Исследования эффективности отклонения и вывода пучков частиц из ускорителей с помощью изогнутых кристаллов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ-

э ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

Н ЕР

1 о

' 'О

95-64 На правах рукописи

Бирюков Валерий Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ОТКЛОНЕНИЯ И ВЫВОДА ПУЧКОВ ЧАСТИЦ ИЗ УСКОРИТЕЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ ИЗОГНУТЫХ КРИСТАЛЛОВ

01.04.20 - Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Протвино 1995

М-24

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

Научный руководитель - доктор физико-математических наук М.Д.Бави;

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Н.Ф.Шул кандидат технических наук Ю.С.Федотов.

Ведущая организация - НИИ ядерной физики МГУ (г. Москва).

Защита диссертации состоится "_"_!_ 1995 г. в

_часов на заседании специализированного совета Д034.02.01 при

ИФВЭ (142284, Протвино Московской области).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФВЭ.

Автореферат разослан "_" _ 1995 г.

Ученый секретарь

специализированного совета Д034.02.01 Ю.Г.Рябов

© Институт физики высоких энергий, 1995

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Значительное расширение круга задач, стоящих :ред кристалло-оптикой заряженных пучков высокой энергии, и огром-потенциальная значимость ее применения на ускорителях настоятельно )сбуют глубокого понимания эффектов, возникающих во взаимодействии ряженного пучка с изогнутым монокристаллом, умения рассчитать эф-зктивность кристаллического дефлектора (в частности как элемента си-•смы вывода из ускорителей) и возможности расширять арсенал средств методов формирования пучков с различными свойствами на ускорителях того поколения.

Цель диссертационной работы состояла d изучении возможностей шеталло-оптикп адронных пучков высоких энергий, развитии теории и сперимента в области каналпрования частиц в изогнутых монокристал-ix, в том числе с учетом несовершенства кристаллической решетки, а .кже теории и эксперимента многооборотного вывода протонного пучка ускорителей.

Научная новизна и результаты, выносимые на защиту

1. Исследована эффективность изогнутых кристаллов в аналитической дали. Определена оптимальная кривизна кристалла. Объяснены экспери-;нтальные зависимости деканалирования и объемного захвата.

2. Создана компьютерная программа (CATCH), моделирующая двпже-:е заряженных частиц в изогнутых кристаллических решетках; в отлп-е от предшествующих методов, CATCH включает однократные рассея-я частицы на электронах, существенные для высоких энергий; возможен ет дислокаций кристалла. Промоделированы основные эксперименты по-еднпх лет по исследованию деканалпрования, объемного захвата, эффек-вностп отклонения пучка и спектров потерь энергии в ориентированных

изогнутых кристаллах. Промоделировано влияние дислокации решетки каналпрованпс частиц высоких энергий. Сформулированы требования к вершенству решетки кристаллов в области высоких энергий.

3. Экспериментально исследовано отклонение протонов с энергией < ГэВ кристаллом Si (110) с рекордной эффективностью, до (20±2) % (54 в интервале углов Линдхарда). Исследовано совершенство краевого с; кристалла. Выполнен анализ эксперимента с помощью моделирования.

4. Создана компьютерная модель вывода частиц из ускорителей, вклю ющая многократное прохождение частиц через кристалл и многооборот] движение в ускорителе. Промоделированы эксперименты по выводу И] тонного пучка с энергией 120 ГэВ из SPS (ЦЕРН). Разработаны (числ ным моделированием) процедуры для изучения многооборотного выво, часть из которых реализована (вертикальное сканирование пучка, пров ка действия "аморфного края" кристалла). Получена эффективность вы: да ~10 % при длине кристалла 3 см. Показано, что укорочением кристаг до ~1 см можно повысить эффективность вывода на SPS до 30-40 %.

5. В компьютерной модели исследован вывод пучка кристаллом из LI (~7 ТэВ) и показано что возможно достичь эффективности вывода ( 70 %, используя кристалл кремния длиной ~5 см. Детально промоде. рован готовящийся эксперимент Е853 по выводу протонов энергии 900 Г из сверхпроводящего ускорителя Тэватрон. Изучено влияние несоверш ства кристалла ("толщина септума") и параметров оптики ускорителя эффективность вывода.

