Исследование спиновых деполяризующих факторов и схем получения продольной поляризации в электрон-позитронном накопителе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

На правах рукописи

НИКИТИН Сергей Алексеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ СПИНОВЫХ ДЕПОЛЯРИЗУЩЮС ФАКТОРОВ И СХЕМ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОДОЛЬНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ В ЭЛЕКТР0Н-П03ИТР0НН0М НАКОПИТЕЛЕ

01.04.20 - Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск - 1996

Работа выполнена в Институте лазерной физики СО РАН

Официальные оппоненты:

д. ф. -м. н. профессор НИКИТИН М. М.

д. ф. -м. н. СТИБУНОВ К К

Ведутдя организация: Объединенный Институт ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна)

Защита состоится ¡о илсьл -/936 г. На заседании

диссертационного совета Д 063. 80. 06 Томского политехнического университета (ТПУ), 634004 Томск, пр. Ленина 30

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТПУ

Автореферат разослан ^ 4996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ^ КОНОНОВ Е К.

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность

Радиационная поперечная поляризация ультрарелятивистских электронов и позитронов, движущихся в магнитном поле, теоретически предсказанная А. А. Соколовым и И. М. Терновым, в настоящее время получена и эффективно используется в экспериментах на встречных пучках в накопителях. Для примера можно назвать прецизионные измерения масс векторных мезонов, выполненные на установках ИЯФ СО АН СССР, а также наблюдение угловой асимметрии адронных струй в процессах е+е- аннигиляции на накопителе SPEAR (Стэнфорд, США).

Практическому использованию радиационной поляризации может препятствовать деполяризующее воздействие погрешностей магнитной структуры накопителя. Даже относительно малые отклонения поля от идеального (например, вследствие неточной выставки фокусирующих элементов) при достаточно высокой энергии приводят к полной деполяризации пучка. Тенденций усиления деполяризующих эффектов с ростом энергии подтверждается результатами наблюдения радиационной поляризации на различных установках.

Таким образом в ускорительной практике возникла задача расчета и устранения деполяризующих факторов в магнитных системах конкретных накопителей. Возможности по учету этих факторов в рамках существующей теории радиационной кинетики поляризации были продемонстрированы в работе Я С. Дербенёва, А. И. Кондратенко и А. Н. Скринского (1976 г.) на примерах накопителей с большим числом магнитных суперпериодов и статистически однородным распределением возмущений. Требовалось создать методы расчета деполяризующего влияния погрешностей в реальных магнитных системах, которые по своим свойствам могут значительно отличаться от простых аналитических моделей.

В традиционных накопителях спин прецессирует вокруг вертикального поля и естественным является поперечное направление поляризации. В физике высоких энергий значительно больший интерес представляет другая ситуация, когда направление поляризации пучков в местах встреч параллельно скорости частиц. Эксперименты с продольно-поляризованными пучками дадут возможность получать принципиально новую информацию, которую нельзя извлечь из экспе-эимэнтов с неполяризованными или поперечно поляризованными час-

тицами.

Для организации динамически устойчивого продольного направления поляризации в накопитель необходимо ввести элементы с сильным радиальным и (или) продольным магнитным полем. В этом случае возможность получения радиационно поляризованных пучков существенно зависит от вида магнитной структуры накопителя, его фокусирующих свойств. К середине 70-х, в основном, было закончено построение замкнутой теории радиационной кинетики поляризации в накопителях с произвольными полями. Стало возможным перейти к разработке проектов получения продольно-поляризованных встречных пучков электронов и позитронов.

Впервые наиболее полно такие проекты были разработаны для накопителя ВЭПП-4 в связи с подготовкой перспективной программы физических исследований ИЯФ СО АН СССР. Рабочий диапазон энергий ВЗПП-4 является удобным для проведения ряда экспериментов по изучению физики слабых взаимодействий на ьстречных продольно-поляризованных е+е- пучках (распадные свойства тау-лептонов, зависимость сечения рождения адронов от спиральности начальных частиц вблизи пси- и ипсилон-резонансов).

Диссертация посвящена задачам получения радиационной поперечной и продольной поляризации пучков в накопителях. В ее основе лежат результаты, полученные автором в Институте ядерной физики СО АН СССР в 1980-1984 гг. и тогда же опубликованные.

Цели работы, положенной в основу диссертации, состояли в следутцем:

1. Разработать методы расчета деполяризующего влияния погрешностей в магнитных структурах электрон-позитронных накопителей с жесткой фокусировкой. Предложить и осуществить меры по увеличению степени поляризации на ВЭПП-4.

2. Провести эксперименты по изучению поляриаации на ВЭПП-4.

3. Разработать методику расчета кинетики поляризации в накопителях с сильными соленоидами. Разработать и рассчитать схему получения радиационным способом продольно-поляризованных встречных пучков на ВЭПП-4 при энергии 5 ГэВ.

