоскости (111) равен R =-= 11,67л?.

72 мкрад

4. Критический угол каналирования равен 8,4 мкрад.

5. Расчётная толщина области отражения равна 98 мкм.

6. Угол МКР 2,6 мкрад.

7. Ожидаемое расстояние между прямым (неориентированное положение кристалла) и каналированным пучком на базе 71,4 м равно 72х1СГ6£>ас)х71,4л*«5,1х1СГ3м = 5,\мм .

8. Ожидаемое расстояние между прямым пучком и отражённым равно 2x8,4x10"6 /идх71,4.м« 1,2х1(Г3 м = \,2мм.

На рис. 1 приведена схема экспериментальной установки.

iJiitsT

Рис. 1. Расположение экспериментального оборудования на пучке протонов канала Н8 ускорителя SPS CERN

в - Гониометр для поворота исследуемых кристаллов, 800...5 -кремневые стриповые детекторы, 81...6-сцинтилляционные счётчики, Н -сцинтилляционный годоскоп.

Все результаты, представленные в данной работе, получены посредством плоскопараллельного позиционно чувствительного детектора (3-ПЧД) (вС). Для поворота кристалла использовался гониометр (в) с угловым разрешением порядка 1 мкрад. Магниты М1 и М2 являлись частью протонного канала и не выполняли в эксперименте особых функций.

Во втором параграфе первой главы описана система измерения и съёма информации на базе плоскопараллельного позиционно чувствительного детектора (см. рис. 2).

Рис. 2. Система измерения, сбора и обработки информации на базе 3-Г1ЧД

Сигналы от протонов, зарегистрированных в 3-ПЧД, записываются в компьютер через плату сбора данных (DAQ).

Данные, записанные и хранящиеся в «системе сбора и хранения данных», по требованию или в автономном режиме передаются в «систему обработки данных», где происходит анализ полученной информации с помощью специализированного программного обеспечения. Передача информации между «системой сбора и хранения данных» и «системой обработки данных» осуществляется по протоколу TCP. Время между записью и обработкой данных не превышает нескольких секунд, что позволяет в режиме реального времени следить за ходом эксперимента. Схематический вид детектора, в двух проекциях, изображён на рис. 2 в правом нижнем углу.

Пространственное разрешение 3-ПЧД вдоль горизонтальной координаты задаётся на стадии разработки. В данной экспериментальной установке оно составляет 200 мкм. Вертикальное разрешение задаётся «механизмом перемещения», и в нашем случае оно составляет 200 мкм.

В третьем параграфе приведены результаты эксперимента по исследованию объёмного отражения протонов с энергией 400 ГэВ.

На рис. 3 приведено распределение интенсивности протонов, прошедших кристалл QM1. Ось X отвечает за распределение пучка в 3-ПЧД, ось Y - за угловую ориентацию кристалла относительно падающего на него пучка. Кристалл поворачивался гониометром G (см. рис.1).

При нулевой ориентации кристалла (0 мкрад, ось У) центр пучка находится на позиции ~ 9,2 мм по оси X (неориентированный кристалл). При увеличении угла поворота гониометра часть протонов переходит в режим каналирования, чему соответствует распределение интенсивности с центром в точке ~ 3,6 мм и угловым положением кристалла 69,84 мкрад (каналирование). При дальнейшем увеличении угла гониометра появляется отражённая компонента, и при угле 130,95 мкрад центр тяжести пучка смещается на позицию ~ 9,8 мм (объёмное отражение), где происходит почти полный переход прямого пучка в отражённый.

209.52«

. .1 шишии шиит .НИ'мни .

5« 11Ш1ИШН .«»!■. 11111.1111) ' НШШШШ !■

¡(»■гшшнит!«!.'

VI .||Ш!Ш11:

НИГ111»; |ШШ!Ш 11111ИШ ,! . .КШН11' ■Ч! 11111111111 !Г

<Ш1ШШ

■ 5 :ИИ»>ИН1 .!■ Л 8Н1ШШМ

:!- мшит ■.!