Практическая ценность. Результаты выполненных псследоваЕ широко используются в ИФВЭ, CERN и Fermilab для анализа и оптпмп щш экспериментов по каналпрованпю и открывают большие возможное применения изогнутых кристаллов как на действующих, так и на стр щпхея ускорителях на большие энергии. В первую очередь это относите проектам вывода с помощью монокристалла гало протонного пучка, ад купирующего в накопительном кольце, для одновременной работы уско] теля в модах коллайдера и фиксированной мишени. Вывод гало коллайд ного пучка мультитэвных энергий может стать важнейшим достижеш крпсталло-оптшсп заряженных пучков.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доклады лпсь на IV всесоюзной конференции по взаимодействию излучения с тв дыми телами (Эльбрус, 1990 г.), IV международном совещашш "Фпз1 на УНК" (Протвино, 1990 г.), всесоюзном совещании "Применение эфф тов каналированпя в физике высоких энергий" (Протвино, 1991 г.), ме дународной конференции по ускорителям (Сан-Франциско, 1991 г.), к

ренщш "Computing in High Energy Physics" (Сан-Франнпско, 1994 г.), iponeiiCKofi конференции по ускорителям (Лондон, 1994 г.), международ-й конференции "Физика 5-кварков '94" (Франция, 1994 г.), совещаниях ллаборащш RD22 (ЦЕРН, 1992-1994 гг.) и Е853 (ФНАЛ, 1992-1995 гг.), :ешгаарах в Отделе пучков ИФВЭ, ИНФН (Пиза), ЦЕРН (Женева) п PSI юрих), а также опубликованы в отечественных и зарубежных журналах ipenpiiHTax ИФВЭ, SSCL и ЦЕРН [1-18], включая обзор в УФН [1].

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 120 страни-х, состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 47 рпсун-1, 5 таблиц п список цитируемой литературы из 161 наименования. ^

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе даны основные теоретические представления об эф-сте каналирования, Рассмотрены аналитические модели, описывающие щсссы деканалпровання п объемного захвата п изогнутых кристаллах, зываемые рассеянием частиц и изменением кривизны кристалла. Де-гьно сравниваются предсказания моделей с существующими эксперимен-1ьнымп д.аннымп. Из решения диффузионного уравнения [Белошицкпп и махов; Вахо] с помощью приближения Линдхарда для потенциала ато.м-г плоскости получена аналитическая формула для длины дсканалпрова-[ Ld прекрасно описывающая существующие экспериментальные дан-з для Si (110) и (111) (рпс. 1).

1. Расчетные зависимости для Lo в каналах S¡(110) и Si(lîl) совместно с экспериментальными ладным»: • — ОИЯИ; о — ЦЕРН; * — Ф11ЛЛ; ® — ИФВЭ.

В рассмотрении многократного и однократного (на большой угол) ра сеяний ^аналированной частицы на электронах показано (также в гл. что в приближении равномерного распределения валентных электронов полупроводниках) длина деканалирования в изогнуты! кристаллах сокр щается как Ьр(рь/П) ~ Ес(рь/И) критическая поперечная энергия; р и и импульс п скорость частицы, Л - радпус изгиба кристалла. Этот результ. был ранее получен в диффузионном приближении Таратиным и др.

Форстер и др. измерили Ьр протонов в интервале импульсов 60 200 ГэВ/с в кристалле кремния (110), изогнутом с радиусом около 80 с при двух температурах - комнатной п 128 К. Модель Ьо{рь/Н) ~ Ес(рь/1 сравнивается с экспериментом на рнс. 2, где видно прекрасное согласие. Ч же модель Ьо ~ Ее хорошо объясняет экспериментальную зависимость о ношения Ьо в охлажденном и теплом кристаллах. Влияние температур (слабое в прямом кристалле) усиливается в изогнутом кристалле с роете рь/Я. Аналитические модели использованы для оптимизации отклонен) частиц кристаллами.