4. Исследовать физические условия реализации и применения схемы "сибирская змейка" на основе сверхпроводящего соленоида для получения продольной поляризации частиц в электрон-позигрон-ном накопителе в области пси-резонансов и вблизи порога рож-

дения тау-лептона.

Новизна подученных результатов.

1. Развиты методы вычисления деполяризующего влияния основных погрешностей поля в злектрон-позитронных накопителях с гкесткой фокусировкой. Впервые проделан полный расчет влияния возмущений, имеющихся в действующей установке- ВЭПП-4 (5 ГэВ).

2. Проведены эксперименты, в которых впервые наблюдалась зависимость интенсивности синхротронного излучения от направления спина.

3. Экспериментально исследована резонансная спиновая диффузия при воздействии встречной ТЕМ-волны на электронный (позит-ронный) пучок в накопителе. Результаты эксперимента хорошо согласуются с расчетом.

4. Развита методика численного анализа радиационной кинетики поляризации в накопителе, содержащем сильные соленоиды. Разработан первый физический проект получения радиационным способом продольно-поляризованных встречных электрон-пози-тронных пучков е накопителе (вариант модернизации экспериментального промежутка ВЭПП-4 на энергии 5 ГэВ).

5. Впервые исследованы физические условия реализации и эффективного применения способа получения продольной поляризации в схеме "сибирской змейки" с продольным магнитным полем

(на примере ВЭПП-4 в области 2 ГэВ и проекта шарм-тау фабрики ОИЯИ).

Значение проведенных исследований для теории и практики.

1. Разработана и отлажена программа для ЭВМ, позволяющая:

- проводить анализ деполяризующих факторов и разрабатывать эффективные способы их устранения в существующих накопителях;

- устанавливать допуски на точность изготовления магнитных систем проектируемых установок, в которых предполагается получать поляризованные пучки электронов и позитронов.

2. В результате обоснованных и осуществленных автором практических мер обеспечен стабильно воспроизводимый (слабозави-

сящий от неконтролируемых искажений замкнутой орбиты) уровень радиационной поляризации пучков около 60% в накопителе ВЭПП-4 в области энергии ипсилон-резонанса, где это было важным для проведения эксперимента с использованием метода калибровки энергии частиц по частоте спиновой прецессии.

3. Разработан и отлажен алгоритм расчета на ЭВМ функции спинового отклика в магнитных структурах с жесткой фокусировкой. Вычислено азимутальное распределение этой функции при различных значениях энергии частиц в накопителях ВЭПП-4 и LEP. Знание функции спинового отклика необходимо при вычислении деполяризующего влияния радиального магнитного поля, его радиального градиента, а также поля встречного сгустка. Результаты расчета этой функции требуются при выборе оптимального местоположения в накопителе деполяризатора с поперечным полем, при вычислении времени преднамеренной деполяризации пучка.

4. Экспериментально показано, что наблюдение спиновой зависимости интенсивности СИ является эффективным способом измерения степени поляризации пучкоЕ в электрон-позитронных накопителях.

5. В экспериментах по измерению времени преднамеренной деполяризации пучка встречной ТЕМ-волной подтверждена надежность существующей теории, описывающей резонансную спиновую диффузию в накопителях. Ба основе этой теории рассчитываются деполяри-зационные процессы -при сверхвысоких энергиях и в поле встречного сгустка.

6. Экспериментально продемонстрировано влияние амплитуды и фазы спиновой гармоники локальных искажений замкнутой орбиты по вертикали на степень радиационной поляризации электронов в накопителе ВЭШ1-4 в соответствии с численными оценками. В дальнейшем методика коррекции спиновой гармоники эффективно применена для увеличения степени поляризации частиц на установках PETRA и HERA.

7. Развитая в диссертации методика анализа кинетики продольной поляризации в схемах с использованием сильных соленоидов

и найденные общие условия их оптимизации в виде соотношений для отдельных значений локальных параметров фокусировки являются достаточно универсальными и могут быть использованы

при создании новых проектов в рамках программ поляризационных исследований в диапазоне энергий пси- и ипсилон-резонансов и вблизи порога рождения тау-лептона, в частности, на шарм-тау фабриках. Продольная поляризация встречных электрон-позитрон-ных пучков позволит получить ценную информацию о распадных свойствах тау-лептона и слабом взаимодействии с- и Ь-кваркоЕ.

