Исследование взаимодействия ионов с внутренними мишенями в ускорителях и разработка методов и устройств для невозмущающей диагностики пучков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ



ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правах рукописи УДК 539.17; 621.384.63

13-97-353

АРТЕМОВ Александр Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИОНОВ С ВНУТРЕННИМИ МИШЕНЯМИ В УСКОРИТЕЛЯХ

И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ НЕВОЗМУЩАЮЩЕЙ ДИАГНОСТИКИ ПУЧКОВ

Специальность: 01.04.01 — техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Дубна 1997

Работа выполнена в Лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных исследований и Сухумском физико-техническом институте

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, ДОНЕЦ

профессор Евгений Денисович

доктор физико-математических наук, ПЕРЕЛЬШТЕЙН профессор Элкуно Аврумович

доктор физико-математических наук, ГЛАЗКОВ профессор Анатолий Александрович

Ведущее научно-исследовательское учреждение: Московский инженерно-физический институт

Защита диссертации состоится

1997 года в часов на заседании диссертационного совета Д-047.01.02 при Лаборатории высоких энергий Объединенного института ядерных исследований, г.Дубна, Московской области.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЛВЭ ОИЯИ.

Автореферат разослан

1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук. ./

профессор ' М.Ф. Лихачев

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы и цели настоящей работы.

Необходимость получения достоверной и оперативной информации о параметрах пучка ионов при проведении экспериментов на различных участках современных ускорительно-накопительных комплексов стимулирует поиск невозмущающих методов диагностики. Под не-возмущающими обычно подразумеваются методы, когда вносимыми при измерении возмущениями пучка можно пренебречь. Наиболее полное представление о пучке ионов дают измерения тока пучка во времени, его пространственного распределения по сечению канала транспортировки, а также информация об эмиттансных характеристиках, которые связаны с угловым распределением и энергетическим спектром ионов в пучке. Невозмущающий характер измерений большинства этих параметров невозможно реализовать при использовании традиционных для заряженных частиц методов диагностики. Дополнительное осложнение вызывает важное для пучков высоких энергий требование компактности диагностических устройств. Кроме того, разнообразие ускорителей с отличающимися на несколько порядков параметрами вызывает необходимость в создании новых диагностических систем, которые должны быть более универсальными и более быстрыми чем их предшественники. В связи с этим, актуальной задачей является разработка методов и устройств для измерения различных характеристик пучка ионов по вторичным частицам, рожденных при взаимодействии ионов с компонентами остаточного газа или практически прозрачной для пучка внутренней мишенью. - Основной задачей связанных с этим исследований является выявление возможности определения необходимых параметров пучка по соответствующим характеристикам данного типа вторичных частиц, а также изучение границ использования основанных на этом методов диагностики и достигаемых при этом точностей.

Помимо этого, в современных ускорительно-накопительных комплексах и при разработке систем транспортировки энергии на большие расстояния интенсивными пучками, широко используется перезарядный метод управления потоками частиц. Формируя внутренние перезарядные мишени на различных участках канала транспортировки пучка можно существенно влиять на распределение частиц в фазовом пространстве и на характер их движения во внешних электромагнитных полях, а также осуществлять удобную для физических экспериментов разводку пучков высоких энергий. Наибольшая эффективность

метода достигается при использовании отрицательных ионов на начальном этапе транспортировки пучка. Это позволяет, в частности, существенно улучшить качество пучка при преобразовании ионов в нейтральные частицы перед участком с наиболее "неприятными" электромагнитными полями, при изменении знака заряда частиц на участках инжекции и вывода пучка в циклических ускорителях, а также значительно расширить возможности и диапазон энергий пучка электростатических ускорителей. Для решения этих задач важна информация об интегральных и дифференциальных сечениях обдирки ионов, коэффициентах преобразования в нужное зарядовое состояние и ресурсе используемой внутренней мишени.

Внутренние мишени широко используются и незаменимы при проведении определённого класса физических экспериментов в циклических ускорителях. К нему относятся эксперименты, проведение которых на выведенном пучке невозможно или осложнено из-за значительного искажения информации каскадными процессами в мишени, существенного искажения характеристик регистрируемых частиц или их поглощения мишенью. Для оптимизации этих экспериментов актуально изучение эволюции параметров пучка при взаимодействии с внутренней мишенью ускорителя, а также роли этого процесса на фоновые условия и достигаемые значения светимости.

Таким образом, изучение и оптимизация взаимодействия ионов с внутренними мишенями, а также разработка методов и устройств для невозмущающей диагностики пучка на их основе, являющиеся целью диссертационной работы, представляют собой развитие нового важного направления в технике физического эксперимента с использованием пучков ускоренных частиц.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Она изложена на 284 страницах машинописного текста и включает 95 рисунков, список работ автора по теме диссертации и список литературы из 305 наименований.

По итогам проведенных в диссертации исследований на защиту выносятся:

— результаты теоретического изучения влияния ленточной геометрии эксперимента на измерение угловых распределений частиц;

— результаты измерения предельной точности соответствия угловых распределений ионов Н~ и атомов Н° в пучке с использованием корпускулярных мишеней;

— результаты исследования влияния поляризации и мощности фотон-

ной мишени на околопороговый: развал ионов Н~;

— измеренные сечения <т_ю и (Toi на углероде для H~ и Н" частиц с энергией 2 и 7 МэВ;

— результаты исследования влияния поляризации фотонной мишени на рождение электронов с параметрами угловой асимметрии Д,= -1, 2;

— методы и устройства для невозмущающей диагностики пучков отрицательных ионов и нейтральных частиц по электронам фотообдирки;

— результаты изучения влияния тока пучка отрицательных ионов на его диагностику по электронам обдирки;

— метод диагностики пучка ионов по электронам фотоионизации промежуточных быстрых нейтральных частиц;

— проект и результаты расчета радиационно стойкого детектора пространственного распределения импульсного потока быстрых электронов для диагностических устройств;

корреляционный метод невозмущающей диагностики пучка ионов и устройство для его реализации;

результаты исследований светового излучения газовых мишеней под воздействием пучка ионов Н~ с энергией 100 кэВ -f- 2 МэВ;

устройство для невозмущающего измерения пространственных характеристик пучка ионов по световому излучению в канале транспортировки с локальным напуском газа;

результаты изучения светового излучения на выходе ненагружешшх пучком ВЧ-резонаторов линейного .ускорителя; станция внутренних мишеней на нуклогроне;

результаты теоретического и экспериментального исследования взаимодействия ядер с внутренними мишенями на нуклотроне и эволюции параметров пучка.

Апробация результатов и публикации. Основные результаты. приведенные в диссертации, изложены в 44 опубликованных работах. список которых прилагается, докладывались на Всесоюзных и Международных конференциях (Сан-Франциско, США, 6 9 мая 1991; Вашингтон. США, 17 20 мая 1993; Лондон, Великобритания, 27 июня

— 1 июля 1994: Таормина, Италия, 30 мая - 4 июня 1994; Ситгес / Барселона. Испания, 10 14 июня 199G), симпозиумах (Уптон, США, 1992; Дубна. Россия, 28 февраля - 4 марта 1995), совещаниях (Харьков. СССР. 28 30 мая 1991; Дубна, Россия, 13 15 октября 1992; Варна, Болгария, 31 мая - 5 июня 1994; Протвино, Россия, 25-27 октября 1994; Варна. Болгария, 18-24 сентября 1995; Дубна, Россия, 19-21 декабря

1995; Созопол, Болгария, 30 сентября - 5 октября 1996), школах (Пи-аски, Польша, 18-28 августа 1993; Варна, Болгария, 12-18 сентября 1994), а также обсуждались на семинарах и научных конференциях Сухумского физико-технического института и Лаборатории высоких энергий ОИЯИ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели исследований, кратко изложено содержание всех глав, а также приведены положения, выносимые на защиту.

Первая глава основана на работах [1-10] и посвящена теоретическому и экспериментальному изучению рождения атомов водорода и электронов при обдирке ионов Н~ на внутренних корпускулярных и фотонных мишенях.

Максимальная точность соответствия угловых распределений ионов Н~ и атомов Н° в пучке с использованием корпускулярной внутренней мишени реализуется при её малой толщине, когда обдирка ионов происходит в результате однократных столкновений. Величина этой точности определяется шириной (G0 = 26^/2) на полувысоте угловых распределений 1{в) атомов Н" в элементарных актах их раждения. Экспериментальное изучение данных распределений проводилось с использованием различных газовых мишеней (Не, Ar, Кг, Хе, IIN2, СО2) в диапазоне энергий ионов Ец~ — 10 — 300 кэВ с дискретностью 10 кэВ. В соответствии с теорией при этих энергиях наиболее актуально получение хорошего согласия предсказанных распределений с экспериментом, а при последующем росте Ец~ справедлива аналогичная функциональная зависимость G0(En_). С учетом ожидаемых величин G0 эксперименты проводились при использовании ленточных пучков ионов Н~. Проведенные исследования по технике их формирования показали возможность получения достаточно малых геометрических и угловых размеров пучка по рабочей координате, в сочетании с необходимой для измерений интегральной интенсивностью потока ионов и пренебрежимо малой ролью пространственного заряда за счет больших геометрических размеров пучка по другой координате. В данной геометрии эксперимента угловые распределения атомов Н° измеряются сканированием их потока на пролетной базе Zs щелевым детектором параллельно плоскости пучка ионов, либо при использовании многоканальной координато-чувствительной системы регистрации. Результаты численного моделирования для аксиально симметричного

рассеяния, представленные в разделе 1.1, показывают, что регистрируемые распределения 1з(@з), где 9$ - у гол в направлении сканирования, могут значительно отличаться от 1(6). При этом степень проявления геометрии эксперимента существенно зависит от функциональных особенностей измеряемого углового распределения и это необходимо учитывать при обработке экспериментального материала. Данный геометрический фактор можно количественно характеризовать отношением '•'.ч 1/2/$1/2 = ^ ■ ГД0 2^.51/2 ~ ширина на полувысоте распределения /„(0»), зависящая от энергии ионов. В качестве примера полученных при численном моделировании результатов на рис.1 приведена зависимость Для распределения 1(9) ос [1 + (О/С)2}-*- (£ = 1,3/2) и геометрии проведенных экспериментов (а = 5 мм, Ь = 2 мм, Zs = КУ1 мм, а и 2, ц = 3 — 6, (Ту = 2-Ю-2 мм). При этой 2Ь - длина щелевого детектора, 2а и 2л/2оу - характерные геометрические размеры сечения ленточного пучка в области взаимодействия, ц и а - величины, характеризующие расходимость пучка в перпендикулярном и параллельном его плоскости направлениях соответственно.

3 о 2 5 2 С 1 5

1 С 0 5-

^ ^__^1/2{*1СГ5)рад

О 0 | М I I » ! I I I I I I м [ ] I [ | | | М | | | I I 1 I I |'| | I | | ; | ; ' | !