т- 1 *

/

/

/

\/ ^.W(IIO) 4\/< ^

h 4 / ч 1 \ * X - ^ / V

/ Л*^*^

/ / SKW) \

го м ta

PWR<r>B/CM) Pue. 2. Отношение длнц деканалирования в изогнутом и пряном кристаллах кремния. Кривая - модель = Точки - из эксперимента FNAL. Сплошная линия и (о) - для температуры 300 К, л=0,54 мм/ГэВ. Пунктир и (•) - для 128 К, «=0,65 мм/ГэВ.

20

«О

80 100 в(мров)

Рис. 3. Результаты оптимизации >¡»¡1« тивности отклонения с потепци лом Мольер: оптимальная крив» на ру/Л (сплошные линии) и с ответствующий предел, эффекти пости /уА, (пунктир), как фун шш 6, для дефлекторов 51(11( Се(ИО) и \У(110).

6(нраЗ)

с. 4. Измеренные эффективности отклонения пучка протонов с энергией 450 ГэВ изогнутыми кристаллами: квадраты - для Si(lll), круглые точки - для Si(110). Расчетные кривые - для равномерного изгиба кристалла (вверху) и "трехточечного" (внизу).

Получены как функции угла отклонения и свойств кристалла оптималь-я кривизна и соответствующий теоретический предел эффективности от-онения заряженного пучка кристаллами Si, Ge и W (рис. 3). Эффектив-сть отклонения протонов энергии 450 ГэВ детально изучалась в экспс-ментах на пучке Н8 в ЦЕРН (см. гл. 3), где была достигнута эффектпв-сть до « 50 %. Экспериментальные результаты находятся в прекрасном гласил с расчетом (рис. 4).

Do второй главе рассмотрены цели и методы компьютерного моделн-вания движения заряженных частиц в изогнутых кристаллических ре-¡тках. Показаны недостатки традиционных методов (диффузионное прн-иженпс для электронного рассеяния), широко используемых для описа-я каналпровання п области энергий выше 1 ГэВ. Представлена монте-рловская программа CATCH, моделирующая эффекты каналированпя в згнутых кристаллах с учетом процессов рассеяния (однократных и мно-сратпых) на электронах и ядрах.

В отличие от предшествующих теоретических методов, основанных на ффузионном приближении, CATCH включает однократные рассеяния ча-щы на электронах, существенные для каналированпя именно в области соких (ГэВ-ТэВ) энергий. Рис. 5 показывает смоделированные фазовые лектории протонов энергии 450 ГэВ на плоскости (х,в) в Si(lll): для 1мого кристалла (вверху) и кристалла изогнутого с pv/R=1.5 ГэВ/см гпзу).

Представлены результаты моделирования с помощью CATCH наиболее

* 5

2,5 О

-2,5 -5 "7,5 -to

■. % : ■

I'.SAj^l :

IV 3 -Ч.

Шу- X :

• • ;'.

: * • 1 * ! . *

-1,6 -1,2 -0,8

-0.4

0.4 0,8

»W

Рис. 5. Распределение протопоп 450 ГэВ в кремнии (111) на плоскости (х,0), получс нов компьютерным моделированием: (а) прямой кристалл, (С) изогнутый Христа. (pv/R=l,5 ГэВ/см).

важных экспериментов с применением изогнутых кристаллов последш лет: деканалпрование и объемный захват, эффективность отклонения иу ка, спектры потерь энергии в ориентированных кристаллах. Проведено д тальное сравнение экспериментальных данных с теоретическими предск заниями, полученными из "первых принципов".

Рис. 6 демонстрирует зависимость количества отклоненных каналпр ванных частиц от угла в, для Si (110) (а) и (111) (б). Треугольники эксперимент ИФВЭ, остальное - моделирование: (о) объемный захват, ( торцевой захват для расходимости 30 мкрад, (*) торцевой захват пара лельного пучка. На вставках показано смоделированное распределение i Ет для разных глубин (Z— 0.3,18,60 мм, показано стрелками) в кристалл

N

10 п

» ьол™. „ н 2-13.0 теп г-во.о

в)

°о ""Г-""

О

о

о *

о-¡Г——гг-т?...»

I

(110)

»«о

-а

л

в». л

нч: ■ * - •

I '1 1 1-1-1-1-1-1-1-г-

0 2 4 6

-1-1-1-г-^—1-1

8-10 12 14 16 18 20 22

0, щгас!