Апробация работы

Основные результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на Международном симпозиуме по поляризационным явлениям в физике высоких энергий (Дубна, 1981); VIII Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц (Протвино, 1982); Рабочем совещании "Исследования спиновых явлений в физике высоких энергий (Протвино, 1982); XII Международной конференции по ускорителям на высокие энергии (Батавия, США, 1983); Семинаре "Спиновые явления в физике высоких энергий (Протвино, 1983); III Международной конференции по инструментализации в физике встречных пучков (Новосибирск, 1984); 2-ом Рабочем совещании по шарм-тау фабрике ОИШ (Дубна, 1993); на семинаре у профессора И.М.Тернова в Московском государственном университете им. Ломоносова; на семинарах Института ядерной физики СО АН СССР. Кроме того, эти результаты опубликованы в сборниках трудов конференций, в виде препринтов и статей в научных журналах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Диссертация состоит из введения, шести глаЕ, заключения,трех приложений и 43 рисунков.

Во введении обоснована актуальность выполненных исследований. Приводится их краткое содержание.

В первой главе изложены основные имеющиеся теоретические представления о движении спина электронов в накопителях. Из-за циклического характера движения частиц существует периодическое с азимутом ■ @ динамически устойчивое направление поляризации -единичный векторГ\_ ( 0 ) = П. (0 4-2 9Г) (Я. С. Дербенёв, А. М. Кондратенко, А. Е Скринский, 1970). Обсуждается радиационная кинетика спина в накопителях с произвольными полями (Я С. Дербенев, А. М. Ко-

ндратенко, 1972). В однородном поде поляризация частиц происходит за счет синхротронного излучения с переворотом спина. В изменяющихся по направлению полях кинетика поляризации зависит также от вклада излучения без переворога спина. Этот вклад учитывается функцией спин-орбитальной связи d С 0 ) =d ( 6 4 251"), которой определяется зависимость ogp прецессии от траектории частицы. Обшие формулы для функции d ( Q ) получены Я. С. Дербенёвым и А. М. Кондратенко (1971). В диссертации приводится иной способ вывода этих формул, который и используется в конкретных вычислениях.

Во второй главе развиты методы расчета деполяризующего влияния погрешностей поля в традиционных накопителях с жесткой фокусировкой. Вследствие имеющихся в них вертикальных искажений замкнутой орбиты, а также связи между радиальными и вертикальными бетатронными.колебаниями, перемешивание траекторий в пучке за счет квантовых флукгуаций синхротронного излучения приводит к диффузии спинов, что уменьшает равновесную степень радиационной поляризации Р и время ее установления TT по сравнению с их значениями в идеальном накопителе Ро = 0,92 и И0 . Зактор этого уменьшения G = P/Po = Т /То определяется функцией, спин-орбитальной связи. Приводится способ вычисления функции d ( Q ) , учитывающей влияние радиального градиента радиального магнитного поля, который,обычно, связан с ошибками выставки квадрупольных линз по углу поворота вокруг продольной оси и приводит к возбуждению вертикальных колебаний. Величина функции вырастает, а фактор G соответственно уменьшается вблизи спиновых резонансов \) = , >) ± Vx = I и V ± yz = гп- I , где = Е [МэВЗ/440,65 - частота прецессии спина (Е-энергия частиц), а Vy частоты радиальных и вертикальных бетатронных колебаний в единицах частоты обращения; - целое, m ~ число магнитных суперпериодов. В качестве примеров рассчитывается равновесная степень поляризации в накопителях ВЭПП-4 (рл=1) и LEP (¡л=4) с учетом указанных погрешностей в магнитной системе.

Наиболее сильное деполяризующее воздействие при высоких энергиях ( >>1) оказывает в накопителях радиальное магнит-

ное поле (вертикальные смещения квадрупольных линз, а также повороты магнитов с ведущем полем^вокруг продольной оси). Приводится формула для расчета функции d ( Q ), описывающей влияние вертикальных искажений замкнутой орбиты. Вблизи целых спиновых резонан-

сов V = -с основной вклад в величину Id (0)1 вносит явная зависимость равновесного направления поляризации г\(0)от энергии. Модуляция частоты прецессии радиальными колебаниями приводит к резонансам = и ^ í \) х = X - Рассчитаны примеры деполяризующего влияния вертикальных искажений орбиты в накопителях ВЭПП-4 и LEP.

Рассмотрен численный пример компенсации резонансной спиновой гармоники радиального магнитного поля на ВЭПП-4 за счет введения на участках с ведущим полем локальных возмущений орбиты по вертикали. Формулируются обще условия компенсации деполяризующего влияния градиента радиального магнитного поля при помощи системы повернутых на 45 градусов (skew) квадрупольных линз.

Проводится сравнение разработанной компьютерной программы для расчета деполяризующих факторов с известными за рубежом программами SLIM (A. Chao, 1979) и SITROS ( J. Kewish, 1983), которые основаны на подходах , отличающихся от развитого в диссертации. Последний выгоден тем, что не требует большой памяти и высокого быстродействия компьютера, а также обладает наглядным алгоритмом.