.¡г 1Ш 111 Н> г< <1 <ми1|!!»1 а

-.ц-. ншниш«

6.4

X рОЗ!Т!Са !Ш

Рис. 3. Распределение интенсивности протонного пучка с импульсом 400 ГэВ/с, прошедшего через кристалл рМ1. Ось X соответствует позиции пучка в 3-ПЧД, ось У соответствует угловому положению гониометра

Из данных, представленных на рис. 3, выбирались те угловые положения кристалла, при которых эффекты каналирования и отражения максимальны. Для оценки вероятности этих процессов отобранные профили аппроксимировались функциями Гаусса (1) (максимум трёх):

о

у- номер канала в гистограмме, зитк- накопленная статистика под

функцией тк- математическое ожидание, сгк- стандартное

отклонение, ¿-равномерный фон.

Результаты вычислений для кристалла ОМ 1 суммированы в таблице 1.

Эффективность каналирования 46%

Угол каналирования 77 мкрад

Эффективность отражения 98.1 ±0,61%

Угол отражения 11,9 ±0,52 мкрад

Эффективность объёмного захвата 2 ± 0,4 %

На рис. 4 приведено распределение интенсивности протонов, прошедших кристалл QM2. Изгиб внутренних плоскостей (111) кристалла QM2 имеет противоположную ориентацию в сравнении с кристаллом QM1.

О i.i ь .4 9,6 12.8

X position. }Щ-(

Рис. 4. Распределение интенсивности протонного пучка с импульсом 400 ГэВ/с, прошедшего через кристалл QM2. Ось X соответствует позиции пучка в 3-ПЧД, ось Y соответствует угловому положению гониометра

Двухмерные профили для трёх основных положений кристалла приведены на рис. 5.

Кристалл QM2

Рис. 5. Двухмерные профили протонного пучка для трёх основных положений кристалла QM2

На рис 6 приведена зависимость стандартного отклонения и математического ожидания (центра тяжести) профиля пучка от углового положений кристалла. На нём можно выделить следующие области.

Рис. 6. Зависимость стандартного отклонения и математического ожидания профиля протонного пучка в зависимости от углового положения кристалла С>М2.

• Первая область, по два измерения на концах (0-3,5; 129,5133) мкрад, где пучок можно считать неизменённым.

• Вторая область, интервал (7-35) мкрад, где параметры х. и О меняются медленно.

• Третья область (38,5-77) мкрад, где параметры пучка можно считать постоянными.

• Четвертая область, (80,5-126) мкрад, быстрого изменения параметров х и В .

Наличие первой области связано с тем, что согласно критерию Смирнова выборки 0; 3,5; 129,5; 133 мкрад, на уровне значимости 5 %, неразличимы. Третья область, на уровне значимости 5 %, тоже неразличима. Пользуясь критерием Смирнова, проверили однородность выборок первой и третьей областей и установили, что на уровне значимости 1 % они неразличимы. Таким образом, пользуясь безмодельным подходом, можно заключить, что вероятность отражения близка к 100 %. Классический анализ профилей с аппроксимацией их суммой функций Гаусса даёт меньший результат, что связано с неидеальным соответствием реальных распределений распределению Гаусса.

Результаты вычислении для кристалла С?М2 суммированы в таблице 2.

Таблица 2

Пограничный интервал отражения 35-7=28 мкрад

Угловой интервал отражения 105-21=84 мкрад

Угловой интервал эффективного отражения 77-38,5=38,5 мкрад

Угловой интервал каналирования 122-92=30 мкрад

Эффективность каналирования (Гаусс) 52%

Угол каналирования 70 мкрад

Эффективность отражения (Гаусс) 97.9 ± 0,67 %

Угол отражения 12 ± 0,58 мкрад

Эффективность объёмного захвата 2 ± 0.4 %

На рис. 7 приведено распределение интенсивности протонного пучка, прошедшего два кристалла (¡)М1+С>М2, ориентированных по углу относительно друг друга неоптимальным образом. На нём явно присутствуют ориентационные эффекты от двух кристаллов, два каналирования и два отражения.