! <Г"

вз 2 2

«8

О л д

N

ю

«3*" шш

0.00

ооо

»0 „

Д 0

1 * ж

51(111)

1-1-1—'—Г

2 4 6

—I-1-1-1-1-1-1—г—1-—'-1

10 12 14 16 18 20 22

0, шга<1

Я

«Я

6. Зависимость количества отклоненных каналированных частиц от угла 0, для 8!(110) (вверху) и $¡(111) (внизу). Вставка: распределение по Ет Для разных глубин в кристалле (см. текст).

О

сплошная лпнпя - аналитическая оценка пз гл. 1, пунктир - параллельны пучок, короткий пунктир - пучок 30 мкрад, длинный пунктир - объемны захват.

Интересно сравнить вероятности объемного захвата в "стабильные сс стояния", распадающиеся по экспоненциальному закону. Эти вероятност] полученные в эксперименте, моделировании п модели и> « Я9с/Ьо, предст: влены в табл. 1. Количественные предсказания для вероятности объемног захвата находятся в прекрасном согласии с экспериментом.

Таблица 1. Вероятность (%) объемного захвата в "стабильные состояния" 70-ГэВ протонов Б! кристалле, изогнутом с Д=3 м; эксперимент, моделирование и модель Ивс/£р.

Кристалл Модель Моделирование Эксперимент

111 0.13 0.17±0.02 0.23

110 0.18 0.23±0.02 -

Моделирование эксперимента Форстера п др. точно следовало процед; ре эксперимента. Протоны отбирались пз расходящегося пушеа по низки потерям энергии ДЕ во входной прямой части кристалла, и их угловое ра< пределенне за кристаллом фитпровалось экспонснтой. Результаты для Ь представлены на рис. 7. Моделирование согласуется с измерениями с то1 ностью и 10 %; правильно воспроизведена и зависимость от температур кристалла.

Спектры потерь энергии в ориентированных изогнутых кристаллах на! более детально изучались в недавнем эксперименте Уггерхоя и др. Дг сравнения измеренных спектров с теорией необходимо моделирование ра пределенпя частиц в изогнутом кристалле и пх эволюции с глубиной, проведенном нами моделировании этого эксперимента мы подразумевал классический 3-точечный изгиб кристалла. Электронная плотность выч) слялась из функции Мольер. Результаты оказываются в прекрасном согл; спи с измерениями. Рис. 8 показывает спектр Д-Е1 в прямом переднем учас кс кристалла для всех частиц (а) и для частиц, отклоненных на 2,4 мра (б). Хорошее согласие найдено также для поведения спектров с изменение кривизны кристалла в широком диапазоне (в частности, уменьшение пи рнны спектра вдвое для наиболее глубоко каналированных частиц), д:

30 А А Д

20 S • в о • • * о Д * о

10 •

50 100 150 « . . 200 . . t . . .

P (ГэВ/с)

ic. 7. Ld из эксперимента (• и *) к моделирования (о и Д). (• и о) для 293 К, (* и Д) для 128 К.

юктра частиц, каналпрованных в узких плоскостях (111), п для эффектности отклонения частиц (до ~50 %).

Далее подробно рассмотрено влияние несовершенства кристаллической ¡шетки - дислокационных линий, петель и стенок (мозапчностп) - на ка-

шнрование высокоэнергичных частиц. Представлены методы моделиро-ишя CATCH каналнрования в дислокационных решетках в области высо-

:с. 8. Спектр Д £ в ориентированном кристалле Si(lll) для всех протопоп (слева) и для протонов, отклоненных на 2,4 мрад (справа). Пунктир - эксперимент Уггерхоя и др. Сплошная линия - моделирование.

кнх (ГэВ-ТэВ) энергий. Эта область подразумевает расходящиеся (» 6 пучки п длинные изогнутые кристаллы (множественные столкновения дислокациями); мэвная область, изученная ранее в классических работ; Керэ, Кудо и др., подразумевала параллельный пучок (< 9С) п однокра ное столкновение с дислокацией в прямом кристалле.