В третьей главе анализируются основные наиболее вероятные деполяризующие факторы в накопителе ВЭПП-4 в области энергии 5 ГэВ. Рассчитывается статистически ожидаемая степень поляризации по реально наблюдаемым вертикальным искажениям замкнутой орбиты. С использованием данных об измеренной ширине резонанса связи колебаний св = 0.05) обсуждаются различные варианты распределения в накопителе возмущений, вызывающих связь поперечных колебаний. Количественно сравниваются по своему влиянию на поляризацию две системы компенсации резонанса связи колебаний на ВЭПП-4. Одна состоит из нескольких skew-линз, другая - из равномерно распределенных в магнитах полуколец коррекций 9 Ну/9Х- Последняя, оказывающая меньшее деполяризующее влияние (при весьма вероятной-в данном случае компенсации возмущений прямо по месту их воаникно-зения, это влияние ыохет быть близким к нулю), специально предложена для использования в экспериментах с поляризованными пучками.

Четвертая глава посвящена экспериментальному изучению поляризации на накопителе ИЯФ СО РАН БЭПП-4.

При измерении времени релаксации и степени поляризации на ЗЭПП-4 используется деполяризатор на встречной ТЕМ-волне (впервые фименен на ВЭПП-З в 1977г.) с частотой, настраиваемой в резонанс

с частотой спиновой прецессии. Характерное время деполяризации обратно пропорционально квадрату гак называемой функции спинового отклика Г(0)= Г (9+20г) (Я. С. Дербенев, А. М. Кондратенко, А. а Скринский, 1976), с помощью которой универсально описывается отклик в спиновом движении от различных возмущений (радиальное магнитное поле, его радиальный градиент, поле встречного пучка). Расчеты для конкретных накопителей, выполненные в дис-

сертационной работе, являются первыми в ускорительной практике. <рункция Ь v зависит от энергии накопителя, параметров его магнитной структуры и в случае жесткой фокусировки сильно меняется с азимутом (см. рис.1). С использованием расчетного значения функции в месте размещения на ВЭПП-4 пластин деполяризатора вычисляется время преднамеренной деполяризации пучка на основном и модуляционных (с частотой синхротронных колебаний) спиновых резо-нансах.

20

Ю

0 2ЯГ

Рис.1. Зависимость модуля функции спинового отклика на ВЭПП-4 от азимута ( s)^ =9.57, Е = 5 ГэВ).

Описаны три метода измерения поляризации, примененные в экспериментах. Один из них представляет собой лазерный поляриметр (впервые создан на установке SPEAR в 1976 г.) и основан на измерении анизотропии комптоновского рассеяния циркулярно-поляризованных лазерных фотонов, направленных навстречу пучку (предложено в работе ЕЕ Байера и В.А.Хоае, 1968). Два других были впервые предложены и реализованы в ШФ СО АН СССР. В первом с той же це-

пью, что и лазерный свет, используется синхротронное излучение ;СИ) от встречного сгустка (Ю. А. Тихонов и др., 1982). Во втором методе измеряется спиновозависимая поправка к интенсивности СИ, которая впервые рассчитана И. М. Терновым с соавторами в 1964г.. Эксперименты по измерению поляризации на ВЭПП-4 данным методом 1вились первым наблюдением зависимости мощности СИ от направления спина. Ввиду малой величины этого квантового эффекта О 10-4) используется методика, основанная на сравнении мощности излуче-«я от двух позитронных сгустков (А. Е. Бондарь, Е. ЛСалдин, 1982).

Приводятся экспериментальные данные (си. рис.2), демонстрирующие увеличение степени поляризации на ВЭПП-4 в результате замены системы сосредоточенной коррекции связи колебаний, оказыва-ощей заметное деполяризующее влияние (см. рис. 3), системой равномерно распределенной коррекции градиента 9 Н х / 3 У ■

Наиболее точные измерения времени и степени радиационной поляризации выполнены методом, основанный на наблюдении спиновоза-висимой поправки к мощности СИ (см. рис.4). В целом, результаты измерений разными методами находятся в хорошем согласии друг с цругом и с основными данными численного анализа деполяризующих ¿акторов в магнитной системе ВЭПП-4. Этому выводу отвечает также зависимость степени поляризации от энергии частиц, измеренная в области ипсилон-резонансов с помощью лазерного поляриметра (см. рис. 5). На ВЭПП-4 был проведен один из первых в ускорительной практике экспериментов, демонстрирующий возможность управления степенью радиационной поляризации путем регулирования амплитуды и фазы резонансной спиновой гармоники радиального поля (при введении локальных искажений орбиты).

