Криогенные мишени в ядерно-физическом эксперименте тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Содержание.

Список иллюстраций.

Список таблиц.

Введение.

1. Основные принципы выбора типа криогенных мишеней для ядерно-физического эксперимента.

2. Криогенная ионизационная камера для исследования вероятности мезокаталитического синтеза.

2.1. Введение.

2.2. Общее устройство установки.

2.3. Криогенная ионизационная камера (КИК).

2.4. Система измерения и стабилизации температуры.

2.4.1. Микропроцессорная система измерения и стабилизации температуры.

2.4.2. РС модульная система измерения и стабилизации температуры.

2.5. Метрологическое обеспечение температурных измерений.

2.6. Регистрация событий катализа.

2.7. Результаты.

2.8. Новые эксперименты с использованием ионизационной камеры.

3. Криогенная система для исследования магнитных характеристик материалов (аБК методом.

3.1. Введение.

3.2. Требования, предъявляемые к криогенной системе.

3.3. Криостат и система криообеспечения.

3.4. Алгоритм измерения и стабилизации температуры.

3.5. Характеристики криостата и системы стабилизации температуры.

3.6. Результаты.

4. Криогенные установки для аттестации сверхпроводящих материалов и магнетиков.

4.1. Установка для исследования магнитных и кинетических характеристик высокотемпературных сверхпроводников и магнетиков.

4.1.1. Введение и основные формулы.

4.1.2. Структура установки.

4.1.2.1. Электромагнит с источником питания и магнитометром.

4.1.2.2. Криостат.

4.1.2.3. Система криообеспечения.

4.1.2.4. Система терморегулирования.

4.1.2.5. Измерительная электроника.

4.1.2.6. ЭВМ и вычислительные средства.

4.1.3. Экспериментальные результаты.

4.2. Автоматизированная установка для исследования вольт-амперных характеристик сверхпроводящих образцов.

4.2.1. Введение.

4.2.2. Структура системы.

4.2.2.1. Блок-схема установки.

4.2.2.2. Внешние устройства.

4.2.3. Алгоритм работы системы.

4.2.4. Экспериментальные данные.

5. Внутренняя криогенная водородно-дейтериевая газовая мишень.

5.1. Введение.

5.2. Накопительная газовая ячейка.

5.3. Устройство внутренней криогенной водородно-дейтериевой газовой мишени.

5.4. Устройство накопительной ячейки и система терморегулирования.

5.5. Оптимизация плотности мишени.

6. Системы формирования и детектирования холодной атомарной струи для источника поляризованного водорода(дейтерия).

6.1. Введение.

6.2. Источник поляризованного атомарного пучка.

6.3. Формирование атомарного пучка.

6.4. Криогенная система охлаждения сопла поляризованного источника.

6.4.1. Физические принципы тепловой трубы.

6.4.2. Основные формулы для тепловой трубы.

6.4.2.1. Баланс давления внутри тепловой трубы.

6.4.2.2. РТ-диаграмма процессов внутри тепловой трубы.

6.4.2.3. Условия кипения жидкости в тепловой трубе.

6.4.2.4. Условия сжижения газа в тепловой трубе.

6.4.3. Выбор газа для тепловой трубы.

6.4.4. Вычисление параметров для тепловой трубы, заполненной Ые.

6.4.4.1. Условия кипения неона для тепловой трубы.

6.4.4.2. Идея "теплового ключа".

6.4.4.3. Условия сжижения газа в неоновой тепловой трубе на верхнем конце.

6.4.4.4. Баланс давлений в неоновой тепловой трубе.

6.4.4.5. Расчет необходимой массы неона в тепловой трубе.

6.4.4.6. Теплоёмкость системы.

6.4.4.7. Результаты расчетов.

6.4.5. Экспериментальная установка.

6.4.6. Измерительная система.

6.4.7. Результаты измерений.

6.4.8. Установка системы охлаждения на основе криогенной тепловой трубы на поляризованном источнике.

6.4.9. Измерения интенсивности пучка поляризованных атомов водорода с помощью системы охлаждения на основе тепловой трубы.

6.5. Измерение профиля пучка атомарного водорода(дейтерия).

6.5.1. Металлическая проволока в потоке атомарного водорода.

6.5.2. Как металлическая проволока нагревается потоком атомарного водорода?.

6.5.3. Как поверхностные рекомбинации изменяют сопротивление проволоки?.

6.5.4. Частный случай. Аналитическое решение.

6.5.5. Регистрация потока атомарного водорода.

6.5.6. Монитор потока атомарного водорода.

6.5.7. Восстановление профиля потока атомарного водорода.

Работа посвящена созданию и применению криогенных мишеней в экспериментах на пучках заряженных частиц в ПИЯФ1 РАН, PSI2 Швейцария, ИЯФ СО РАН, COSY3 Германия, DESY4 Германия в 1987-2001 годах.

Большое число современных экспериментов на пучках заряженных частиц проводится с использованием криогенных мишеней. Однако для каждого эксперимента мишени обладают специфическими ' характеристиками, определяемыми физической задачей эксперимента. Можно выделить такие классы мишеней как:

• мишени на выведенных пучках, в которых исходный пучок разрушается мишенью;

• мишени на внутренних пучках, в которых исходный пучок в накопительном кольце многократно проходит сквозь мишень.