Было исследовано с помощью моделирования влияние различных дпсл кацпонных нарушений решетки Si п Ge на каналирование частиц bhcoki энергий (от 70 до 7000 ГэВ). Сформулированы требования к кристаллич скнм дефлекторам. В частности, показано что при энергиях порядка 10 Тэ необходимо совершенство кристалла не более одной дислокации на квадра' ный сантиметр. Показано, что радиационная стойкость кристалла мож< зависеть от энергии, определяясь типом образованных дефектов (чем выв организация дефектов, тем они опаснее). Радиационная стойкость долж! меняться, как pv для точечных дефектов пли малых дислокационных п тс ль, как 1/л/рт Для лшшшых дислокаций, и как 1 /pv для дпслокационнь стенок (мозаичность). Проанализировано деканалирование на дпслокацпо ных петлях в кремнии при сверхвысоких энергиях (выше ТэВ). Показах что их влияние сильно зависит от размера петлп D, как ~ D4, следовател но, деканалирование на малых петлях значительно подавлено.

В третьей гларе описан эксперимент по отклонению протонов с энс гиен 450 ГэВ изогнутым монокристаллом кремния (110), выполненный ко. лаборацией RD22 в ЦЕРН. Исследованный кристалл являлся копией кр: сталла использованного затем для вывода пучка из SPS. Эффективное отклонения исследована для различных углов (от 3,0 до 8,5 мрад) изги( кристалла. Рис. 9 показывает угловые распределения протонов за криста лом для углов изгиба 3,0; 5,7 и 8,5 мрад.

Рис. 9. Углопые распределения протонов за кристаллом для углов изгиба 3,0; 5,7 и 8,5 мрал

с. 10. Ориентация плоскостей (110) как функция горизонтальной координаты на торце кристалла. (Фазовое пространство (х,х') кристалла.)

Достигнутые высокие значения эффективности отклонения протонов, до 0 ±2) % (54 % в интервале углов Линдхарда) показаны в табл. 2 и на 1С. 4, где они сравниваются с теоретическими предсказаниями. Рассмо-)Сно детальное компьютерное моделирование эксперимента, результаты о также показаны в табл. 2. Был измерен вклад центробежных эффектов пеканалированне частиц в удовлетворительном согласии с предсказанием [алптпчсскоп модели.

Исследованы искажения реального кристалла ("твист") и прежде всего ойства кристаллической структуры (эффективность каналпровання, орн-;тацпя) на самом краю кристалла. Рис. 10 показывает ориентацию плос-стсй (110) как функцию горизонтальной координаты на торце кристалла вязовое пространство (.г, х') реального кристалла). Следует отметить что [асткн кристалла, разориентированные по отношению к центру, каналн-1вали с той же эффективностью, что и центр, но при другой ориента-;н гониометра. Эффективность сохраняется даже вблизи края кристалла точностью 65 мкм (разрешение камеры), что крайне важно при работе шеталла в режиме вывода пучка из ускорителя (гл. 4).

В четвертой главе рассмотрены теоретические и экспериментальные следования многооборотного вывода протонного пучка из ускорителен помощью монокристаллического дефлектора. Анализируются процессы, ределяемые движением частиц в полях кристалла и ускорителя, и влп->щпе на эффективность вывода. Представлена компьютерная модель вы-

ТаПлица 2. Эффективность отклонения протонов 450 ГэВ/с кристаллом 51(110), в эксперимси тс и моделировании; вверху - для всего пучка, внизу - для частиц падающих интервале углов ±9С. Показаны лишь статистические ошибки.

Отклонение на угол (мрад) 3,0 5,7 8,5

Эффективность (%) Эксперимент 20±2 10±1 7,7±0,3

Моделирование (<7=15 мкрад) 20,9±0,8 15,2±0,5 8,8±0,5

Эффективность (%) в интервале ±0е Эксперимент 51±2 33±5 16±3

Моделирование 56±4 39±2 2б±2

пода частиц, включающая в себя многократное прохождение 'частиц черс кристалл и многооборотное движение в кольце ускорителя. Приведены рс зультаты моделирования вывода для ускорителей SPS, LHC, Тэватрон SSC. Изучено влияние совершенства кристалла ("толщина ссптума") и п? рамстров оптики ускорителя на эффективность вывода.