л.\.:: ' >" рО^'МЖ*::.! . '"'Г.1".:

Рис. 7. Распределение интенсивности прогонного пучка с импульсом 400 ГэВ/с, прошедшего через сборку кристаллов (}М1+ОМ2, ориентированных неоптимальным образом. Ось X соответствует позиции пучка в 3-ПЧД, ось У соответствует угловому

На рис. 8 приведено распределение интенсивности протонного пучка, прошедшего два кристалла ()М1+ОМ2, оптимально ориентированных по углу для объёмного отражения как относительно друг друга, так и относительно пучка. Согласно такой геометрии угол, на который отразится пучок, прошедший два кристалла, должен совпадать с суммой углов объёмного отражения в отдельных кристаллах.

После аппроксимации данных в соответствии с выражением (1) получены результаты, приведённые в таблице 3.

Таблица 3

Угловой интервал отражения ~100 мкрад

Эффективность отражения 96,6 ± 0,71 %

Угол отражения 23,4 ±0,25 мкрад

Эффективность объёмного захвата 4 ± 0,5 %

Угол отражения протонов в двух кристаллах соответствует сумме углов отражений в каждом кристалле.

Так как результаты, представленные в диссертации, получены с помощью 3-ПЧД, а он является «новым» детектором, то вторая и третья главы посвящены описанию его принципа работы и характеристикам.

В третьей главе описывается принцип действия плоскопараллельной камеры (ППК), опыт работы с которой был накоплен в результате подготовки эксперимента «Фамилон». На основе ППК был разработан и создан 3-ПЧД с высоким пространственным разрешением, описание которого приведено в третьей главе.

х position, mm

Рис. 8. Распределение интенсивности протонного пучка с импульсом 400 ГэВ/с, прошедшего через сборку кристаллов QM1+QM2. ориентированных оптимальным образом. Ось X соответствует позиции пучка в 3-ПЧД, ось Y соответствует угловому положению гониометра

Принцип действия ППК демонстрируется на рисунке 9.

выражением

п = п0еа\ (2)

где щ - количество первоначальных электронов на данном расстоянии х от анода и а - первый коэффициент Таунсенда.

В табл. 4 приведены эффективности регистрации релятивистских электронов, позитронов и поверхностных мюонов с импульсом 27 МэВ/с плоскопараллельной камерой.

Таблица 4

Частица Газовый Количество Эффективность Газ Агх С02, х X, %

зазор, см зазоров регистрации, %

позитрон 0,1 1 66 0

электрон 0,1 1 66 0

позитрон 0,1 2 82 0

электрон 0,1 2 82 0

мюон 0,1 1 99 0

мюон 0,04 1 88,4 30

мюон 0,02 1 72,7 30

мюон 0,02 1 33 0

Временное разрешение ППК с газовым промежутком 1 мм меньше

1 не.

Четвёртая глава посвящена плоскопараллельному позиционно чувствительному детектору, с помощью которого получены все результаты

по объёмному отражению протонов монокристаллом кремния, представленные в диссертации. Сам детектор использовался в физике высоких энергий впервые.

Плоскопараллельная камера, анод которой разделён на стрипы, становится плоскопараллельным позиционно чувствительным детектором (3-ПЧД). Катод детектора сделан из цельного кремния, стрипы (аноды) сделаны из никеля, напыленного на ситалловую подложку с микронной точностью. На рис. 10 приведена схема 3-ПЧД и принцип его работы.

В эксперименте 3-ПЧД устанавливался так, чтобы протоны в него влетали параллельно анодам (стрипам). В этом случае детектор регистрировал тонкий срез пучка, что позволяло иметь пространственное разрешение в двух плоскостях и после вертикального механического сканирования восстановить двухмерный профиль.

Та область, из которой лавина, начавшись, сможет достигнуть заряда, превышающего порог срабатывания усилителя, пусть даже с малой вероятностью, составляет примерно 300 мкм, начиная от катода для 3-ПЧД с зазором 600 мкм. Таким образом, формируется элементарная регистрирующая ячейка шириной, равной ширине стрипа, и высотой около 300 мкм. Сигналы, полученные со всех таких ячеек, характеризуют распределение интенсивности пучка в узком по толщине слое.

На протонах ускорителя ПИЯФ проверялась стабильность отображения профиля пучка в зависимости от высокого напряжения, приложенного к детектору, интенсивности протонного пучка, а также однородность профиля в разных интервалах апертуры 3-ПЧД.