Описаны эксперименты по изучению резонансной спиновой диффузии, которая является основным деполяризующим фактором в накопителях на сверхвысокие энергии (например, ЬЕР, 70 ГэВ). Скорость спиновой диффузии в данном случае (в отличие от нерезонансной диффузии спинов, которая определяется скоростью квантовой диффузии энергии частиц) зависит от вероятности прохождения частицами резонансов в единицу времени и скорости изменения расстройки (Я. С. Дербенев, А. М. Кондратенко, 1974). Были проведены опыты по измерению скорости резонансной спиновой диффузии путем определения времени деполяризации частиц встречной ТЕМ-волной с частотой, модулируемой вблизи резонансного значения, с целью количественной

6 4 2 О

ю 8

6 Ц

2 О

А%

N

1000

2000

3000

а]

б)

, се*?

1000

2000

3000

Рис. 2. Изменение асимметрии ("верх-низ"') рассеяния фотонов СИ на встречном электронном лучке при его деполяризации в двух случаях, различающихся по способу компенсации резонанса связи колебаний на ВЭПП-4. Стрелками указан момент включения деполяризатора, который затем остается включенным. Расчетное время деполяризации равно 2,5 мин. Время измерения в точке 100 сек. Токи электронного и позитронного пучков равны примерно 2 мА.

Рис. 3. а) - результат деполяризующего влияния системы компенсации резонанса связи; б) - эффект случайных смешений линз накопителя, отвечающих искажениям орбиты по вертикали ~ 1.5 мм; в) результат совместного влияния системы сосредоточенных коррекций связи и вертикальных искажений замкнутой орбиты.

Рис. 4. Результаты измерения зависимости интенсивности СИ от степени поляризации пучка. |\/ и скорости

счета фотонов от 1-ого и 2-ого позитронных сгустков. Поле е змейке совпадает по направлению с ведущим полем накопителя. В точках а и Ь произведена быстрая деполяризация одного из сгустков. Обработка приведенных данных дала значения равновесной степени поляризации Р=0. 73+0.04 и времени ее установления Т =1740-1-100 сек.

Рис. 5. Зависимость степени поляризации на ВЭПП-4 от энергии.

проверки соответствия теоретической модели реальным условиям. Для наблюдения изменения поляризации во времени применялся метод, основанный на измерении спиновой поправки к мощности СИ (см. рис.6). Результаты экспериментов хорошо согласуются с расчетом. Впервые продемонстрирована зависимость скорости диффузии от амплитуды девиации частоты деполяризатора, а также ее зависимость от энергии накопителя, определяемая квадратом модуля функции спинового отклика (см. рис. 7).

Поляризованные пучки на ВЭПП-4 были использованы в эксперименте по прецизионному измерению массы.ипсилон-мезона. Энергия электронов и позитронов в эксперименте определялась по частоте

Рис. 6. Процесс резонансной деполяризации пучка. 1о - момент включения деполяризатора. Время релаксации *"С Р =190 сек определялось методом максимума правдоподобия. Расчетное время Т"г = 160 сек ( ( Р"М2 =42).

пиновой прецессии в момент разрушения поляризации при сканиро-ании частоты деполяризатора. Б этой связи предпринятые меры по Эеспечении стабильна воспроизводимой степени поляризации около

60Z путем изменения способа коррекции резонанса связи имели важное значение (CERN Courier, v. 22,N8,Oct. 1982,p. 325). Описываются методика и результаты эксперимента, в котором масса ипсилон-частицы была измерена с точностью, на порядок выше существовавшей.

В пятой главе рассмотрен вариант модернизации накопителя ВЭПП-4 для получения радиационным способом продольно-поляризованных встречных е+е- пучков при энергии 2x5 ГэВ (Область ипсилон резонанса) с использованием соленоидов, размещенных по обе стороны магнитного детектора с вертикальным полем (ВД)- см. рис. 8.

Рис. 7. Время преднамеренной деполяризации пучка каш функция амплитуды девиации частоты деполяризатора при двух значениях фактора | |2: а) 1Г^2=14 (Е =4930 МзВ); б) I Р*!2, = 42 (Е = 4980 МэВ). Сплошные линии и точки - экспериментальные данные, пунктир - расчет.

Рассчитана кинематические параметры данной схемы. Рассматриваются меры по компенсации возмущения, вносимого сижм'ым продольным магнитным полем в бегатронное движение. Вычисляется функция спин-орбитальной связи в накопителях с соленоидами. Принципиально важным при этом является при этом учет вклада бегатронных колебаний в

кинетику спинов. В присутствии сильных соленоидов без принятия специальных мер равновесная степень радиационной поляризации будет, практически, равна нулю даже при идеальном исполнении и выс-

Рис. 8. Кинематика спина в схеме получения продольной поляризации с помощью соленоидов и магнита-детектора с вертикальным полем (предложена Ю. М. Шатуновым).