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

В разделе 1.2 приведены результаты экспериментов по обдирке ленточных пучков ионов Н~~ на газовых мишенях и изучен характер этого взаимодействия. С использованием представленных в предыдущем разделе зависимостей проведена обработка полученного экспериментального материала, результаты которой приведены на рис.2 зависимостью 1. Для сравнения представлена аппроксимация более ранних результатов (2 —► С0 <х Ец0^), полученных при обработке того же экспериментального материала без учета геометрии экспериментов. Там

IX =3

Рис.1. Зависимость К ОТ 0,1/2 для г'сом от р и и п р о ведя 11 -пых экспериментом ири а — 2 и различных значениях // и

же приведены теоретические (4,5,С - для различных мишеней) и экспериментальные (3 - Нч,Не,Аг,Ы\ ▲ - К) данные других авторов.

гии ионов для газовых иишеией Не, Лг, Кг, Хс, //2, N2, СОг и их аппроксимация зависимостью С„(£//_) = 310~2/у/&//Г[эВ] (1).

Различие в экспериментальных результатах подчеркивает важность выбора правильной методики обработки исходного материала с учетом геометрии. Основываясь на соотношении АЕа/Ец^ = (2-^2, 5)С0 для ширины на полувысоте распределений атомов Н° по энергии, полученная зависимость (?„(£?//_) = 3-1()~2/у/£'//_[эВ] может быть использована для задач диагностики пучков ионов Н~ по атомам Н° при £//_ > 10 кэВ.

В разделе 1.3 в рамках модели потенциала нулевого радиуса теоретически изучено влияние поляризации и мощности фотонной мишени на околопороговую обдирку быстрых ионов Н~. Рассмотрены каналы однофотонной и двухфотонной обдирки при энергии фотонов, превышающей однофотонный порог Для различных поляризаций излучения и углов пересечения потоков ионов и фотонов (;/) получены соответствующие сечения и детально изучены околопороговые парциальные распределения фотоэлектронов в пространстве поперечных импульсов (Рх, Ру) и по энергии (Ес) лабораторной системы отсчета. Примеры таких распределений представлены на рис.3,4. При этом масштаб импульсов нормирован на максимальные величины Р0 = у/2(ш — и Рои1 = \/2(2о; — £{) (в атомных единицах, | е |= % = те = 1), опре-

деляемые кинематикой однофотонной и двухфотонной обдирки ионов соответственно, а - угол между плоскостью поляризации фотонов и плоскостью их взаимодействия с ионами, и - энергия фотонов в система покоя иона. Для удобства сравнения распределений по энергии

Рис.3. Трехмерное представление нормированных распределении >леыропон н (1'г-/',,}■ прос I pane l ко при однофогошюй (а) и днух<1><>1 онпой (5) обдирке ионлн П~ с it = 0, ц — тс/Л.

используются безразмерные единицы XS = [Е,.— (у — 1)С2]/(0, lj/3Р0С) и = [Е, -(-;-! )С'2]/(0,17^РошС) для однофотонного и двухфотон-ного каналов соответственно (С - скорость света, 7 и /3 - релятивистские характеристики иона). Отношение статвесов полученных распределений в мишени с линейной (И7/') и круговой 0^') поляризацией при 0 < u) — et <С определяется соотношением

ж

(1)

цгЮ 8 ц.

3

(2) ±

4 х • Ь

КХ5)

1.00 -Г

(а)

) I м 11111111111 п и 1111ТП 111111111111 г | -10.00 -5.00 0.00 5.00 10.00

хэ

Кху/)

1.00

0.80

0.60

0.40

0.20

0.00

ттпт -10.00 -5.00

РИС.4. Нормированные собственные распределения электронов по энергии при однофотонной (а) и двухфо-тонной (б) обдирке ионов Н~ с 71 = тг/2 : а = зг/4 (•), а = 0 (+), неполяризованные фотоны (А) ; а = т/2, произвольное I) (*).

где 17 - плотность мощности мишени в системе покоя ионов в атомных единицах (1 а.е.= 6,436-Ю15 Вт/см2), а верхние индексы в скобках соответствуют числу поглощаемых фотонов в элементарном акте обдирки. В связи с тем, что при фотообдирке происходит двухчастичный развал иона /(1)'<2)(-)-, /(Х5)- и /(ХИ/)-распределения продуктов развала (электрон, атом водорода) имеют одинаковый вид. Рассчитанные в диссертации парциальные дифференциальные сечения и полученные аналитические выражения позволяют определять результирующие распределения электронов (атомов водорода) для различной мощности мишени и энергий фотонов в представляющей интерес околопороговой области. Для задач диагностики, изменением углов а и

77, предоставляется возможность эффективного управления процессом фотообдирки быстрых ионов Н~ на зондирующей фотонной мишени и реализации условий максимального соответствия распределений ионов, электронов и атомов водорода по представляющим интерес проекциям скорости.

В разделе 1.4 обоснована возможность экспериментального моделирования взаимодействия высокоэнергетических ионов Н~ с фольговыми мишенями на пучках более доступных низких энергий при аналогичных токовых характеристиках и том же безразмерном параметре взаимодействия При этом - сечение обдирки иона Н~ в раз-

личные квантовые состояния атома Н°, включая непрерывный спектр [см2]; t = 6-1023(/Л0 , £ и Л0 - толщина мишени [г/см2] и сё эффективное атомное число соответственно. Описаны схема и результаты проведенных экспериментов по пучково-фольговому взаимодействию при энергии ионов Н~ 2 и 7 МэВ, плотности тока пучка л* 20 мА/см2, длительности импульса ~ 20 мке и частоте 0,5 Гц. В экспериментах использовались плёнки из коллоксилина-{Сб#702(О#)(ОЛгО2)2}п толщиной 500-г2000 А и углеродная фольга толщиной 2 мкг/см2 (±15 %), нанесённые на металлическую сетку. На основе анализа зарядового состава пучка после углеродной фольги определены сечения обдирки ионов и ионизации рождающихся при этом атомов водорода (ош). Для энергий 2 и 7 МэВ эти сечения соответственно равны сг_ы = (1,00±0,16)-10-16 см2, <то1 = (4,0±^)-10-17 см2 и (г_и = (3,5 ± 0,б)-НГ17 см2, ам = ' (1,5±«$).10-17си2'.

В разделе 1.5 проведен сравнительный анализ максимальных точностей соответствия распределений ионов Н~: атомов Н" и электронов в пучке по энергии и углу при использовании различных внутренних мишеней. Показано существенное преимущество фотонных мишений.

Вторая глава основана на работах [9-20] и посвящена разработке методов невозмущающей диагностики пучков ионов и нейтральных частиц по электронам однофотонной обдирки.

В разделе 2.1 рассмотрено рождение этих электронов на фотонных мишенях различной поляризации. Для линейной поляризации фотонов в системе покоя ионизуемой неполяризованной частицы этот процесс описывается дифференциальным сечением

где Рг(£) = 0.5(3г2 — 1); (¿„¡(и) - полное сечение фотоионизации (фотообдирки) «/-подоболочки фотоном с энергией и>\ в^е- угол между на-

правлением вылета электрона и вектором поляризации фотона; ßa -параметр угловой асимметрии, зависящий от начального и конечного квантовых состояний электрона, матричного элемента перехода между ними, а также энергии поглощаемого фотона (—1 < ßa < 2). Для электронов с ß0 ~ —1,0 показано, что в большинстве случаев точность, с которой они повторяют энергию (в относительных единицах) и направление импульса ионизуемых частиц в лабораторной системе отсчета. определяется выражениями (ti = me = 1)

где Ес = Еп/М„; et, Еи и Ми - порог фотоионизации (фотообдирки), кинетическая энергия и масса ионизуемой частицы в атомных единицах соответственно. Выбор оптимально поляризованной фотонной мишени для случая Д, = — 1 лишь незначительно, например, в « 1,2 раза по энергии и « 1,4 разя по проекции импульса улучшает точность соответствия распределений по сравнению с величинами (3) и (4). Распределения электронов с Д, = 2 в пределах кинематически определяемых границ в пространстве поперечных импульсов и по энергии лабораторной системы отсчета совпадают с соответствующими распределениями при однофотонной обдирке ионов Н~, детально рассмотренных в разделе 1.3. Достигаемая при этом максимальная точность соответствия распределений на оптимально поляризованной фотонной мишени с той же величиной lû — et примерно в пять и восемь раз лучше по сравнению со значениями (3) и (4) соответственно.

В разделе 2.2 предложен и детально описан метод фотоэлектронной диагностики пучка (ФЭДП) отрицательных ионов, позволяющий получать информацию о его параметрах с: помощью зоддирующей фотонной мишени на прямолинейном участке канала транспортировки. Он основан на использовании электронов, рождающихся в результате однофотонной обдирки пренебрежимо малой части ионов пучка вблизи порога £t. При этом точность повторения характеристик пучка электронами и предельные возможности соответствующей диагностики определяются параметром угловой асимметрии Д, (см. раздел 2.1). При формировании фотонной мишени лазерным излучением минимальная величина и> — st, которую можно реализовать для пучка ионов, определяется в основном разбросом по величине (Ар) и направлению (A0t) их скорости и выбирается такой, чтобы сечение околопороговой фотообдирки a(cj) <х (со — £■{)' (q= 3/2 и 1/2 для электронов в начальном s-

AEJEe « 2ß1^2(iü-et)/C(1 - 1);

(3)

(4)

А6е [рад] « 2^2(и> - et)hßC\

и р- квантовых состояниях соответственно) было одинаковым для всех ионов

(а; - £t)min > q-ywa{\ Д/3[/?( 1 - f3cosi])f2 - cost?] | +

Ч-^sinf/ J Д6>,- |}. И

Получены аналитические выражения для плотности мощности мишени, при которой информация о параметрах пучка,переносимая используемыми электронами заметно искажается (7T|mai) или полностью "стирается" (/7]гг) из-за двухфотошгой обдирки ионов. В последнем случае точность измерения характеристик пучка по электронам фотообдирки ограничена величинами, определяемыми из соответствующих выражений при замене lü — e¡ на st.

В разделе 2.3 описаны предложенные и разработанные устройства для невозмущающей ФЭДП в области высоких (0,14-1 ГэВ/нуклон) и средних (10-1-100 МэВ/нуклон) энергий отрицательных ионов. На рис.5 приведена схема многофункционального устройства для диагностики пучка высокоэнергетических ионов Н~ на выходе линейных ускорителей мезонных фабрик (например, 160 и 600 МзВ для МЕГАН, г.Троицк). Вывод электронов фотообдирки из пучка ионов и анализ переносимой ими информации осуществляется одним неподвижным магнитным элементом с однородным полем (МА), до и после которого расположены корректирующие магниты Л/1 и М2.