На рис. 11 представлен результат наблюдения явления отражения протонов изогнутыми атомными плоскостями (111) монокристалла

кремния на пучке протонов с энергией 1 ГэВ (Гатчина). Данный результат был получен в процессе апробации детектора на пучке протонов.

Рис. II. Распределение интенсивности протонного пучка в 3-ПЧД в зависимости от угла поворота кристалла. Дискретность канала камеры (ось X) равна 0,2 мм. Дискретность поворота кристалла (ось Y) 62,5 мкрад. Расстояние от кристалла до камеры 5 м

В пятой главе описываются области возможного применения 3-ПЧД. Для иллюстрации работы 3-ПЧД с гамма-квантами до 20 кэВ сделано сканирование храпового механизма. При сканировании использовался 3-ПЧД с шагом стрипов 200 мкм, шаг вертикального сканирования составлял 200 мкм.

В этой главе также показано применение 3-ПЧД для мониторинга протонного пучка ускорителя ПИЯФ.

В заключении представлены результаты по обнаружению и исследованию объёмного отражения протонов изогнутыми монокристаллами кремния при помощи плоскопараллельного позиционно чувствительного детектора (3-ПЧД).

1. В эксперименте по обнаружению и исследованию отражения ультрарелятивистских протонов с энергией 400 ГэВ на ускорителе SPS CERN изогнутыми атомными плоскостями монокристалла кремния с помощью измерительной системы на базе 3-ПЧД получены следующие результаты:

• измеренная эффективность отражения протонов с энергией 400 ГэВ одиночным изогнутым кристаллом составляет (98,0 ± 0,6) %;

• угол отражения равен 12 мкрад.

2. В CERN с помощью измерительной системы на базе 3-ПЧД измерено объёмное отражение протонов с энергией 400 ГэВ сборкой из двух монокристаллов кремния и получены следующие результаты:

• эффективность отражения сборкой из двух изогнутых кристаллов составляет (96,6 ± 0,7) %;

• суммарный угол отражения 23 мкрад.

3. Разработаны и исследованы 3-ПЧД с пространственным разрешением (шагом стрипов) 500 мкм, 200 мкм, 100 мкм и 50 мкм. Решены конструктивные и технологические проблемы детектора, оптимизирована электроника параллельной передачи данных.

Показано, что измерительная система на базе 3-ПЧД может работать при загрузках до -1 (? частиц}см1 с без внешнего триггера в счётном режиме. Детектор позволяет измерять профили пучков заряженных частиц и мягкого рентгеновского излучения с высоким пространственным разрешением.

В процессе апробации 3-ПЧД обнаружено объёмное отражение протонов с энергией 1 ГэВ изогнутым монокристаллом кремния на ускорителе ПИЯФ РАН.

4. Создана система сбора, передачи, обработки и представления экспериментальных данных, поступающих с 3-ПЧД.

Явление объёмного отражения может быть использовано для управления пучками протонов высоких энергий, так как эффективность этого процесса близка к (00%, например, для отклонения пучков или для чистки гало ускорителя ЬНС. Для увеличения угла отражения протонов следует использовать сборку из нескольких изогнутых кристаллов, ориентированных оптимальным образом как относительно пучка, так и относительно друг друга.

Разработанный и созданный в ПИЯФ 3-ПЧД обладает высокой загрузочной способностью и хорошим пространственным разрешением, что в сочетании с простотой конструкции позволяют использовать его для решения различных задач в области физики высоких энергий, медицине и дефектоскопии.

Список публикации автора по теме диссертации.

1. В. Г. Ивочкин, С. И. Воробьёв, С. В. Косьяненко. Создание активной мишени для «поверхностных» мюонов на основе плоскопараллельной камеры. Препринт ПИЯФ-2507, Гатчина, 2003, 13 с.

2. С. И. Воробьев, В. А. Гордеев, А. А. Жданов, Ю. В. Ёлкин, В. Г. Ивочкин, Е. Н. Комаров, С. В. Косьяненко, 10. А. Щеглов, Г. В. Щербаков. Плоскопараллельная камера как детектор остановок мюонов для активной мишени проекта ФАМИЛОН. ПТЭ, 2005, N5, с.29-35.

3. Ю. М. Иванов, Н. Ф. Бондарь, Ю. А. Гавриков, А. С. Денисов, А. В. Желамков, В. Г. Ивочкин, С. В. Косьяненко, Л. П. Лапина, А. А.