гавке всех магнитов. Чтобы избежать этого, требуется оптимизация тарамегров спин-орбитальной связи га счет фокусирующих свойств /агнитной структуры. Формулируются общие условия получения максимальной, в том числе, и предельно высокой (92%) степени продоль-юй поляризации в схемах подобного рода в виде определенных соотношений между локальными значениями параметров фокусировки в тескольких характерных точках орбиты на участках с соленоидами. В госледнем случае вместо детектора МД требуется применить детектор 5ез поля или со "слабым" по влиянию на кинетику спинов продольным юлем (влияние этого поля на кинематику спина, как и на орбиталь-гае движение компенсируется дополнительными соленоидами, расположенными с обеих сторон детектора). Поворот спина вокруг вертикали ia 180 градусов осуществляется при этом двумя разнесенными от ме-

У. «я:

ста встречи доворотными магнитами, вносящими малый (в отличие от МД) Еклад в коэффициент квантовой диффузии энергии частиц по сравнению с полукольцами. Проанализирован найденный вариант фокусирующей системы с ВД, в котором одновременно удовлетворены необходимые требования на орбитальное и спиновое двюкения. Равновесная степень продольной поляризации Р-Пл ( П.^ - продольная компонента направления поляризации в месте встречи) зависит от нецелой части Qx частоты радиальных бетатронных колебаний и в оптимуме достигает 50Z (см. рис.9) при соответствующем Бремени установления поляризации 30 минут.

-(.о

Рис. 9. Зависимость степени продольной поляризации Р • П ( П. „ = /2/ 2 ) ог бетагронной настройки

// Qx.

Обсуждается возможная методика эксперимента с использование?, рассмотренной схемы по измерению вклада слабых взаимодействий в полное сечение рождения адроноЕ вблизи ипсилон-резонанса, KOTopaj несмотря на малую величину эффекта, не требует абсолютного измерения степени поляризации и светимости накопителя.

В шестой главе исследуется способ получения продольно-поляризованных встречных пучков с использованием сверхпроводящего соленоида? вращающего спин вокруг вектора скорости на угол 180 градусов (схема "сибирской змейки", предложенная Я С. Дербеневым и А. М. Кондратенко для ускорения поляризованных частиц, 1975) -см. рис. 10. Приводятся результаты расчета кинематики спина в имеющем Зх-мерную геометрию канале инжекции ВЭШ1-3-ВЭПП-4 с вклю-

*)Идея реализации способа на ВЭШ1-4 принадлежит Е. Л. Салдину.

чением в него импульсного соленоида, поле которого оптимизируется с целью обеспечить минимум деполяризации пучка (< 10%) при иначе к-ции в накопитель со "змейкой". Рассмотрены схемы локализации связи колебаний, вносимой продольным полем "змейки", в частности, с помощью 4-х skew-линз. Эта разработанная в диссертации схема локализации явилась первой конкретной моделью вставки в накопитель с сильным соленоидом, на примере которой развит соответствующий подход и исследована радиационная кинетика продольной поляризации с учетом бетатронных колебаний. Описан разработанный метод расчета размеров пучка на участках с локализованной сеязью колебаний, с помощью которого определены требуемые размеры вакуумной камеры. Вычислена - спин-орбитальная связь и зависимость времени деполяризации пучка от энергии при разных значениях час-

Рис. 10. Кинематическая схема "продольной поляризации " на ВЭПП-4 с использованием "сибирской змейки". В канале перепуска ВЭПП-3-ВЭШ1-4 условно изображен импульсный соленоид, поворачивающий спин на угол, близкий к 90 градусам.

тоты радиальных бетатронных колебаний в "пассивном" варианте схе-

мы, когда конечное из-за квантовых флуктуаций время существования продольной поляризации сравнимо со Бременем жизни (рис. 11). Рассчитан пример влияния на время деполяризации однородного вигглер-магнита, предназначенного для увеличения светимости ВЭПП -4 на энергии 2 ГэВ. Анализируются конкретные'условия оптимизации спин-орбитальной связи в местах расположения специальных неоднородных вигглер-магнитов , позволяющих осуществить радиационную поляризацию непосредственно в накопителе с "сибирской змейкой" благодаря спин-орбитальному - "новому" - механизму радиационной поляризации ("активный" вариант). Описана концепция получения продольной поляризации в рамках проекта шарм-тау фабрики ОИЯИ, развитая на основе разработок для' ВЗПП-4.

Тд (час)

Рис.11. Зависимость времени деполяризации от энергии при различной настройке Ох (пунктирная кривая -без учета бетатронных колебаний).

В заключении перечислены основные результаты, представленные к защите.

1. Развиты методы расчета деполяризующего влияния искажений юля в накопителях с жесткой фокусировкой. Создана универсальная [рограмма для ЭВМ, с помощью которой вычислена степень радиа-(ионной поляризации в накопителях ВЭПП-4 С 4. 6 - 5.1 ГэВ) и LEP 35 - 53 ГэВ) при различных погрешностях магнитной структуры.