Измерение энергетического спектра и продольного эмиттанса пучка ионов осуществляется по известной для магнитных анализаторов схеме (рис.5а), п которой вместо диафрагмирующей щели с помощью лазерного излучения формируется ленточная в плоскости XZ фотонная мишень О с требуемой пространственной локализацией AY по оси Y. Спектр ионов по энергии или импульсу восстанавливается по измеренному на детекторе D, \ пространственному распределению плотности потока электронов вдоль оси Y,¡ с учетом пространственного разрешения (d) детектора. Электроны с требуемыми для фазового анализа импульсами достаточно оперативно выделяются диафрагмой D при изменении знака и величины магнитного поля. Продольный эмиттанс пучка ионов определяется по совокупности пространственных распределений выделенных электронов на детекторе Dc2 после устройства фазовой развёртки (С DP).

При работе устройства по схеме представленной на рис.56, в плоскостях параллельных YZ с помощью диафрагмирующих щелей Dn формируется одна, перемещаемая вдоль оси X, или несколько неподвижных ленточных фотонных мишеней с требуемой для измерений

Рис.5. Схема многофункционального устройства для невоз-мущающей фотоэлектронной диагностики пучка отрицательных ионов высокой энергии.

пространственной локализацией АХ. В последнем случае допустимое расстояние 6Х между мишенями определяется условием перекрытия распределений электронов от них на детекторе De\. Данное расположение мишеней в пространстве сводит к минимуму взаимное влияние углового и энергетического спектров электронов на их распределение вдоль оси Xd в фокальной плоскости анализатора. В соответствии с результатами численного моделирования распределение ионов в (Х'А')-фазовой плоскости, Х- профиль пучка и его поперечный эмиттанс определяются с помощью соотношения

Xi = А - X -{- В ■ X'] (6)

по измеренным вдоль оси Xd пространственным распределениям потоков электронов при контролируемых характеристиках фотонных мишеней (определяющих вероятность рождения электрона), их угловой ориентации и положения в пространстве по оси X. Данный контроль осуществляется n-канальным щелевым детектором D.,n, где п - число формирующих диафрагм. Параметры А и Б в выражении (6) определяются характеристиками анализатора (его геометрией, юстировкой, краевыми полями) и могут быть измерены, например, в контрольных экспериментах с тестовым электронным пучком.

Проектные характеристики устройства (d ~ АХ та AY та 0. 1 мм, ёХ = 1, 5 мм, R = 200 мм, А = 1, D = 0,072 см/мрад), а также точности пространственно-угловой юстировки фотонных мишеней (< 0,1 мм, < 3 мрад), стабильности и контроля магнитного поля анализатора (5Н/Н < 3-Ю-4 при Н = 110 Э) сориентированы на диагностику сильноточного пучка ионов Н~~ (та 50 мА) на ускорителе МЕГАН с достаточной точностью. Необходимая для измерений точность соответствия распределений ионов Н~, например, при энергии 600 МэВ и электронов их фотообдирки АХ' та 5 ■ Ю-5 рад и АЕе/Ее та 3 • 10-2% достигается на оптимально поляризованных фотонных мишенях (см. раздел 2.2) при tj ~ 41 ±0.5", которые формируются диафрагмированием излучения Nd : ИАГ лазера (w0= 1,17 эВ). Специальное электронное устройство включает лазер согласованно с пучком ионов во времени и обеспечивает перекрытие импульсов на участке практически постоянной мощности излучения. Оперативность диагностики зависит от измеряемого параметра и мощности сформированных фотонных мишеней. В частности, для разработанного лазера (1у|/ та 20 -г 30 кВт/см2, т7 = 250 -г 500 мке, jy — 1/5 Гц) измерение спектра ионов по энергии (импульсу) или их распределения в (Х'А)-фазовой плоскости может

быть реализовано за время <10 икс. При включении детектора на данное время, со сдвигом относительно начала импульса пучка (т, « 100 мне) при последовательных измерениях, предоставляется возможность прослеживать изменение данных параметров вдоль импульса за время порядка минуты (10 импульсов мишени). Информация о распределении ионов в продольном (ДР-/Р,-, Ф)-фазовом пространстве может быть получена за время ~ 8 минут (~ 100 импульсов лазера) на мишени, обесйечцвающей рождение электронов с <5Ф ~ ±1°. При этом потоком фоновых электронов от обдирки ионов на остаточном газе можно пренебречь при включении детектора на время существования фотонной мишени. Относительные потери ионов, пролетающих через область мишени при измерениях, оцениваются величиной «2-10~6.

Другой вариант устройства с неоднородным магнитным полем (Я сс 1 /г) разработан и изготовлен для апробации предложенного метода диагностики и оптимизации работы отдельных, общих для обеих устройств, элементов (включая систему синхронизации лазерной мишени с пучком во времени) на пучке ионов Н~ с энергией 7 МэВ из ускорителя Сухумского физико-технического института.

В разделе 2.4 рассмотрено влияние поля пучка отрицательных ионов на информацию о его характеристиках, переносимую электронами обдирки после зондирующей внутренней мишени. В модели бесконечного цилиндра с равномерно распределённым по сечению током J, рассчитаны возмущения компонент импульса электронов при их выводе из пучка 180" магнитным анализатором с однородным полем. Показано, что в используемых на рис.5 обозначениях интегральные возмущения по углу и относительному импульсу электронов на детекторе определяются выражениями

где Рх1тах - максимальное значение функции Рг (У)=(2 е ■ 1, / С'2) • Лг0 - Р ■ [Р1(У)//32 —Р2(У)] для координат рождения электрона в пучке {Х0, У„), те - масса электрона, Р,(У) - графические функции, зависящие от параметров Х0, У0 и Р, выраженных (как и переменная У) в относительных единицах к радиусу пучка (г = 1 4- 4). Проведенные численные расчеты, например, для релятивистских ионов с /3 =.0,79 (Ец_ = 600 МэВ) показали, что возмущения на уровне ¿Х!6 и 2-10-4

ЬХ\ь = Рх[ти(Х0, Y0)/yf3meC ,

(7)

2Я+У„

рад и ¿Р/Р |а~ 2-10 4 возникают при токах пучка I, и 400 мА (7?.=40), 550 мА (i2—20) и « 200 мА (Д=40), 300 мА (Я=20) соответственно.

В разделе 2.5 предложен и теоретически обоснован метод диагностики пучка высокоэнергетических ионов, d котором информация о его параметрах выводится с помощью быстрых нейтральных частиц, образующихся в определённых квантовых состояниях при взаимодействии ионов с внутренней мишенью на участке поворота канала транспортировки пучка. Мишень формируется таким образом, чтобы данные частицы повторяли скорость ионов по величине и направлению с требуемыми для измерений точностями. Параметры пучка определяются в удобном месте за пределами канала транспортировки по электронам, образующимся в результате околопороговой избирательной фотоионизации используемого квантового состояния быстрых нейтральных частиц. Для этого может быть использовано, например, приведенное на рис:. 5 компактное многофункциональное устройство. Рассмотрены возможности такой диагностики на участке перезарядной Н~ —* Н+ инжекции в накопительное кольцо мезонных фабрик. Показано, что при выводе информации о параметрах пучка ионов Н~ с энергией > 600 МэВ с помощью быстрых атомов Н° в метастабилыюм 2*-квантовом состоянии может быть достигнута точность соответствия распределений электронов и ионов < 10~2 % по энергии и < 3-рад по угловой координате.

Для разработанного и описанного выше диагностического устройства в разделе 2.G предложен проект и проведены расчеты управляемого радиационно стойкого детектора пространственного распределения импульсного потока релятивистских электронов. Схема детектора

Рис.6.

('хема радиационно стойкого детектора пространственного распределения импульсного потока быстрых электронов. Ag-тонкий слой серебра; 1 - приёмная пластина ил активного (1А) и пассивного (IP) слоев; 1К - полупрозрачный электрод; 2,4 - оптоволоконные жгуты; 3 - усилитель изображения; 5 - ПЗС-матрица.

представлена на рис.6. Его активный слой 1А из СаАн формирует оптическое изображение проникающего электронного потока с требуемой пространственной точностью. Пассивный слой 1Р в виде оптоволоконной шайбы из аморфного полупроводника СаР выполняет роль поглотителя прошедших электронов, пропускающего без искажения световой поток от арсенида галлия. Тонкий слой серебра и полупрозрачный электрод 1Е из СаА.ч служат для релаксации радиационного заряда в конверторе 1, улучшения светосбора формируемого оптического изображения и поглощения фонового излучения пассивного слоя. Пространственное распределение потока фотонов от конвертора через кварцевые оптоволоконные жгуты 2 и 4, а также управляемый усилитель изображения 3 на основе микроканальных пластин регистрируется ПЗС-матрицей. Проведен анализ работы элементов детектора в условиях гамма-нейтронной радиации от сильноточного ускорителя ме-зонных фабрик. Показано, что для проектных параметров линейного ускорителя МЕГАН пространственное распределение импульсного потока релятивистских электронов с ожидаемой интенсивностью ~ 10й см-2с-1 может быть измерено с разрешением 100 Ч- 150 мкм за время и Ю-5 с. Ресурс предложенного детектора в соответствующих радиационных условиях оценивается в « 8-103 часов непрерывной работы.

В разделе 2.7 предложены метод и устройство для невозмущаю-щей диагностики сильноточного пучка нейтральных частиц малой энергии (десятки-гсотни килоэлектронвольт для атомов водорода и дейтерия) по электронам избирательной фотоионизации определённого квантового состояния (например, Н(2в), В(2з)). Работа устройства основана на измерении величин (Ре\, Рсп) и разброса (АРС\, ДРС2) импульсов электронов, вылетающих практически в одной плоскости из области фотоионизации с малыми геометрическими размерами и под двумя различными углами (61,62) относительно оси пучка. При этом сканирование пучка по сечению осуществляется перемещением фокуса лазерного излучения вместе с анализаторами в пространстве. Распределение частиц по импульсу, сечению и в поперечном фазовом пространстве определяется с помощью выражений

ЛР0/Р0 М! • Д/е(02) - гдвг • Л/е(^)|/(^! - 1дв2) |, (9)

&90 [Д/е(6>2) - Д/е^)]/^! - гдвг) I, (10)

где Д/е(0) = [ДРе1(б) + ДРе2(в)]/[Ре1(в) + Ре2(0)], Р0 = Ма ■ [Ре1(0) + Ре2(0)]/(те2соз$) - средний импульс налетающих частиц, в = В\ или #2, #2 < < агс8т[М0у2те(ш — еп)/теР0], еп - порог фотоионизации

для используемого квантового состояния, М0 - масса нейтральной частицы. Рассмотрены возможности устройства при его использовании на сильноточном пучке атомов водорода для нагрева плазмы в токомаках (например, Е0 = 400 кэВ, ]0 и 1 А/см2) и формировании зондирующей мишени с помощью излучения четвёртой гармоники А^]+3:ИАГ лазера. В этом случае, при частоте включения лазера порядка десяти герц и импульсной мощности излучения « 6 МВт, подробная информация о характеристиках пучка может быть получена за время его квазинепрерывного импульса (несколько секунд).