Петрунин, В. В. Скоробогатов, В. М. Суворов, А. И. Щетковский, А. М. Таратин, В. Скандале. Объемное отражение протонов с энергией 1ГэВ изогнутым кристаллом кремния. Письма в ЖЭТФ, 2006, т.84, с.445-450.

4. Walter Scandalc, Dean A. Still, Alberto Camera, Gianantonio Delia Mea, Davide De Salvador, Riccardo Milan, Alberto Vomiero, Stefano Baricordi, Pietro Dalpiaz, Massimiliano Fiorini, Vincenzo Guidi, Giuliano Martinelli, Andrea Mazzolari, Emiliano Milan, Giovanni Ambrosi, Philipp Azzarello, Roberto Battiston, Bruna Bertucci, William J. Burger, Maria Iónica, Paolo Zuccon, Gianluca Cavoto, Roberta Santacesaria, Paolo Valente, Erik Vallazza, Alexander G. Afonin, Vladimir T. Baranov, Yury A. Chesnokov, Vladilen I. Kotov,Vladimir A. Maisheev, Igor A. Yaznin, Sergey V. Afansiev, Alexander D. Kovalenko, Alexander M. Taratin, Alexander S. Denisov, Yury A. Gavrikov, Yuri M. lvanov, Vladimir G. lvochkin, Sergey V. Kosyanenko, Anatoli A. Petrunin, Vyacheslav V. Skorobogatov, Vsevolod M. Suvorov, Davide Bolognini, Luca Foggetta, Said Hasan, Michela Prest. High-efficiency volume reflection of an ultrarelativistic proton beam with a bent silicon crystal. Phys. Rev. Lett., 2007, v.98, N15, p.l 54801.

5. Walter Scandale, Alberto Camera, Gianantonio Delia Mea, Davide De Salvador, Riccardo Milan, Alberto Vomiero, Stefano Baricordi, Pietro Dalpiaz, Massimiliano Fiorini, Vincenzo Guidi, Giuliano Martinelli, Andrea Mazzolari, Emiliano Milan, Giovanni Ambrosi, Philipp Azzarello, Roberto Battiston, Bruna Bertucci, William J. Burger, Maria Iónica, Paolo Zuccon, Gianluca Cavoto, Roberta Santacesaria, Paolo Valente, Erik Vallazza, Alexander G. Afonin, Vladimir T. Baranov, Yury A. Chesnokov, Vladilen I. Kotov, Vladimir A. Maisheev, Igor A. Yazynin, Sergey V. Afanasiev, Alexander D. Kovalenko, Alexander M. Taratin, Alexander S. Denisov, Yury A. Gavrikov, Yuri M. Ivanov, Vladimir G. lvochkin, Sergey V. Kosyanenko, Lyubov P. Lapina, Anatoli A. Petrunin, Vyacheslav V. Skorobogatov, Vsevolod M. Suvorov, Davide Bolognini, Luca Foggetta, Said Hasan, Michela Prest. Double volume reflection of a proton beam by a sequence of two bent crystals. Phys. Lett. B, 2008, v.660 p.610-611.

Отпечатано в типографии ПИЯФ РАН

188300, Гатчина Ленинградской обл., Орлова роща Зак. 70, тир. 100, уч-изд. л. 1; 26.02.2010 г.

ч

Введение 4.

Глава

Обзор по каналированию и объёмному отражению

§ 1 Каналирование положительно заряженных частиц 6.

§ 2 Объёмный захват и отражение положительно заряженных 17. частиц

Глава

Эксперимент по исследованию отражения протонов с энергией

400 ГэВ монокристаллом кремния

§ 1 Экспериментальная установка 26.

§ 2 Система измерения и съёма информации на базе 32. плоскопараллельного позиционно чувствительного детектора (3-ГТЧД)

§ 3 Результаты эксперимента 34.

Глава

Плоскопараллельная камера (ППК)

§ 1 Описание плоскопараллельной камеры 47.

§ 2 Исследование ППК с разными газовыми промежутками 50.