Подробно рассмотрен вывод протонного пучка из SPS (ЦЕРН): экспер1 менты и моделирование. Было проведено детальное моделирование экспср1 ментов ЦЕРН с учетом реальной геометрии кристаллов и параметров ускс рптсля, ставившее целью понять полученные результаты, сделать предлс жения, развивающие эксперимент, и найти условия, оптимизирующие э<5 фективность вывода. Моделирование показало хорошее согласие теории измерениями для угловых сканов п профплей пучка. Рис. 11 показывас характерные двумерные профили выведенного пучка на детекторах (мо® лированис): для кристалла разориентированного на 200 мкрад (а), и opi оптированного (б). Нетривиальные профили и их поведение в эксперимент (результат "твиста" кристалла) прекрасно воспроизведены в моделпров. шш.

По итогам моделирования было предсказано несовершенство крал icpi сталлов, используемых при выводе в SPS; дальнейший эксперимент, iii пользовавший кристалл с аморфным слоем, полностью подтвердил npcj сказание теории. Моделирование, сделанное для кристалла с новой геом трией ("U-образной"), где был устранен твист, успешно предсказало пол; ченные позже результаты: ширина углового скана эффективности coctj

horizontal position (mm) horizontal розГЬГсл (mm)

. 11. Профили пучка выведенного из SPS (моделирование) для кристалла, разорнентнрован-иого на 0.2 мрад (а) и для оптимального угла (tf).

I (отн.)

5

9 (мкрад)

. 12. Угловой скан вывода нз SPS для U-образного кристалла. Предсказание моделирования (®) и эксперимент (*).

вила 70 мкрад на полувысотс, эффективность в пике осталась на прежнего уровне (см. сравнение теории и эксперимента на рис. 12).

Дальнейшим моделированием показано, что схема вывода из SPS может быть существенно оптимизирована с использованием короткого (около 1 см' кристалла. В этом случае эффективность вырастает примерно в 2-3 разг (до 30-40 %), п более того, меньше зависит от совершенства края кристал ла. Табл. 3 показывает расчетную эффективность как функцию толщинь септума t (смоделированного как аморфный слой) U-образного кристалла Эффективности находятся в разумном согласии с измерениями. Завпси мость от t довольно слаба, что согласуется с экспериментом, где аморфны! слой 30 мкм не повлиял на эффективность.

Таблица 3. Эффективность F (%) в зависимости от толщины септума t (мкм). Моделирование Статистическая ошибка 0.6 %.

1 (мкм) 1 20 50 100 200

F(%) 13.9 12.4 12.9 10.9 8.2

Эксперименты на SPS имеют целью моделирование условий вывода пуч ка из будущих мультнтэвных ускорителей типа LHC (ЦЕРН). Используя т} же компьютерную модель, мы смоделировали вывод пучка протонов ~7 Тэ1 кристаллом из LHC и показали, что возможно достичь эффективности вы вода более чем G0 %, используя кристалл кремния длиной ~5 см. Моде лирование показало также, что эффективность вывода пучка кристалло? с несовершенной, "аморфной", поверхностью (когда вывод идет лишь з; счет повторных попаданий частиц в кристалл) мало отличается от эффек тивности идеального кристалла. Была также исследована возможность со гласозанной работы на LHC системы вывода пучка кристаллом и снстемь очистки пучка н локализации его потерь, п найдено что прочие элементь ускорителя должны находиться в ~1-2 а (где а - размер пучка) от кра: кристалла по горизонтали, чтобы не мешать процессу многооборотпног вывода.

Рассмотрен и детально промоделирован эксперимент Е853 по вывод; протонов энергии 900 ГэВ из сверхпроводящего ускорителя Тэватрон, го товящипся в Фермилабе (США). Найдено что при оптимальной длине крн сталла кремния (около 1 см) возможно достичь очень высокой эффективно стн вывода - порядка 70 %. Обсуждаются экспериментальные возможност]

ля более глубоких исследований процесса многооборотного вывода пуча кристаллом на ускорителях SPS п Тэватрон. Показана принципиальная озможность по характерным угловым сканам измерить в Е853 "толщн-у септума" кристалла и прицельные параметры протонов на кристалле с очностью, равной произведению углового шага гониометра (2,5 мкрад) и лины кристалла (4 см), т.е. до 0,1 мкм.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

1. Рассмотрены аналитические модели, описывающие процессы декана-ированпя п захвата в изогнутых кристаллах. Получены как функции угла гклонения и свойств кристалла оптимальная кривизна и теоретический редел эффективности отклонения заряженного пучка кристаллом. Объяс-ены экспериментальные зависимости деканалпрованпя и эффективности 5ъсмного захвата в изогнутых кристаллах.