Третья глава основана на работах [21-25] и посвящена разработке корреляционного метода невозмущающей диагностики пучков ионов.

Физические основы предложенного метода изложены в разделе 3.1. При этом используется такое взаимодействие пренебрежимо малой части ионов с тонкой внутренней мишенью, при котором рождаются вторичные информационные (ИН) частицы, имеющие практически идентичный спектр по величине и направлению скорости и допускающие их избирательную регистрацию без воздействия на пучок. При измерении взаимной корреляционной функции между потоками частиц или фотонов зондирующей мишени, псевдослучайно модулированной во времени, и рождающихся на ней ИН-частиц, регистрируемых на пролетной базе, определяется времяпролётный спектр (распределение по энергии) ионов в выделенном направлении. Показано, что относительный анализ этих функций при различных положениях мишени в пучке и направлениях регистрации ИН-частиц позволяет получить распределение ионов в поперечном фазовом пространстве.

В разделе 3.2 проведен анализ необходимой элементной базы устройства для корреляционных измерений параметров пучка ионов. Рассмотрены возможности формирования внутренней мишени в виде физического генератора "белого" шума частиц или фотонов. Для пучков отрицательных и ряда положительных молекулярных ионов (например, Св2 , /¿"з", N4%, Хе~2, Не2, Кг^ и др.), допускающих фоторасщепление на зондирующей фотонной мишени, для этих целей можно использовать излучение некоторых твердотельных лазеров с большой шириной линии перехода в многомодовом статистически независимом режиме усиления. В частности, ширина автокорреляционной функции ЛГ^+3:ИАГ лазера в пределах пика свободной генерации достигает величины < 50 пс. Показано, что для высокочастотного детектирования пространственно распределенного потока заряженных или нейтраль-

ных ИН-частиц можно использовать детекторы на основе микроканальных пластин. Рассмотрены характеристики известных устройств для измерения взаимной корреляционной функции оптических и электрических сигналов. Отмечается, что при переходе к многоканальным измерениям возникает необходимость в создании более компактных систем быстродействующих коррелометров для диагностического устройства.

В разделе 3.3 на примере ионов Н~ предложено устройство для реализации невозмущающих корреляционных измерений параметров пучка в источнике. Схема устройства приведена на рис.7. Одна перемещающаяся по оси У или несколько стационарных зондирующих фотонных мишеней с псевдослучайной последовательностью импульсов во времени (рис. 76) формируются в начале поворотного участка на выходе источника диафрагмированием поляризованного излучения от Nd+3 :ИАГ лазера (А та 10600А) в режиме свободной генерации. Тестовые Н° атомы рождаются в результате фотообдирки пренебрежимо малой части ионов Н~ и повторяют величину (в отн.сд.) и направление (в рад) их скорости с точностью < в-Ю-4^,"0,где - энергия ионов в килоэлектронвольтах. Взаимные корреляционные функции

измеряются между потоками фотонов Ц от л-ой нитевидной мишени (з = 1,...,«) и соответствующими ей усиленными электрическими сигналами 1° от <7-ой ламели (д = 1,.. ,,тп) анодной системы детектора атомов Н° {0'1Ч) на основе микроканальных пластин. Коррелометры

X

Рис.7. Схема устройства для невозмущающих корреляционных измерений параметров пучка ионов Н~ в источнике.

(В8?) с временным интегрированием на приборах с зарядовой связью (ПЗС) состоят из модуляторной и детекторной линеек (рис.7в). ПЗС линейка 1 на основе СаАв, в которой каждый третий электрод затвора полупрозрачен, выполняет роль пространственного модулятора падающей на неё части лазерного излучения, распространяющейся в волно-водном режиме под электродами затворов параллельно их поверхности. При этом пространственное распределение зарядов, соответствующее дискретному во времени представлению формы входного токового сигнала изменяет коэффициент пропускания ячеек из-за эффекта электропоглощения фотонов. Модулированное таким образом лазерное излучение 2 регистрируется кремниевой ПЗС линейкой 3. Пространственное распределение заряда, накопленного в сё ячейках за время измерения, представляет корреляционную функцию которую можно затем считать и перевести в масштаб времени при известной скорости переноса заряда вдоль модуляторной ПЗС линейки. Для конкретного типа сильноточного источника показано, что данное устройство позволяет осувгествлять невозмущающее измерение распределения ионов Н~ по энергии и в поперечном фазовом пространстве (УУ) за время и 100 не и в нужный момент в пределах одного импульса пучка.

Четвёртая глава основана на работах [26 30] и посвящена исследованиям по использованию светового излучения корпускулярных мишеней для невозмущающей диагностики пучка ионов Н~ и ВЧ-поля ускоряющих структур линейного ускорителя.

В разделе 4.1 изучена природа светового излучения внутренних газовых мишеней Не, Н2 и N2 под воздействием пучка таких слабосвязанных частиц, как ионы Н~. Эксперименты проводились при энергии ионов 2 МэВ, импульсном токе пучка < 30 мА и давлении рабочих газов < 10"' Тор. С помощью оптики изображение светящейся области канала транспортировки пучка проецировалось на торец многоканальной (по поперечной координате) световолоконной сборки, каждый канал которой заканчивался своим ФЭУ с усилителем. В проведенных экспериментах показано, что при локальном напуске газа в канал транспортировки пучка и пренебрежимых потерях ионов из-за их обдирки, получаемые токовые сигналы с ФЭУ и распределение их амплитуд по каналам световолоконной сборки адекватно отражают изменение тока пучка во времени и перераспределение по сечению, смещение пучка в поперечном направлении, а также позволяют с высокой чувствительностью фиксировать попадание незначительной части ионов на стенку вакуумной камеры. С учетом полученных результатов предложено ис-

пользовать данное световое излучение для оперативного контроля потерь ионов и оптимального согласования отдельных участков ускорительного тракта с малой энергией пучка.

Предложен высокочувствительный профилометр пучка с одновременной регистрацией излучения от отдельных слоев просматриваемой области пространства.

В разделе 4.2 экспериментально исследованы особенности возбуждения Не, Щ и N2 ионами Н~. Показано, что при той же зависимости от энергии в диапазоне 100 кэВ Ч- 2 МэВ отношение сечений излучения этих газов при взаимодействии с ионами Н~ и протонами близко к трем.

РиС.8. Зависимость интенсивности светового сигнала (/7 [отн.ед]) от ВЧ- мощности (1}а [отн.ед]) в резонаторах с ПОКФ (а) и ППКФ (б) для различных материалов стенки вакуумной камеры в области регистрации излучения (• - нержавеющая сталь, о - стенка покрыта аквадагом)

В разделе 4.3 изучена природа светового излучения на выходе ненагруженных пучком ВЧ-резонаторов линейного ускорителя с пространственно-однородной (ПОКФ) и пространственно-периодической (ППКФ) квадрупольными фокусировками. Показана сильная зависи-

мость интенсивности излучения от величины ВЧ-поля в них (см. рис.8), материала вакуумной камеры за апертурой резонаторов и независимость этой интенсивности от вакуумных условий в широком диапазоне изменения давления. Данное излучение генерируется электронами автоэмиссии на электродах, выходящими через апертуру резонатора, и может быть использовано для невозмущающего контроля ВЧ-мощности в нем в реальном масштабе времени, а также периодического тестирования стабильности параметров пучка.

Пятая глава основана на работах [31-44] и посвящена изучению, диагностике и оптимизации взаимодействия пучка ядер с внутренними мишенями в синхротронах на примере нуклотрона.

В разделе 5.1 теоретически исследованы особенности взаимодействия ядер с внутренними мишенями в синхротронах. С учетом диффузионных процессов в пучке при многократном прохождении мишени, неупругого ядерного взаимодействия, а также резерфордовского и дифракционного ядерного рассеяния на большие углы (превышающие угловой аксептанс ускорителя на участке локализации мишени) разработан алгоритм расчета усредненных за время цикла светимостей, времени жизни циркулирующего пучка (Т&), а также роста его продольного и поперечных эмиттансов. Конкретные графические зависимости получены для пучков релятивистских ядер нуклотрона и показана важная роль диффузионных процессов л них. Некоторые результаты расчетов представлены на рис.9,10.

Рис. 9. Максимальные величины усредненных за время цикла (7,с=10с) удельных светимостей (Ьс/К, - начальное число частиц на орбите) для различных внутренних мишеней (А») и пучков ядер на нуклотроне

(--1 А-ГэВ,

— 6 А-ГэВ). Кривые 1 и 2 получены без учета диффузионных потерь пучка дейтронов с энергией 1 А-ГэВ и 6 А-ГэВ соответственно.

Ть-t,

-7

Рис.10. Зависимость функции [с-г/см2]

от массового числа мишени Аа и её тошцииы 1д для различных пучков

ядер на нуклотроне (--

1 А-ГэВ, — 6 А-ГэВ). Кривые 1 и 2 получены для аналогичных рис.9 условий.

Ао

250

В разделе 5.2 описаны станция внутренних мишеней, используемая в физических экспериментах на нуклотроне, её электронное и програмное обеспечение. Управление станцией осуществляется дистанционно с помощью персонального компьютера IBM PC и основано на оперативном представлении информации о цикле магнитного поля, характеристиках пучка и расположении мишеней относительно него на экране монитора. Необходимая пространственно-временная траектория выбранной мишени по отношению к пучку, во временной шкале работы ускорителя, определяется оператором с: помощью мыши и отрабатывается шаговым двигателем. Взаимодействие; пучка с мишенью во времени контролируется по световому излучению материала мишени под воздействием ионов.

Раздел 5.3 посвящен использованию светового излучения фольговых (СН'2,С'и,Аи) и нитевидных (С) мишеней для оперативного контроля относительной светимости во времени и пространственных характеристик циркулирующего пучка дейтронов в физических экспериментах с этими мишенями на нуклотроне. Приведены примеры полученной с помощью ФЭУ текущей информации о высокочастотной структур«' пучка (рис.11), а также временной растяжке взаимодействия, соответствующей длительности его циркуляции (0.3 -г 0. 5 с). Показано, что в случае N-образной внутренней мишени из углеродных нитей (1,2,3 на рис.12) можно определять поперечные размеры пучка и его положение в горизонтальном и вертикальном направлениях за один цикл работы ускорителя. В этом случае, известное расстояние (Lc) между вертикальными нитями 1 и 3 даёт масштаб для определения горизонтального размера пучка независимо от скорости (\гг) равномерного перемещения

Рис.11. Микроструктура взаимодействии пучка дейтронов с СЛ2-мишеныо толщиной 1,6 мкм при энергии 1,3 ГэВ/нуклоц на различных стадиях работы нуклотрона:

(а) - начало цикла ускорения,

(б) - выход на плато магнитного поля, (в) - циркуляция ускоренного пучка при выключенном ВЧ-поле (диссипация сгустков). Регистрируется световое излучение мишени.