§ 3 Амплитудные спектры и эффективность регистрации 59. заряженных частиц

Глава

Плоскопараллельный позиционно чувствительный детектор

§ 1 Описание плоскопараллельного позиционно 64. чувствительного детектора

§ 2 Исследование 3-ПЧД с использованием мягких гамма 68. квантов.

§ 3 Статистический анализ профилей протонного пучка 71. полученных с использованием 3-ПЧД

§ 4 Калибровка 3-ПЧД 77.

§ 5 Использование 3-ПЧД для формирования протонного 84. пучка с энергией 1 ГэВ при изучении каналирования и отражения монокристаллом кремния

Глава

Области возможного применения 3-ПЧД 95.

В 2002 году, в совместном эксперименте ПИЯФ-ИФВЭ, исследовался процесс каналирования протонов с энергией 70 ГэВ в изогнутом монокристалле кремния [1]. Изучалась возможность отклонения пучка протонов этим методом. Детектором частиц, прошедших через кристалл, служила фотоэмульсия. В том же эксперименте наблюдалось странное явление: на фотоэмульсии, помимо протонов, отклоненных на ожидаемый угол за счёт процесса каналирования, наблюдались также светлая область и темная с противоположенным углом отклонения. В течение некоторого времени, авторы не придавали этому наблюдению серьёзного значения, относя его к возможным дефектам в кристалле или трудностям метода фотоэмульсии. Однако позднее было высказано предположение, что наблюдаемое странное явление, возможно, является процессом объёмного отражения, предсказанного ещё в 1987 году А. М. Таратиным и С. А. Воробьёвым [2].

Для проверки этого предположения было решено провести специальный эксперимент на синхроциклотроне ПИЯФ при энергии протонов 1 ГэВ. Отличительной особенностью этого эксперимента являлось использование электронического метода регистрации, основным элементом которого был современный позиционно чувствительного детектора с высоким пространственным разрешением, позволяющего провести надёжное детектирование процессов каналирования и объёмного отражения с их количественной оценкой. Эксперимент ПИЯФ был выполнен в 2006 году. В этом эксперименте было показано, что эффективность объёмного отражения протонов с энергией 1 ГэВ составляет 70 % [3].

В этом же году, международным коллективом с участием ПИЯФ был поставлен эксперимент в CERN на ускорителе SPS с энергией протонов 400 ГэВ. Цели эксперимента были наблюдение и количественная оценка процесса объёмного отражения протонов при этой энергии и исследование возможности применения этого явления для устранения гало протонного пучка в создаваемом ускорителе LHC.

Автор диссертации деятельно участвовал в обоих экспериментах, где проектировал и создавал позиционно чувствительную детектирующую систему, в роли которой использовался разработанный в ПИЯФ плоскопараллельный позиционно чувствительный детектор (3-ПЧД) и систему съёма и обработки данных. Детектор оказался адекватным для решения поставленной задачи. Его достоинства — высокое пространственное разрешение, быстродействие, простота конструкции, возможность работы без внешнего триггера, возможность быстрой обработки данных практически в режиме реального времени.

Эксперимент в CERN успешно завершён в сентябре 2006 года. Явление отражения было надёжно зарегистрировано. При этом было показано, что эффективность отражения растёт с ростом энергии протонов, приближаясь к 100% [4, 5]. Полученный результат позволяет надеяться на успешное применение кристаллов для уменьшения гало циркулирующих протонных пучков ускорителя LHC. В настоящее время администрацией CERN принято решение о проведении специального эксперимента (эксперимент UA9) для исследования этих возможностей на циркулирующем протонном пучке ускорителя SPS

В данной диссертации представлено описание разработанного 3-ПЧД, а также результаты анализа экспериментальных данных, полученных с помощью этого детектора при исследовании процесса отражения протонов энергией 400 ГэВ изогнутыми атомными плоскостями монокристалла кремния.

Заключение

В диссертации представлены результаты по обнаружению и исследованию объёмного отражения ультрарелятивистских протонов изогнутыми монокристаллами кремния при помощи плоскопараллельного позиционно чувствительного детектора (3-ПЧД).