2. Создана компьютерная программа CATCH, моделпрующая движение гряженных частиц в изогнутых кристаллах; в. отличие от прсдшествую-шх (диффузионных) методов, CATCH включает однократные рассеяния астицы на электронах. Показано, что такие рассеяния существенны для сканалпрованпя именно в области высоких (ГэВ-ТэВ) энергий. Промо-елнрованы наиболее важные эксперименты последних лет: деканалнрова-ис и объемный захват, эффективность отклонения пучка, спектры потерь иергин в ориентированных изогнутых кристаллах. Найдено хорошее со-пасие между экспериментами и теоретическими предсказаниями, получен-ыми из "первых принципов".

3. Расширены возможности программы CATCH для учета дпелокащгон-ых дефектов решетки кристалла. В моделировании исследовано влияние азличных дислокаций решеткп на каналированпе частиц высоких энер-пи. Сформулированы требования к совершенству решетки крпсталличс-кнх дефлекторов в области высоких (ГэВ-ТэВ) энергий.

4. Экспериментально исследовано отклонение протонов с энергией 450 эВ с малой расходимостью (сг ~15 мкрад) кристаллом кремния с ориен-ацпей (110) на различные углы (от 3,0 до 8,5 мрад). Достигнутые рекордно ысокие значения эффективности отклонения, до (20±2) % (54 % в литерале углов Лнндхарда) сопоставлены с предсказаниями теории. Проведено стальное компьютерное моделирование эксперимента и найдено хорошее эгласне с результатами измерений. Исследовано влияние искажений ре-льного кристалла, п прежде всего свойства кристаллической структуры эффективность каналпрованпя, ориентация) на самом краю (~ 50-100 мкм) ристалла.

5. Теоретически п экспериментально исследован процесс многооборо ного вывода частиц с помощью кристалла из ускорителей. Создана koi пьютерная модель вывода, включающая в себя многократное прохождеш частиц через кристалл и многооборотное движение в кольце з'скорптел Детально проанализированы с использованием моделирования результат экспериментов по выводу пучка из SPS (ЦЕРН) с эффективностью ~10 Показано, что при первом прохождении пучка через кристалл он не выв( дится из ускорителя из-за наличия аморфного приповерхностного слоя; эа было подтверждено последующим экспериментом на SPS. Предсказаны х< рактершлшш вывода из SPS (эффективность, угловой скан, профили) дл различных кристаллов. Показано, что укорочением кристалла до с можно поднять эффективность вывода в 2-3 раза (до 30-40 %). Разработг ны (численным моделированием) процедуры для изучения многооборотног вывода на ускорителях SPS и Тэватрон. Часть их реализована (вертикал] ное сканирование пучка, проверка "аморфного края" кристалла) в экспер1 ментах на SPS.

6. Промоделирован вывод из ускорителей LHC, Тэватрон и SSC. Из} чено влияние несовершенства кристалла ("толщина ссптума") и пара&к тров оптики ускорителя на эффективность вывода. Детально промодел1 рован готовящийся эксперимент Е853 по выводу протонов энергии 900 Гэ1 из сверхпроводящего ускорителя Тэватрон. Найдено, что при оптимально длине кристалла кремния (~1 см) возможно достичь очень высокой эффеь тивности вывода - порядка 70 %. В компьютерной модели исследован выво, пучка кристаллом из LHC (~7 ТэВ) и показано, что возможно достичь эф фсктивностп вывода 60-70 %, используя кристалл кремния длиной ~5 а:

Список литературы

[1] Бирюков В.М., Котов В.И., Чссноков Ю.А. Управление пучками за ряженных частиц высоких энергий при помощи изогнутых монокри сталлов. // УФН. 1994. Т. 164, No. 10, стр. 1017.