2 3 4

Время, мне

мишени. В предположении, что геометрическое сечение пучка имеет форму канонического эллипса, по известному углу а между нитями 1, 3 и 2, а также по измеренному значению П.Ьх можно определить характерный вертикальный размер пучка

ПЬ: = КЬх ■ ада^(Ь2/2Щху - 1 . (И)

В данном выражении величина ¿2 равна пространственной ширине на полувысоте распределения 2 при скорости мишени, когда амплитуды и ширины сигналов 1 и 3 близки по величине. По измеренным ширинам пучка на полувысоте распределений в горизонтальной {2ЩХ « 4 мм) и вертикальной 2~ 6 мм) плоскостях получены следующие оценки для поперечных эмигтансов циркулирующего пучка дейтронов на ну-клотроне при энергии 1,6 ГэВ/нуклон: ех(г/ = 3) « 3 мм-мрад, е2(г/ = 3) « 7 мм-мрад.

^Х [отн.ед]

РиС.12. Схема горизонтального перемещения Ы-образной внутренней мишени из углеродных нитей (0= 10 мкм) и интенсивность их излучения (./V-,) во времени.

0.0 —4 i i i't |Ш'| i'i П |Vn i i'iV|

0 100 200 300 400 500

b-

2Rb,/Vr

Отмечена целесообразность использования подобных N-образных внутренних мишеней при настройке режимов работы ускорителя и оперативного контроля характеристик пучка во время сеанса.

В разделе 5.4 отмечено успешное проведение первых физических экспериментов с использованием внутренних мишеней на нуклотроне в диапазоне энергий дейтронов 100 А-МэВ Ч- 2,5 А-ГэВ. При этом регистрировались 7-кванты, 7Г- и подпороговые Л'-мезоны, а также различные ядерные фрагменты от протонов до изотопов Не и показана перспективность изучения переходных режимов от протон-нейтронного к кварк-глюонному состояниям ядерной материи на циркулирующих пучках ядер этого нового сверхпроводящего ускорителя. В качестве примера приведены новые результаты по кумулятивному рождению протонов в области фрагментации ядра углерода, полученные в рамках коллаборации СФЕРА при разных энергиях дейтронов и внутренней полиэтиленовой мишени. Рассмотрены возможности расширения проводимых исследований с циркулирующими пучками на область нейтронной физики. Проведены расчеты удельного выхода нейтронов (In/N0) для различных внутренних мишеней и энергий ядер d и а на нуклотроне. Отмечено, что представленные на рис.13 результаты и достигну-

тые интенсивности циркулирующих дейтронов ~ (1 -4- 5) • 109 за цикл позволяют рассчитывать на получение недостающей в настоящее время экспериментальной информации по энергетическим и угловым распределениям, а также средней множественности нейтронов, рождающихся при внутриядерных каскадах и послекаскадной эволюции ядер мишени.

10»

Ю-'

10-2

10-з

; 1 -Г- ' 1 -1— » 1 » —р-»

1

%

%

V

50

100 150 Ао

200

Рис.13. Зависимость удельного выхода нейтронов (/„/Лд за цикл работы нуклотрона (Тс— 10 с) от массового числа мишени (Л„) при её взаимодействии с циркулирующим пучком (1- и о-частиц разных энергий (1 -> 100 А-МэВ, 2 -+ 500 А-МэВ, 3 -> 1000 А-МэВ).

250

В заключении подведен краткий итог и проанализированы результаты проведенных исследований по взаимодействию ионов с внутренними мишенями на ускорителях, а также дана оценка предложенных и разработанных методов невозмущающей диагностики пучков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

РАБОТЫ

Проведенные в диссертации исследования охватывают широкий круг задач по технике физического эксперимента, связанных с взаимодействием ионов с внутренними корпускулярными и фотонными мишенями в линейных и циклических ускорителях. Рассмотрены некоторые аспекты этого взаимодействия в широком диапазоне энергий ионов от десятков килоэлектронвольт до релятивистских. Большое внимание уделено детальному теоретическому и экспериментальному изучению ряда элементарных процессов для целей оперативной и невозмущающей диагностики пучков отрицательных и некоторых молекулярных положительных ионов, а также нейтральных частиц. Важное место отведено разработке новых методов диагностики и устройств для их реализации, отдельным вопросам оптимального формирования и транспортировки

пучков, а также проведения физических экспериментов с использованием внутренних мишеней и пучков ядер в синхротронах на примере нуклотрона.

Научная нопизна и практическая ценность представленных результатов исследований определяется прежде всего их связью с современными разработками по использованию сильноточных пучков ионов для высокоинтенсивных импульсных источников нейтронов, решения, термоядерных проблем, электроядерного способа получения энергии и трансмутации радиоактивных отходов, передачи энергии на большие расстояния пучками частиц, а также использованием полученных результатов при оптимизации работы нового сверхпроводящего ускорителя релятивистских ядер - нуклотрона, планировании и проведении на нём физических экспериментов с использованием внутренних мишеней. Разработанная станция внутренних мишеней и многофункциональная система сё управления на основе персонального компьютера предоставляет возможность проведения широкого класса экпе-риментов не только на нуклотроне, но и в будущем на его бустере. Большинство научных результатов, представленных в диссертации, получено впервые. К ним относятся :

экспериментально измеренные угловые распределения атомов водорода в элементарных актах обдирки ионов Н~ разных энергий на корпускулярных мишенях;

сечения обдирки ст_к) и сто1 на углероде для Н~ и Н" частиц с энергией 2 и 7 МэВ;

— близкое к трем отношение сечений возбуждения Не, Нч и N2 быстрыми ионами Н~ и протонами в диапазоне энергий 100 кэВ Ч- 2 МэВ;

— теоретически исследованные поляризационные эффекты в дифференциальных сечениях электронов в лабораторной системе отсчета при околопороговой обдирке ионов Н~ лазерным излучением, а также при рождении электронов с параметрами угловой асимметрии [1„= -1, 2;

— расчеты сечений двухфогонной обдирки ионов Н~ в области энергий фотонов превышающей однофотонный порог.

К новым результатам по технике физического эксперимента относятся:

— исследование фактора геометрии экспериментов при изучении рассеяния ионов на малые углы с использованием ленточных пучков;

— расчеты влияния тока пучка отрицательных ионов на точность его диагностики по электронам обдирки;

— проект и расчеты управляемого детектора пространственного рас-

пределения импульсного потока релятивистских электронов с разрешением 100-^150 мкм и высоким ресурсом работы в радиационных условиях сильноточных ускорителей;

— измерение пространственных характеристик циркулирующего пучка релятивистских дейтронов, оперативный контроль его структуры и светимости во времени с помощью светового излучения фольговых и нитевидных мишеней, используемых в физических экспериментах на нукло-троне;

— расчеты светимостей, времени жизни пучка ядер и интенсивности генерации быстрых нейтронов на нуклотроне при использовании внутренних мишеней.

Обнаружено световое излучение на выходе ненагруженных пучком ВЧ-резонаторов линейного ускорителя, изучена его природа и даны предложения по использованию в экспериментальной технике.

Результаты части проведенных исследований легли в основу разработок метода диагностики пучков отрицательных ионов по электронам фотообдирки, корреляционного метода невозмущающего определения параметров пучка ионов, а также метода диагностики пучков отрицательных и положительных ионов по электронам фотообдирки промежуточных быстрых нейтральных частиц. Новизна данных методов диагностики подтверждена тремя авторскими свидетельствами на изобретение. Предложены и разработаны новые типы компактных многофункциональных диагностических устройств, которые могут найти применение при проведении экспериментов на различных существующих и проектируемых ускорителях ионов. Некоторые из них применялись в Сухумском физико-техническом институте;, а многофункциональное устройство с лазерным зондированием пучка ионов Н~ высокой энергии разработано для линейного ускорителя МЕГАН Института ядерных исследований РАН (г. Троицк). Наибольшая эффективность этих устройств, а также преимущества предложенных методов невозму-щающей диагностки пучков ожидаются при их использовании на разрабатываемых в различных центрах сильноточных ускорителях ионов Н~ для прикладных задач.

Подведем краткий итог проведенных исследований.

1) В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований решено ряд методических задач по технике физического эксперимента, позволивших получить новую информацию о взаимодействии ионов с внутренними мишенями на ускорителях, а также осу-

ществлять оптимизацию и оперативный контроль этого взаимодействия при проведении экспериментов по ядерной физике на циркулирующем пучке нуклотрона. На основе регистрации продуктов взаимодействия ионов с различными зондирующими мишенями предложены и разработаны новые методы и многофункциональные устройства для невоз-мугцающего контроля различных характеристик пучка с точностями, быстродействием и ресурсом работы в условиях существующих и проектируемых сильноточных ускорителей ионов, недоступных для традиционных методов диагностики.

2) В экспериментах по рассеянию ионов на малые углы (Ю-5 4-10"'1 рад) впервые использованы ленточные пучки. Численным моделированием показано, что степень влияния данной геометрии эксперимента существенно зависит от функционального вида измеряемого углового дифференциального сечения в элементарном акте взаимодействия. При обработке полученного экспериментального материала по обдирке ионов Н~ на различных газовых мишенях учтены результаты моделирования и показано, что максимальная точность соответствия угловых распределений ионов и атомов Н° в пучке с энергией ¿?н- > Ю кэВ определяется выражением (70 [рад]= 3-10_2/л/£'//_[кэВ]. С учетом соотношения АЕ0/Е[1_ = (24-2, 5)•£?<, для ширины на полувысоте распределения атомов Н° по энергии полученная зависимость (70(1?я-) может быть использована для задач диагностики пучков ионов Н~ по атомам Н°.

3) Теоретически изучено влияние поляризации и мощности фотонной мишени на обдирку быстрых ионов Н~ вблизи однофотонного порога. Показано, что подбором мощности, пространственной ориентации импульса и поляризации фотонов можно реализовать условия передачи необходимой информации о пучке быстрым электронам или атомам водорода с максимальной точностью. Эти точности значительно выше достигаемых на корпускулярных мишенях.

4) Обоснована возможность экспериментального моделирования взаимодействия высокоэнергетических ионов Н~ с фольговыми мишенями на пучках более доступных низких энергий, при том же безразмерном параметре взаимодействия и аналогичных токовых характеристиках. В экспериментах с углеродной фольгой при энергиях 2 и 7 МэВ измерены сечения обдирки ионов и ионизации атомов водорода.