1. В эксперименте по обнаружению и исследованию отражения ультрарелятивистских протонов с энергией 400 ГэВ на ускорителе SPS CERN изогнутыми атомными плоскостями монокристалла кремния с помощью измерительной системы на базе 3-ПЧД получены следующие результаты:

• измеренная эффективность отражения протонов с энергией 400 ГэВ одиночным изогнутым кристаллом составляет (98,0±0,6) %;

• угол отражения равен 12 мкрад.

2. В CERN с помощью измерительной системы на базе 3-ПЧД измерено объёмное отражение протонов с энергией 400 ГэВ сборкой из двух монокристаллов кремния и получены следующие результаты:

• эффективность отражения сборкой из двух изогнутых кристаллов составляет (96,6±0,7) %;

• суммарный угол отражения 23 мкрад.

3. Разработаны и исследованы 3-ПЧД с пространственным разрешением (шагом стрипов) 500 мкм, 200 мкм, 100 мкм и 50 мкм. Решены конструктивные и технологические проблемы детектора, оптимизирована электроника параллельной передачи данных.

Показано, что измерительная система на базе 3-ПЧД может работать при загрузках до ~108 частиц/см2 с без внешнего триггера в счётном режиме. Детектор позволяет измерять профили пучков заряженных частиц и мягкого рентгеновского излучения с высоким пространственным разрешением.

В процессе апробации 3-ПЧД обнаружено объёмное отражение протонов с энергией 1 ГэВ изогнутым монокристаллом кремния на ускорителе ПИЯФ РАН.

4. Создана система сбора, передачи, обработки и представления экспериментальных данных, поступающих с 3-ПЧД Результаты по исследованию объёмного отражения протонов, представленные в диссертации, согласуются с теоретическими предсказаниями [2,12].

Явление объёмного отражения может быть использовано для управления пучками протонов высоких энергий, так как эффективность этого процесса близка к 100%. Например, для отклонения пучков или для чистки гало ускорителя LHC. Для увеличения угла отражения протонов следует использовать сборку из нескольких изогнутых кристаллов, ориентированных оптимальным образом как относительно пучка, так и относительно друг друга.

Разработанный и созданный в ПИЯФ 3-ПЧД обладает высокой загрузочной способностью и хорошим пространственным разрешением, что в сочетании с простотой конструкции позволяют использовать его для решения различных задач в области физики высоких энергий, медицине и дефектоскопии.

Автор благодарен заведующему лабораторией мезоатомов Ю. М. Иванову за поставленную задачу и плодотворную совместную работу в экспериментах на ускорителях ПИЯФ и CERN, В. А. Гордееву и В. Г. Ивочкину за возможность развить методику и технологию плоскопараллельного позиционно чувствительного детектора, А. А. Петрунину и В. М. Суворову за ценные и полезные научные обсуждения.

1. Y. М. 1.anov et al. Volume reflection of a proton beam in a bent crystal. Phys. Rev. Lett., 2006, v.97, N14, p.144801.

2. Taratin A.M., Vorobiev S.A. "Volume reflection" of high-energy charged particles in quasi-channeling states in bent crystals. Phys.Lett. A, 1987, v.l 19, p.425-428.

3. Ю. M. Иванов, и др. Объемное отражение протонов с энергией 1ГэВ изогнутым кристаллом кремния. Письма в ЖЭТФ, 2006, т.84, с.445-450.

4. W. Scandale et al. High-efficiency volume reflection of an ultrarelativistic proton beam with a bent silicon crystal. Phys. Rev. Lett., 2007, v.98, N15, p.154801.

5. W. Scandale et al. Double volume reflection of a proton beam by a sequence of two bent crystals. Phys. Lett. B, 2008, v.660 p.610-611.

6. Линдхард Й. Влияние кристаллической решётки на движение быстрых заряженных частиц. УФН, 1969, т. 99, вып,2, стр. 249-296.

7. Ergurrsoy С. Passage of charged particles through crystal lattices. Brookhaven lecture series, 1965, #46.

8. Forster J.S. In.: Relativistic Channeling (Eds. R.A. Carrigan, Jr., J. Ellison), New York: Plenum Press, 1987, p. 39.

9. Андреев В.А. и др. Экспериментальное обнаружение эффекта объёмного захвата в режим каналирования изогнутым монокристаллом. Письма в ЖЭТФ, 1982, т.36, с.340-343.