[2] Akbari H., Altuna X., Bardin S., Belazzini R., Biryukov V., Brez A. Bussa M.P., Busso L., Calcaterra A., Carboni G., Costantini F., De Sangr« R., Elsener K., Ferioli F., Ferrari A., Ferri G.P., Ferroni F., Ficlecaro G. Freund A., Guinand R., Gyr M., Herr W., Hilaire A., Jensen B.N., Klcm J. Lanceri G., Maier K., Massai M.M., Mertens V., Möller S.P., Morganti S. Palamara O., Peraire S., Potrera S., Placidi M., Santacesaria R., Scandali W., Schmidt R., Taratin A.M., Tosello F., Uggerhoj E., Vettermann B.

Vita P.F., Vuagnin G., Weisse E. and Weisz S. First results on proton extraction from the CERN-SPS with a bent crystal. // Phys. Lett. 1993. В 313,491._____________________________

[3] Biryukov V.M. On the theory of proton beam multiturn extraction with bent single crystal // Nucl. Instrum. Meth. 1991. В 53 202.

[4] Biryukov V.M. Computer simulation of beam steering with crystal channeling. // Phys. Rev. 1995. E 51, No. 4, p. 3522.

[5] Biryukov V.M., Chesnokov Yu.A., Galyaev N.A., Iiotov V.I., Narsky I.V., Tsarik S.V., Zapolsky Z.N., Fedin O.L., Gordeeva M.A., Platonov Yu.P., Smimov A.I.. On measuring 70 GeVproton dechanneling lengths in silicon crystals (110) and (111). // Nucl. Instrum. Meth. 1994. В 86 245.

6] Бавижев М.Д., Бирюков B.M. п Гаврилов Ю.Г. Эффективность поворота пучка протонов высокой энергии оптимально изогнутым монокристаллом. Влияние температуры на эффективность. // ЖТФ.

1991. Т. 61, в.2, с.136 Препринт ИФВЭ 89-223, Протвино, 1989.

i

7] Бавижев М.Д., Бирюков В.М. и Гаврилов Ю.Г. Оценка эффективности поворота пучка протонов высокой энергии с помощью изогнутого монокристалла: Препринт ИФВЭ 89-222, Протвино, 1989.

8] Biryukov V.M., Bavizhev M.D. and Tsyganov E.N. Estimate of the Influence of Dislocation Defects on Crystal Deflector Efficiency at 20 TeV. Report SSCL-N-777 (1991).

9] Бавижев М.Д. и Бирюков B.M. Деканалирование в мозаичном кристалле при тэвных энергиях. — Препринт ИФВЭ 90-184. - Протвино, 1990.

0] Bavizhev M.D. and Biryukov V.M. Comparison of different planar channels as possible deflectors of proton beam. Report SSCL-N-775 (1991).

1] Biryukov V.M. Crystal Channeling Simulation. CATCH 1-4 User's Guide CERN SL/ 93-74 (AP), 1993

2] Biryukov V.M. Каналирование в кристалле с переменной кривизной: Препринт ИФВЭ 91-159. - Протвино, 1991.

J] Bavizhev M.D., Biryukov V.M. and Gavrilov Y.G. High energy proton

deflection in bent single crystals. // Rad. Effects. 1993. 25 1391] Biryukov V.M., Chesnokov Yu.A., Galyaev N.A., Kotov V.I., Tsarik S.V., Zapolsky Z.N. Investigation of the rechanneling and dynamic equilibrium effects in crystals. // Nucl. Instrum. Meth. 1993. В 73 153.

[15] Biryukov V.M. Capture into planar channels in bent crystals. // Rail, Effects. 1993. 25 143.

[16] Biryukov V.M. Simulation of the SPS Crystal Extraction Experiment. CERN SL/ 93-78 (AP), 1993.

[17] Biryukov V.M., Bavizhcv M.D. and Tsyganov E.N. On the Influence oj Imperfect Surface of the Crystal Deflector on the Multiturn Extraction Efficiency. Report SSCL-N-776 (1991).

[18] Biryukov V.M. Computer simulation of crystal extraction of protons from a large-hadron-collider beam halo // Phys. Rev. Lett. 1995. 74, No. 13, p. 2471.

Рукопись поступила Ц апреля 1995 г,