5) Предложен и разработан метод невозмущающей диагностики пучка отрицательных ионов по электронам фотообдирки (ФЭДП) и исследованы его предельные возможности. С ориентацией на ионы Н~ разработаны устройства для реализации метода в линейных ускорителях с энергией пучка от порядка десяти МэВ до релятивистской. Рассмотрено влияние поля пучка отрицательных ионов на достигаемую точность измерений. Показано, что предложенный метод ФЭДП может быть с успехом использован для релятивистских пучков ионов Н~ с током в сотни миллиампер, например, в проектируемых источниках нейтронов на основе линейных ускорителей. Предложен проект и проведены расчеты детектора пространственного распределения импульсного потока быстрых электронов с разрешением 100-=-150 мкм для разработанных диагностических устройств и высоким ресурсом работы в радиационных условиях сильноточного пучка ионов.

6) Предложены и теоретически обоснованы метод диагностики пучка ионов по электронам фотоионизации промежуточных быстрых нейтральных частиц, рождающихся на зондирующей внутренней мишени в различных квантовых состояниях, и устройство для реализации метода на участке перезарядной инжекции или поворотах канала транспортировки ионов Н~ высокой энергии.

7) Предложены метод и устройство для невозмущающей диагно-- стики сильноточного пучка нейтральных частиц малой энергии

(десятки -г сотни кэВ на нуклон) по электронам избирательной фотоионизации определенного квантового состояния.

8) Экспериментально изучено световое излучение газовых мишеней под воздействием ионов Н~. Показано, что в диапазоне энергий 100 кэВ ч- 2 МэВ отношение сечений излучения Не, Нч и Л^ при взаимодействии с ионами Н~ и протонами близко к трем. Разработано устройство и продемонстрированы его возможности при диагностике пучка ионов с энергией 2 МэВ по световому излучению в канале транспортировки. Предложен профиллометр пучка с регистрацией светового излучения остаточного газа или пространственно локализованной газовой мишени.

9) Предложены и теоретически обоснованы корреляционный ме-

тод невозмущающей диагностики пучка ионов и устройство для его реализации в источниках Н~, других отрицательных и некоторых положительных молекулярных ионов.

10) Изучена природа светового излучения на выходе ненагружен-ных пучком ВЧ-резонаторов линейного ускорителя. Показана сильная зависимость интенсивности излучения от величины ВЧ-поля в них, материала вакуумной камеры за апертурой резонаторов и независимость этой интенсивности от вакуумных условий в широком диапазоне изменения давления. Данное излучение генерируется электронами автоэмиссии на электродах, выходящими через апертуру резонатора, и может быть использовано для невозмущающего контроля ВЧ-мощности в нем в реальном масштабе времени, а также периодического тестирования стабильности параметров пучка.

11) Теоретически исследована эволюция параметров пучка ядер и проведен расчет светимоетей при его взаимодействии с различными внутренними мишенями на нуклотроне.

12) Разработана и изготовлена станция внутренних мишеней, позволяющая проводить широкий класс экспериментов на циркулирующем пучке в области прикладной и релятивистской ядерной физики. Конструкция станции, метод контроля взаимодействия пучка с мишенью по её световому излучению, а также система управления на основе персонального компьютера IBM PC хорошо зарекомендовали себя в первых физических экспериментах на нуклотроне*.

13) В физических экспериментах на циркулирующем пучке ну-клотрона показано, что световое излучение фольговых и нитевидных мишеней может быть с успехом использовано для оперативного контроля относительной светимости во времени, высокочастотной структуры и пространственных характеристик пучка.

14) Проведен анализ перспективности экспериментов по генерации быстрых нейтронов с использованием внутренних мишеней и циркулирующих пучков ядер нуклотрона в диапазоне энергий 0,1 -г 1 ГэВ/нуклон. Показано, что имеющиеся в настоящее время возможности нуклотрона, станции внутренних мишеней и различных детекторов нейтронов позволяют получить недостающую для ряда прикладных

задач экспериментальную информацию по энергетическим и угловым распределениям, а также средней множественности нейтронов, генерируемых при внутриядерных каскадах и послекаскадной эволюции ядер мишени.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

[1] Артемов A.C., ЛевковичН.А. Численное изучение систематических

ошибок в экспериментах с ленточными пучками // Препринт СФТИ-90-12, Москва: ЦНИИатоминформ, 1990. - 16с.

[2] Артемов A.C. Численное изучение влияния ленточной геометрии

эксперимента на измерение угловых распределений частиц // Препринт ОИЯИ Р13-96-54, Дубна, 1996. - 15с.

[3] Artiomov A.S. Experimental stndy of H~ ion detachment on thin gas

targets // Preprint JINR E9-96-497, Dubna, 1996. - 14p.

[4] Артемов A.C., Авидзба A.A., Вартазарян A.C. Предельные возмож-

ности диагностики пучка Н~ ионов по электронам лазерной фотообдирки // Труды 13-го совещания по ускорителям заряженных частиц (Дубна, 13-15 октября 1992), Дубна Д9-92-455, 1993, Т.2, С.256-261.

[5] Artiomov A.S., Avidzba A.A., Vartazarian A.S. The potentialities of

H~ beam diagnostics by laser photodetachmeiit, electrons // Nncl. Instr. and Meth. A., 1993, V.328, No.3, P.408-412.

[6] Артемов A.C., Авидзба A.A. Поляризационные эффекты при

однофотонной фогообдирке ионов Н~ // Препринт СФТИ-90-17, Москва: ЦНИИатоминформ, 1990. - 13с.

[7] Артемов A.C., | АвидзбаА.А. |, Вартазарян A.C. Влияние поляри-

зации и мощности фотонной мишени на околопороговый развал быстрых ионов Я" // Препринт ОИЯИ P9-9G-14G, Дубна, 1996. - 35с. _

[8] Артемов A.C., Байгачев Ю.К., | ГеворковА.К. |, Сидорин А.О.

Взаиомодсйетвие ионов Н~ с фольговыми мишенями перезарядного устройства канала транспортировки пучка // Препринт ОИЯИ Р9-97-38, Дубна, 1997. - Юс.

[9] Артемов A.C. Контроль параметров пучка отрицательных ионов и

нейтральных частиц по электронам обдирки // Труды

14-го совещания по ускорителям заряженных частиц (Протвино,

25-27 октября 1994), 1995, Т.2, С.36-40.

[10] Artiomov A.S. The potentialities of H~ beam diagnostics by detached

particles // Preprint JINR E9-96-200, Dubna, 1996. - 6p. Proc. of the 5-th Europ. Part. Accel. Conf. (Sitges/Barcelona, 10-14 June 199G), 1996, V.2, P.1654-1656. [11 ] Артемов А.С., Авидзба А.А. Предельные возможности диагнииики пучка ионов по фотоэлектронам с параметром угловой асимметрии /30 = -1 // Сообщение ОИЯИ Р9-93-431, Дубна, 1993. - 12с.

[12] Артемов А.С., Говорков А.К. Способ определения параметров

пучка отрицательных ионов // Авт. свид. N 263428 (СССР, 3.N.3143559/3143560), МКИ Н05Н7/00, 1986. -6с.

[13] Artiomov A.S., Vaganov N.G. et al. Method and apparatus for

multifunctional nonperturbative diagnostics of H~ beams // IEEE Part. Accel. Conf. (San Francisco, California, 6-9 May 1991), 1991, V.3, P.1573-1575.

Production and Neutralization of Negative Ions and Beams: Sixth Intern. Symposium (Upton, New York, 1992), 1992, P.592-597.

[14] Артемов А.С. Анализ влияния тока пучка отрицательных ионов на

его диагностику по электронам обдирки // Сообщение ОИЯИ Р9-97-94, Дубна, 1997. - 6с.

[15] Артемов А.С. Способ определения энергетического спектра пучка

ионов // Авг. свид. N 1679878 (СССР), МКИ G01T1/29, 1990. -Юс; Б.И., 1992, N.27, С.235.

[16] Артемов А.С. Использование электронов фотоионизации H(2s)

атомов для измерения энергии пучка Н~ ионов // Вопросы атомной науки и техники. Сер: Ядерно-физические исследования (теория и эксперимент), Харьков, 1991, N.3, С.23-26.

[17] Artiomov A.S. New method of H~ beam diagnostics // Proc. of the

6-tli Intern. Syinp. on Production and Neutralization of Negative Ions and Beams (Upton, USA), 1992, P.579-585.

[18] Artiomov A.S. A new method of ion beam diagnostics // Preprint

JINR E9-92-501, Dubna, 1992. - Up.

Proc. Bienn. Part. Accel. Conf. (Washington, 17-20 May 1993), Piscataway (N.Y.), 1993, V.3, P.2166-2168.

[19] Артемов А.С. Радиационно стойкий детектор пространственного

распределения импульсного потока быстрых электронов для диагностических устройств (предложение) // Сообщение ОИЯИ Р13-97-247, Дубна, 1997. - 19с.

[20] Артемов А.С. Метод и устройство для невозмущающей

диагностики пучка нейтральных частиц низкой энергии по

электронам фотоионизации // Препринт О ИЛИ Р9-97-260, Дубна, 1997. - 7с.

[21] Артемов А.С. Способ измерения энергетического распределения

пучка отрицательных ионов // Авт. свид. N 298206 (СССР, 3.N.4501961), МКИ G01T1/36, 1988. -5с.

[22] Artiomov A.S. Correlation method of nonperturbing measurements

of ion beam energy spectra // IEEE Part. Accel. Conf.

(San Francisco, California, 6-9 May 1991), 1991, V.3, P.1576-1578.

[23] Artiomov A.S. Correlation method of measurements the negative

(H~,D~) ion beam parameters // Production and Neutralization of Negative Ions and Beams: Sixth Intern. Symposium (Upton, New York, 1992), 1992, P.586-591.

[24] Artiomov A.S. Correlation method of measurements of ion beam

parameters // Preprint JINR E9-92-500, Dubna, 1992. - 6p. Proc. Bienn. Part. Accel. Conf. (Washington, 17-20 May 1993), Piscataway (N.Y.), 1993, V.3, P.2169-2171.

[25] Артемов А.С. Невозмущающая диагностика пучка ионов с

использованием корреляционного анализа // Препринт ОИЯИ Р9-96-416, Дубна, 1996. - 22с.

[26] Артемов А.С., Аринин JI.B. и др. Контроль пространственного

положения пучка ионов Н~ по световому излучению в канале транспортировки // Тезисы докладов 12-го Всесоюзного семинара по линейным ускорителям заряженных частиц (Харьков, 28-30 мая 1991), Харьков, 1991, С.78. _

[27] Артемов А.С., Астрахарчик Г.Ф., Байгачев Ю.К., | ГеворковА.К. |

Диагностика пучка ионов Н~~ по световому излучению в канале транспортировки // Препринт ОИЯИ Р9-97-276, Дубна, 1997. - 12с.

[28] Артемов А.С., Аринин JI.B., Байгачев Ю.К., Говорков А.К.