10. Самсонов В.М. Автореферат диссертации, ЛИЯФ, Ленинград, 1985.

11. О. И. Сумбаев. К теории объёмного захвата протонов в режим каналирования изогнутыми монокристаллами. Препринт ЛИЯФ-278, Ленинград, 1986, 40 с.

12. А. М. Таратин. Каналирование частиц в изогнутом кристалле. Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра, 1998, т.29, вып.5, с. 1062-1118.

13. О. И. Сумбаев. Отражение у-излучения от изогнутых кварцевых пластин. ЖЭТФ, 1957, т.32, вып.6, с. 1276-1279.

14. О. И. Сумбаев. Некоторые вопросы теории кристалл-дифракционных у-спектрометров. ПТЭ, 1958, №3 с.27-31.

15. О. И. Сумбаев. Кристалл-дифракционные гамма-спектрометры. -М.: Госатомиздат, 1963. -111 с.

16. О. И. Сумбаев. Экспериментальное исследование эффекта упругой квазимозаичности. ЖЭТФ, 1968, т.54, с.1352-1360.

17. В. М. Самсонов. Изгиб пластины в фокусирующих кристалл-дифракционных рентгеновских и гамма спектрометрах. Препринт ЛИЯФ-278, Ленинград, 1976, 39 с.

18. В. М. Самсонов, Е.Г. Лапин. О нескольких возможностях и особенностях использования изогнутого кристалла в кристалл-дифракционных приборах. Препринт ЛИЯФ-5 87, Ленинград, 1980, 23 с.

19. Ю. М. Иванов и др. Наблюдение эффекта упругой квазимозаичности в изогнутых монокристаллах кремния. Письма в ЖЭТФ, 2005, т.81, вып.З, с.129-132.

20. М. Krish, et al. Study of dynamically bent ciystals for X-ray focusing optics. Nucl. Instr. and Meth.A, 1991, v.305, p.208-213.

21. R. M. Barnett et al. Review of Particle Physics Phys Rev D, 1996, v.54, N1 p.1-708.

22. Yu. Galaktionov et al. The parallel plate chamber as a detector for fast, radiation resistive calorimetry. Nucl. Instr. and Meth. A, 1992, v.317, рЛ 16122.

23. A. Arefiev et al. Parallel plate chambers: a fast detector for ionizing particles. Nucl. Instr. and Meth. A, 1994, v.348, p.318-323.

24. A. Arefiev et al. Parallel plate chambers, a fast detector for supercollider experiments. Nucl. Phys. B, Proc. Suppl., 1993, v.32, p.223-229.

25. A. Ferrando et al. CMS Technical Note TN/92-23, 1992.

26. A. Arefiev et al. RD5 Technical Note TN/92-04, 1992.

27. V. Akimov et al. The "Lambdameter" detector. Nucl. Instr. and Meth. A, 1994, v.343, p.421-427.

28. A. Arefiev et al. CERN PPE/93-82, 1993.

29. The Parallel Plate Chambers Collaboration, CMS Technical Note TN/94-159, 1994.

30. A. Arefiev et al. Electron beam test of an iron/gas calorimeter based on ceramic parallel plate chambers. Nucl. Instr. and Meth.A, 1996, v.376, p.163-173.

31. Г. Ретер. Электронные лавины и пробои в газах. -М.: Мир, 1968.-390с.

32. Б. Росси, Г, Штауб. Ионизационные камеры и счётчики. -М.: Иностранной Литературы, 1951 -240с.

33. С. И. Воробьёв, и др. Плоскопараллельная камера как детектор остановок мюонов для активной мишени проекта ФАМИЛОН. ПТЭ, 2005, N5, с.29-35.

34. В. Г. Ивочкин, и др. Создание активной мишени для «поверхностных» мюонов на основе плоскопараллельной камеры. Препринт ПИЯФ-2507, Гатчина, 2003, 13 с.

35. Ивченко Г. И. Математическая статистика / Г. И. Ивченко, Ю.И. Медведев. -М.: Высшая школа, 1984. -248с.

36. Л. Закс. Статистическое оценивание. -М.: Статистика, 1976. —598с.

37. М. Дж. Кендалл, А. Стюарт. Теория распределения. —М.: Наука, 1966. — 588с.