2. Вычислена функция спинового отклика в магнитной структуре ! жесткой фокусировкой. Рассчитано время преднамеренной деполя-1изации пучка встречной ГЕМ-волной на накопителе ВЭШ-4.

3. Экспериментально изучены изменение степени радиационной оляризации пучков во времени и ее зависимость от энергии в на-опителе ВЭПП-4. Исследовано деполяризующее воздействие возмуще-ий, имеющихся в его магнитной системе. Объяснены возможные при-ины измеренной вблизи энергии ипсилон-резонанса низкой степени оляризации Сна уровне 30%). Предложена и экспериментально опро-ована специальная система коррекции связи поперечных колебаний

накопителе, позволившая обеспечить стабильно воспроизводимый ровень поляризации около 60% вдали от спиновых резонансов.

4. Впервые проведены эксперименты по наблюдению спиновой за-исимости интенсивности синхротронного излучения. Показано, что аблюдение спиновой зависимости интенсивности СИ является эффек-ивным способом измерения степени поляризации пучков в электрон-озитронных накопителях.

5. Экспериментально исследована резонансная спиновая диффу-ия в накопителе с использованием деполяризатора с поперечным олем. Доказано, что существующая теория этого явления хорошо писывает экспериментальные данные.

6. Проведен эксперимент, демонстрирующий влияние амплитуды и азы спиновой гармоники локальных искажений замкнутой орбиты по эртикали на степень радиационной поляризации электронов в нако-ителе в соответствии с численными оценками.

7. Развита численная методика анализа радиационной кинетики оляризации при использовании соленоидов для получения продольно поляризованных встречных пучков в накопителях.

8. Представлен первый физический проект (вариант модерниза-ии экспериментального промежутка ВЭПП-4) получения радиационным пособом продольной поляризации частиц на энергии 5 ГэВ с ис-эльзованием соленоидов. Найдены общие условия оптимизации схем эдобного рода для получения максимальной степени продольной по-

ляризации в виде определенных требований на отдельные значения локальных параметров фокусирующей системы промежутка.

9. Впервые исследованы физические условия реализации и эффективного применения схемы получения продольно-поляризованных встречных электрон-позигронных пучков на основе "сибирской змейки" с продольным магнитным полем.

В приложениях описаны метод расчета функции спинового отклика; вывод формулы для транспортной матрицы соленоида; результаты интегрирования уравнений движения спина неравновесной частицы, совершающей бетатронные колебания в накопителе, в котором имеются вставки с продольным магнитным полем.

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

1. Никитин С. А. , Салдин Е. JL , Юрков М. В. О возможности получения продольно-поляризованных встречных пучков на накопителе ВЭПП-в области энергий ипсилон-резонансов. -Новосибирск, 1981. -54с -(Препринт/йн-т ядерной физики СО АН СССР, ИЯФ 81-116); Inter nal Report DESY L-Trans-285, Hamburg, 1984.

2. Никитин С. А. , Салдин Е. JL , Юрков M. К Анализ вариантов получения продольно-поляризованных встречных пучков на накопителе ВЭПП-4. -В кн. : Спин в физике высоких энергий: Труды международного симпозиума по поляризационным явлениям в физике высоких энергий, Дубна, 1982, с. 291-301.

3. Nikitin S.A., Saldin Е. L., YurkovM.V. Calculation of the depolarizing effect of the field imperfections in electron-positron storage rings. Nucl.Instrum.Msth., 1983, vol.216, No 3, p. p. 317-328.

4. Belomestnykh S.A. , Bondar A. E. , Egorychev M. N. , Zhilich V.N. , Kornyukhin G. A. , Nikitin S.A. , Saldin E. L. , Skrinsky A.N., Tumaikin G. M. An observation of the spin dependence of synchrotron radiation intensity.-Nucl. Instr. Meth., 1984, vol.227, No. 1, p. p. 173-181.

5. A high precision measurement of the IT - meson mass /

A. S. Artamonov, S. E. Ваги, A.E. Blinov, A. E. Bondar, A. D. Bukin, V. R. Groshev, N. F. Denisov, Yu. I. Eidelman, N. I. Inozemtsev, V. A. Kiselev, S. G. Klimenko, G. Ya. Kezerashvi 1 i, E. A. Kuper, L. M. Kurdadze, S. I. Mishnev, S. A.Nikitin, A. P. Onuchin,