Особенности возбуждения Не, II^ и N? быстрыми Н~~ ионами // Письма в ЖЭТФ, 1991, Т.53, Вып.И, С.533-535.

[29] Артемов А.С., Байгачев Ю.К. и др. Световое излучение на выходе

ненагруженного пучком ВЧ-резонатора линейного ускорителя // Тезисы докладов 12-го Всесоюзного семинара по линейным ускорителям заряженных частиц (Харьков, 28-30 мая 1991), Харьков, 1991, С.79.

[30] Artiomov A.S., Sidorin А.О. Light radiation at the exit of RFQ and

RF-field control // Preprint JINR E9-96-199, Dubna, 1996. - 4p. Proc. of the 5-th Europ. Part. Accel. Conf. (Sitges/Barcelona,

10-14 Лune 199G), 199G, V.3, P. 1890-1892.

[31] Artiomov A.S. Using of internal targets in the Nuclotron // JINR

Rapid Communications No.4[61]-93, Dubna, 1993, P.6-12. Acta Physica Polonica В., 1994, V.9.5, Nos.3/4, P.613 619.

[32] Baklin A.M.,... Artioinov A.S. et al. The first experiments on nuclear

reaction studies at Nuclotron // ЛШ11 Rapid Communications No.4[61]-93, Dubna, 1993, P. 13-17;

[33] Artiomov A.S. Parameter evolution of an ion beam interacting with

tlu1 Nuclotron internal targets // Proc. of the Fourth Europ. Part. Accel. Coni. (London, 27 June - 1 July 1994), London, 1994, V.2, P.1391-1393.

[34] Baldin A.M.,. .. Artyomov A.S. et al. An experimental run of the

new superconducting accelerator Nuclotron at 3.8 and 6.2 GeV/c deuteron momentum // JINR. Rapid Communications No.2[65]-94, Dulma, 1994,

P.26-32. Nucl. Pkys. A., 1995. V.583, P.637c-G4(k.

[35] Artiomov A.S. The Nuclotron internal targets // ,7INR Rapid

Communications No.4[G7]-94. Dubna. 1994, P.40-49.

[36] Артемов A.C. Эволюция параметров пучка при взаимодействии

релятивистских ядер с внутренними мишенями на Нуклотрсше // Труды 14-го совещания по ускорителям заряженных частиц (Протвино. 25-27 октября 1994), 1995, Т.З, С.190-192.

[37] Артемов A.C.. Афанасьев С.В. и др. Контроль взаимодействия

пучка с внутренней мишенью на Нуклотроне по её световому излучению // Труды 14-го совещания по ускорителям заряженных частиц (Протвино. 25-27октября 1994). 1995. Т.2. С.33-35.

[38] Artiomov A.S. Peculiarities of the nucleus - internal target interaction

at the Nuclotron // Nucl. Instr. and Metli. A.. 1995. V.36G. No.2/3. P.254-258.

[39] Kliman J.....Artioinov A.S. et al. PC'-bascd control of the internal

target station at the Nuclotron // 16-th Intern. Symp. on Nucl. Electronics and 6-th Intern. School on Autoni. and Computing in Nucl. Phys. and Astrophysics (Varna. 12-18 September 1994), Dubna D13-94-491. 1995. P.202-207.

[40] Артемов A.C., Дьяченко B.M.. Коваленко А.Д. Потенциальные

возможности генерации потока быстрых нейтронов на внутреннем пучке нуклотрона // Препринт ОИЯИ Р9-95-242. Дубна. 1995. - 10с.

Artiomov A.S., D'yadienko V.M.. Kovalenko A.D. Tlu1 potentiali-

ties of fast neutron flux generation at a Nuclotron internal beam //Abstracts of the 1-st Intern. Symp. "BEAM TECHNOLOGIES" (Dubna, February 28 - March 4 1995), Section: Sources and accelerators of charged particle beams and plasma for application, P.40.

[41] Артемов А.С., Анисимов Ю.С. и др. Станция внутренних мишеней

на нуклотроне // Краткие сообщения ОИЯИ N.l[75]-96, Дубна, 1996, С.95-102.

[42] Artiomov A., Kliman J. Status of the internal target technique at

the Nuclotron // Proc. of the 5-th Europ. Part. Accel. Conf. (Sitges/Barcelona, 10-14 June 1996), 1996, V.3, P.2429-2431.

[43] Анисимов Ю.С., Артемов А.С. и др. Система сбора данных и

контроля в экспериментах на установке СФЕРА // Труды Международного совещания "Релятивистская ядерная физика -от сотен МэВ до ТэВ" (Созопол, 30 сентября - 5 октября 1996), Дубна Д1-97-6, 1997, T.l, С.122-138.

[44] Артемов А.С., Клииан Я., Морхач М., Турзо И. Контроль

пространственных характеристик пучка в физических экспериментах с внутренними мишенями на нуклотроне // Сообщение ОИЯИ Р9-97-126, Дубна, 1997. - 6с.

Рукопись поступила в издательский отдел 20 ноября 1997 года.

ПрбЗИДНу ■ К РОССИИ (решение от

присудил ученую ■ п-м-д» ДОКТОРА

у_агю > наук

7 Начальник управления ВАК России

с

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Лаборатория высоких энергий

УДК 539.17:621.384.63

На правах рукописи

АРТЕМОВ Александр Сергее

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕИСТВИЯ ЙОТОВ С ВНУТРЕННИМИ МИШЕНЯМИ В УСКОРИТЕЛЯХ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ НЕВОЗМУЩАЮЩЕЙ ДИАГНОСТИКИ

ПУЧКОВ

Специальность: 01.04.01 - техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Дубна, 1997 г.

СОДЕРЖАНИЕ

стр

ВВЕДЕНИЕ ........................................................5

Глава 1. ИЗУЧЕНИЕ РОЖДЕНИЯ БЫСТРЫХ АТОМОВ Н° И ЭЛЕКТРОНОВ ПРИ ОБДИРКЕ ИОНОВ Н~ НА ВНУТРЕННИХ КОРПУСКУЛЯРНЫХ И ФОТОННЫХ МИШЕНЯХ................................................................12

1.1. Численное изучение влияния ленточной геометрии эксперимента на измерение угловых распределений частиц....................14

1.2. Измерение максимальной точности соответствия угловых распределений ионов Н~ и атомов Н° в пучке с использованием газовых внутренних мишеней....................29

1.3. Исследование влияния поляризации и мощности фотонной мишени на околопороговый развал ионов Н~....................36

1.4. Взаимодействие ионов Н~ с фольговыми мишенями перезарядного устройства канала транспортировки пучка......................68

1.5. Максимальные точности соответствия угловых и энергетических распределений ионов Н~, атомов Н° и электронов в пучке

для различных внутренних мишеней.............................77

Глава 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ НЕВОЗМУЩАЮЩЕЙ ДИАГНОСТИКИ ПУЧКОВ ИОНОВ И НЕЙТРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ ПО ЭЛЕКТРОНАМ ФОТООБДИРКИ..........81

2.1. Эффекты поляризации фотонной мишени при .рождении электронов с параметрами угловой асимметрии (50 = -1, 0, 2.................83

2.2. Физические основы метода фотоэлектронной диагностики пучка (ФЭДП) отрицательных ионов высокой энергии................100

2.3. Многофункциональные устройства для невозмущающей ФЭДП

в области высоких и средних энергий отрицательных ионов. ... 105

2.4. Анализ влияния тока пучка отрицательных ионов на его диагностику по электронам обдирки............................120

2.5. Диагностика пучка высокоэнергетических ионов по электронам фотообдирки быстрых нейтральных частиц после внутренней корпускулярной мишени........................................125

2.6. Детектор пространственного распределения импульсного потока быстрых электронов для диагностических устройств сильноточного пучка ионов.....................................132

2.7. Метод и устройство для невозмущающей диагностики сильноточного пучка нейтральных частиц низкой энергии по электронам фотоионизации.................................................153

Глава 3. КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ МЕТОД НЕВОЗМУЩАЮЩЕЙ ДИАГНОСТИКИ ПУЧКА ИОНОВ..............160

3.1. Физические основы корреляционного метода невозмущающей диагностики пучка.............................................162

3.2. Основные элементы диагностического устройства...............169

3.3. Устройство для корреляционного измерения параметров пучка

в источнике на примере ионов Н~..............................176

Глава 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ КОРПУСКУЛЯРНЫХ МИШЕНЕЙ ДЛЯ НЕВОЗМУЩАЮЩЕЙ ДИАГНОСТИКИ ПУЧКА ИОНОВ Н~ И ВЧ- ПОЛЯ

УСКОРЯЮЩИХ СТРУКТУР ЛИНЕЙНОГО УСКОРИТЕЛЯ..................................................186

4.1. Изучение природы светового излучения внутренних газовых мишеней и контроль по нему параметров пучка ионов Н~......188

4.2. Особенности излучения Не, Щ и N<2 при взаимодействии

с ионами Н~...................................................197

4.3. Невозмущающий контроль ВЧ-поля ускоряющих структур и стабильности параметров пучка по световому излучению на

выходе линейного ускорителя...................................201

Глава 5. ИЗУЧЕНИЕ, ДИАГНОСТИКА И ОПТИМИЗАЦИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПУЧКА ЯДЕР С ВНУТРЕННИМИ МИШЕНЯМИ В СИНХРОТРОНАХ НА ПРИМЕРЕ НУКЛОТРОНА..................................................208

5.1. Особенности взаимодействия ядер с внутренними мишенями на нуклотроне и эволюция параметров пучка......................210

5.2. Станция внутренних мишеней на нуклотроне...................222

5.3. Диагностика взаимодействия пучка с внутренними мишенями и оперативный контроль его пространственных характеристик

по световому излучению........................................230

5.4. Первые физические эксперименты на внутренних мишенях нуклотрона и перспективы генерации быстрых нейтронов циркулирующим пучком........................................238

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................248

СПИСОК РАБОТ АВТОРА ...................................255

ЛИТЕРАТУРА ..................................................262

ВВЕДЕНИЕ

Необходимость получения достоверной и оперативной информации о параметрах пучка ионов при проведении экспериментов на различных участках современных ускорительно-накопительных комплексов стимулирует поиск невозмущающих методов диагностики. Под невозмущающими обычно подразумеваются методы, когда вносимыми при измерении возмущениями пучка можно пренебречь. Наиболее полное представление о пучке ионов дают измерения тока пучка во времени, его пространственного распределения по сечению канала транспортировки, а также информация об эмиттансных характеристиках, которые связаны с угловым распределением и энергетическим спектром ионов в пучке. Невозму-щающий характер измерений большинства этих параметров невозможно реализовать при использовании традиционных для заряженных частиц методов диагностики [1]. Дополнительное осложнение вызывает важное для пучков высоких энергий требование компактности диагностических устройств. Кроме того, разнообразие ускорителей с отличающимися на несколько порядков параметрами вызывает необходимость в создании новых диагностических систем, которые должны быть более универсальными и более быстрыми чем их предшественники. В связи с этим, актуальной задачей является разработка методов и устройств для измерения различных характеристик пучка ионов по вторичным частицам, рожденных при взаимодействии ионов с компонентами остаточного газа или практически прозрачной для пучка внутренней мишенью. Основной задачей связанных с этим исследований является выявление возможности определения необходимых параметров пучка по соответствующим характеристикам данного типа вторичных частиц, а также изучение границ использования основанных на этом методов диагностики и достигаемых при этом

точностей.