- 23 -

V. S. Panin, V. V. Petrov, I. Ya. Protopopov, E. L. Saldin, A. G. Shamov, Yu. M. Shatunov, Ч.А. Sidorov, A. N. Skrinsky, V. A. Tayursky, V. I. Telnov, A. B. Temnykh, Yu. A. Tikhonov, G. M. Tumaikin, A. I. Vorobiov, M. V. Yurkov, A. A. Zholents. -- Phys. Lett. , Ь982, vol. 118B, No. 1,2,3, p.p. 225-229 (Препринт/Ин-г ядерной физики CO АН СССР; ИЯФ 82-94). 3. Измерение поляризации часгиц в накопителях методом рассеяния синхротронного излучения на встречном пучке/ А. Е. Блиное, А. Е. Бондарь, А. И. Воробьев, а Р. Грошев, А. А. Жоленц, С. Г. Клименко, С. И. Мишнев, С. А. Никитин, А. П. Онучин, R С. Панин, И. Я. Протопопов, В. А. Гаврский, Е И. Тедьнов, Ю. А. Тихонов, Г. М. Тумайкин, А. Г. Шамов, Ю, И. Эйдельман. - Труды VIII Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 1982, Дубна, 1983, т. 2, с. 268-271; Nucl. Instr. Meth. , 1985, vol. A241, No. 1, p.p. 80-88.

Состояние работ на ВЭПП-4/R В. Анашин, А. С. Артамонов, М.И. Бро-вин, С. Б. Вассерман, Н. А. Винокуров, П. Д. Воблый, А. А. Жоленц, Э. И.3инин, R И. Иноземцев, М. М. Карлинер, Г. А. Корнюхин, Е А. Киселев, Э. А. Купер, Б. ЕЛевичев, ВА. С. Медведко, С. И. Мишнев, 0. А. Нежевенко, С. А. Никитин, А. П. Онучин, Е Е Петров, В. Г. Попов, И. Я. Протопопов, Ю. А. Пупков, Е. Л. Салдин, В. А. Сидоров, А. II Скринский, А. Б. Темных, Г. М. Тумайкин, И. А. Шехтман, Ю. И. Эйдельман, YL Е Юрков, Г. И. Яснов. -Труды VIII Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 1982, Дубна, 1983, т. 1, с. 37-43.

. Polarization measurement in storage rings of the Institute of Nuclear Physics (Novosibirsk) / A. E. Bondar, M. N. Egorychev, Yu. I. Eidelman, L. M. Kurdadze, G. Ya. Kezerashvi 1 i, S. A. Nikitin, A. P. Onuchin, E. L. Saldin, S. I. Serednyakov, V. A. Sidorov, A. N. Skrinsky, V. A. Tayursky, Yu. A. Tikhonov, G. M Tumaikin and Yu. M. Shatunov. -Proceedings of the 12-th International Conference on High-Energy Accelerators. Fermi National Accelerator Laboratory, Batavia, Illinois, 1983, p. p. 240-243.

Никитин С. A. , Салдин E. JL О возможности получения продольной поляризации частиц в накопителе ВЭПП-4. -Новосибирск, 1981. -27 с. -(Препринт/Ин-т ядерной физики СО АН СССР, ИЯФ 81-19); Internal report DESY L-Trans-290, Hamburg, 1984. ).Project of obtaining longitudinally-polarized beams in the

storage ring VEPP-4 at energies up to 2x2 GeV / Derbenev Ya. S. , Khorev V. M. , Kiselev V. A. Kondratenko A. M. , Kornyukhin G. A. , Mi-shnev S. I. , Nikitin S. A. , Saldin E. L., Skrinsky A. N. , Temnykh A. B. , Tumikin G. M. , Ulyanov Yu. N. , Yurkov № V. , Zholents A. A.. -Proceedings of the 12-th International Conference on High-Energy Accelerators. Fermi National Accelerator Laboratory, Batavia, Illinois, 1983, p.p. 410-412.

11. Измерение поляризации электронов на накопителе ВЭПП-4 лазерным поляриметром / П. В. Воробьев, А.А.Казаков, Г. Я. Кезерашвили , Л. М. Курдадзе, R В. Петров, С.А.Никитин, А. Н Скринский, Г. М. Тумай-кин, Ю. М. Шатунов.-Труды VIII Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 1982. Дубна, 1983, т. 2, стр.272 -275.

12. Гордеев О. П. , Киселев Е А. , Корнюхин Г. А., Никитин С. А. , Салдин Е. JL , Скринский А. Н., Тумайкин Г. М. Управление поляризацией в канале инжекции ВЭПП-З-ВЭПП-4.-Новосибирск, 1983.-19с.-

(Препринт/Ин-т ядерной физики СО АН СССР, ИЯФ 83-110).

Подписано к печати 20 марта 1996г. Заказ N0 130. (Еормат 60*84/16. Объем 1 уч. изд. д. Тираж 80 экз.

Отпечатано в Институте теплофизики СО РАН, 630090, Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева 1.