Помимо этого, в современных ускорительно-накопительных комплексах и при разработке систем транспортировки энергии на большие расстояния интенсивными пучками, широко используется перезарядный метод управления потоками частиц. Формируя внутренние перезарядные мишени на различных участках канала транспортировки пучка можно существенно влиять на распределение частиц в фазовом пространстве и на характер их движения во внешних электромагнитных полях, а также осуществлять удобную для физических экспериментов разводку пучков высоких энергий [2]. Наибольшая эффективность метода достигается при использовании отрицательных ионов на начальном этапе транспортировки пучка. Это позволяет, в частности, существенно улучшить качество пучка при преобразовании ионов в нейтральные частицы перед участком с наиболее "неприятными" электромагнитными полями, при изменении знака заряда частиц на участках инжекции и вывода пучка в циклических ускорителях, а также значительно расширить возможности и диапазон энергий пучка электростатических ускорителей. Для решения этих задач важна информация об интегральных и дифференциальных сечениях обдирки ионов, коэффициентах преобразования в нужное зарядовое состояние и ресурсе используемой внутренней мишени.

*

Начиная с классической работы [3], внутренние мишени широко используются и незаменимы при проведении определённого класса физических экспериментов в циклических ускорителях. К нему относятся эксперименты, проведение которых на выведенном пучке невозможно или осложнено из-за значительного искажения информации каскадными процессами в мишени, существенного искажения характеристик регистрируемых частиц или их поглощения мишенью. Для оптимизации этих экспе-

риментов актуально изучение эволюции параметров пучка при взаимодействии с внутренней мишенью ускорителя, а также роли этого процесса на фоновые условия и достигаемые значения светимости.

Таким образом, изучение и оптимизация взаимодействия ионов с внутренними мишенями, а также разработка методов и устройств для невоз-мущающей диагностики пучка на их основе, являющиеся целью диссертационной работы, представляют собой развитие нового важного направления в технике физического эксперимента с использованием пучков ускоренных частиц.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения.

Первая глава посвящена изучению рождения быстрых атомов водорода и электронов при обдирке ионов Н~ на внутренних корпускулярных и фотонных мишенях. Она основана на работах [А1-А10] и включает численное изучение влияния ленточной геометрии эксперимента на измерение угловых распределений частиц, измерение предельной точности соответствия угловых распределений ионов Н~ и атомов Н° в пучке с использованием корпускулярных мишеней, исследование влияния поляризации и мощности фотонной мишени на околопороговый развал ионов Н~, изучение взаимодействия ионов Н~ с пленочными мишенями перезарядного устройства канала транспортировки пучка, а также сравнительный анализ предельных точностей соответствия распределений ионов Н~, атомов Н° и электронов в пучке по углу и энергии для различных внутренних мишеней.

Вторая глава посвящена разработке методов невозмущающей диагностики пучков ионов и нейтральных частиц по электронам фото обдирки. Она основана на работах [А9-А23] и включает изучение роли поляриза-

ции фотонной мишени при рождении электронов с параметрами угловой асимметрии (30= -1, 0, 2; разработку методов и устройств для невозмуща-ющей диагностики пучков отрицательных ионов и нейтральных частиц по электронам фото обдирки; анализ влияния тока пучка отрицательных ионов на его диагностику по электронам обдирки; разработку метода диагностики пучка ионов по электронам фотоионизации промежуточных быстрых нейтральных частиц после внутренней корпускулярной мишени в ускорителях; а также проект и расчет радиационно стойкого детектора пространственного распределения импульсного потока быстрых электронов для диагностических устройств.

Третья глава посвящена разработке корреляционного метода невоз-мущающей диагностики пучков ионов. Она основана на работах [А24-А28] и включает изучение физических процессов, положенных в основу метода, а также разработку устройства и анализ его возможностей для реализации корреляционного измерения параметров пучка на примере ионов Н~.

Четвёртая глава посвящена исследованиям по использованию светового излучения корпускулярных мишеней для невозмущающей диагностики пучка ионов Н~ и ВЧ-поля ускоряющих структур линейного ускорителя. Она основана на работах [А29-АЗЗ] и включает изучение природы светового излучения внутренних газовых мишеней и возможности контроля по нему параметров пучка ионов Н~; изучение зависимости излучения Не, Н2 и N2 от энергии ионов Н~; результаты исследований светового излучения на выходе ненагруженных пучком ВЧ-резонаторов линейного ускорителя.

Пятая глава посвящена изучению, диагностике и оптимизации взаимодействия пучка ядер с внутренними мишенями в синхротронах на

примере нуклотрона. Она основана на работах [А34-А47] и включает изучение особенностей взаимодействия релятивистских ядер с внутренними мишенями на нуклотроне и эволюции параметров пучка, разработку станции внутренних мишеней и устройства контроля взаимодействия пучка с мишенью по её световому излучению, результаты оперативной диагностики пространственных характеристик пучка и контроля светимости во времени при проведении первых физических экспериментов с внутренними мишенями на нуклотроне по изучению релятивистских ядро-ядерных взаимодействий, а также анализ перспективы генерации быстрых нейтронов циркулирующим пучком.

В заключении подведен краткий итог и проанализированы результаты проведенных исследований по взаимодействию ионов с внутренними мишенями на ускорителях, а также дана оценка предложенных и разработанных методов и устройств для невозмущающей диагностики пучков. На защиту выносятся:

— результаты теоретического изучения влияния ленточной геометрии эксперимента на измерение угловых распределений частиц;

— результаты измерения предельной точности соответствия угловых распределений ионов Н~ и атомов Н° в пучке с использованием корпускулярных мишеней;

— результаты исследования влияния поляризации и мощности фотонной мишени на околопороговый развал ионов Н~;

— измеренные сечения сг_ю и сг01 на углероде для Н~ и Н° частиц с энергией 2 и 7 МэВ;

— результаты исследования влияния поляризации фотонной мишени на рождение электронов с параметрами угловой асимметрии (30= -1, 2;

— методы и устройства для невозмущающей диагностики пучков отрица-

тельных ионов и нейтральных частиц по электронам фотообдирки;

— результаты изучения влияния тока пучка отрицательных ионов на его диагностику по электронам обдирки;

— метод диагностики пучка ионов по электронам фотоионизации промежуточных быстрых нейтральных частиц;

— проект и результаты расчета радиационно стойкого детектора пространственного распределения импульсного потока быстрых электронов для диагностических устройств;

— корреляционный метод невозмущающей диагностики пучка ионов и устройство для его реализации;

— результаты исследований светового излучения газовых мишеней под воздействием пучка ионов Н~ с энергией 100 кэВ -т- 2 МэВ;

— устройство для невозмущающего измерения пространственных характеристик пучка ионов по световому излучению в канале транспортировки с локальным напуском газа;

— результаты изучения светового излучения на выходе ненагруженных пучком ВЧ-резонаторов линейного ускорителя;

— станция внутренних мишеней на нуклотроне;

— результаты теоретического и экспериментального исследования взаимодействия ядер с внутренними мишенями на нуклотроне и эволюции параметров пучка.

Апробация результатов и публикации. Основные результаты, приведенные в диссертации, изложены в 44 опубликованных работах [А1-А13, А17-А47], докладывались на Всесоюзных и Международных конференциях (Сан-Франциско, США, 6-9 мая 1991; Вашингтон, США, 17-20 мая 1993; Лондон, Великобритания, 27 июня - 1 июля 1994; Таор-мина, Италия, 30 мая - 4 июня 1994; Ситгес/Барселона, Испания,

10-14 июня 1996), симпозиумах (Уптон, США, 1992; Дубна, Россия, 28 февраля - 4 марта 1995), совещаниях (Харьков, СССР, 28-30 мая 1991; Дубна, Россия, 13-15 октября 1992; Варна, Болгария, 31 мая - 5 июня 1994; Протвино, Россия, 25-27 октября 1994; Варна, Болгария, 18-24 сентября 1995; Дубна, Россия, 19-21 декабря 1995; Созопол, Болгария, 30 сентября - 5 октября 1996), школах (Пиаски, Польша, 18-28 августа 1993; Варна, Болгария, 12-18 сентября 1994), а также обсуждались на семинарах и научных конференциях Сухумского физико-технического института и Лаборатории высоких энергий ОИЯИ.

Глава 1. ИЗУЧЕНИЕ РОЖДЕНИЯ БЫСТРЫХ АТОМОВ Н° И ЭЛЕКТРОНОВ ПРИ ОБДИРКЕ ИОНОВ Н~ НА ВНУТРЕННИХ КОРПУСКУЛЯРНЫХ И ФОТОННЫХ МИШЕНЯХ.

Как отмечалось во введении, наибольшая эффективность управления потоками частиц высоких энергий в современных ускорительно - накопительных комплексах достигается при использовании отрицательных ионов на начальном этапе транспортировки пучка. При этом наибольшее распространение получили пучки ионов Н~ (LAMPF, TRIUMF, HERA, BNL, LHC, RAL, FNAL, CERN, ANL, KEK и другие ускорительные центры). Помимо этого они широко используются при формировании потоков нейтральных атомов водорода для пучкового нагрева плазмы и её диагностики [4-7], в циклических ускорителях для наработки изотопов [8], в проектах сильноточных ускорителей для трансмутации радиоактивных отходов и при разработке высокоинтенсивных импульсных источников нейтронов [9-12], для имплантации ионов [13], а также при решении ряда других прикладных задач [14-19]. В качестве перезарядных, а также зондирующих пучок диагностических мишеней при этом используются как корпускулярные так и фотонные внутренние мишени.

В элементарных актах взаимодействия с частицами (М) или фотонами (пси) мишени имеют место рассеяние и обдирка ионов Н~

н~ + (м, huj) <

' Н * + • • • (сечение <t_i_i); Н°* + е + ... (сг_ю); (1.1)

2е+ ... (сг_ц).

В приведенных каналах взаимодействия выделены только вторичные частицы связанные с ионом и представляющие интерес для решения вы-

шеупомянутых задач. Символ * означает возможность их нахождения в отличном от основного квантовом состоянии. В зависимости от решаемой задачи выбирается внутренняя мишень с такими характеристиками, чтобы пучок после неё содержал максимальное количество представляющих интерес вторичных �