Мишени бывают:

• активные, в которых детектор вторичных частиц объединен с мишенью;

• пассивные, в которых задача мишени лишь образовать вторичные частицы, регистрируемые внешними (по отношению к мишени) детекторами.

Набор специфичных характеристик мишеней таких, как: температурные диапазоны работы; окна, применяемые в мишенях; давления и другие физические характеристики рабочих тел мишеней определяют технические решения при создании мишеней.

Условия использования мишеней на ускорителях определяются инфраструктурой самих ускорителей: условиями доступа к экспериментальным установкам, длительностью непрерывной работы и т.д.

Высокая стоимость ускорительного времени определяет основной приоритет при создании мишеней - минимизация потерь ускорительного времени, связанных с эксплуатацией мишеней.

Круглосуточная работа на ускорителях определяет требования к системам управления мишенями: мишени должны работать в полностью автоматическом режиме и все основные характеристики мишеней должны записываться параллельно с общим потоком физических данных.

Основная цель данной работы была в создании криогенных управляемых мишеней таких как:

• криогенная ионизационная камера. Активная мишень для использования на выведенном пучке и изучения температурной зависимости мюонного катализа ядерного синтеза в газообразном D2, в смесях D2 и Н2 и в газообразном HD; Петербургский Институт Ядерной Физики. До 1993 года ЛИЯФ - Ленинградский Институт Ядерной Физики. В тексте используются оба названия.

2 Paul Scherrer Institute, Villigen, Switzerland

3 COoler SYnchrotron

4DEutche Elektronen Synchrotron.

• мишень для исследования характеристик магнитных материалов fiSR5 методом. Пассивная мишень с тонкими окнами на выведенном пучке продольно поляризованных

• газовая криогенная водородная мишень. Пассивная мишень молекулярного водорода на внутреннем пучке накопительного кольца электронного ускорителя;

• система формирования атомарной струи поляризованной водородно-дейтериевой газовой мишени. Пассивная газовая мишень на внутреннем поляризованном протонном пучке накопительного кольца.

К основным задачам работы относятся также:

• исследования макроскопических характеристик элементов, применяемых в криогенных мишенях;

• проведение экспериментов по метрологическому обеспечению криогенных мишеней;

• разработка и использование систем управления мишенями.

Детальное измерение температурной зависимости скорости <Мц-катализа позволяет исследовать механизм резонансного образования мезомолекул, обязанный существованию слабосвязанного уровня. Такие измерения являются наиболее точным экспериментальным способом определения значения этого уровня ввиду сильной зависимости скорости катализа от энергии уровня. Сравнение теоретического и экспериментального значений энергии слабосвязанного уровня дает возможность с очень высокой точностью (до 10"6 от энергии связи ) исследовать систему трех тел с кулоновским взаимодействием, какой является мезомолекула. Эта задача и задачи исследования температурных зависимостей мезокаталитического синтеза в других системах и сделали актуальной создание криогенной ионизационной камеры с системой управления термодинамическими параметрами.

Поляризованные ц+-мезоны в fiSR-методе являются своеобразным микроскопическим магнитным зондом и широко применяются для исследования магнитной структуры разнообразных материалов. С открытием новых, высокотемпературных сверхпроводников jaSR-метод стал уникальным методом изучения внутренней магнитной структуры на микроскопическом уровне. Процесс зарождения и развития сверхпроводящей фазы при изменении температуры при различных магнитных полях представляет особый интерес. Исследования высокотемпературных сверхпроводников fiSR-методом и породили необходимость создания криогенной системы. Исследования iuSR-методом на ускорителе - дорогостоящий процесс. Поэтому очень актуальным являлась предварительная аттестация сверхпроводящих образцов и измерение макроскопических характеристик. Для этого создавалась автоматизированная установка для исследования магнитных и кинетических характеристик высокотемпературных сверхпроводников и магнетиков.

J Миоп Spin Rotation

Применение накопительных колец для заряженных частиц поставило задачу создания совершенно нового типа мишеней - внутренние мишени. Большая светимость эксперимента достигается за счет многократного прохождения пучка сквозь мишень. Особый интерес представляют собой газовые водородные или дейтериевые мишени. Такая мишень была создана для использования на НЭП (электронное накопительное кольцо в ИЯФ СО РАН6).Увеличение плотности газовой мишени достигается за счет использования криогенной накопительной ячейки.

Возрастающий' в ядерной физике и. физике элементарных частиц интерес к изучению эффектов связанных с наличием спина требует создания установок для получения поляризованных атомарных пучков водорода и дейтерия. Несколько реакций с использованием поляризованного пучка и/или мишени было предложено исследовать с помощью спектрометра ANKE7 на накопительном кольце COSY-Jülich. Будут исследованы: развал дейтрона p + d -> /?(о°)+л; эффекты рА -взаимодействий в конечном состоянии р + р р + К+ + Л .

Элементом поляризованной газовой мишени является формирование холодной атомарной струи. Таким образом криогенная система формирования газовой струи и средства измерения профиля плотности данной струи являются начальным этапом создания поляризованной газовой мишени.

6 Институт Ядерной Физики Сибирского Отделения Российской Академии Наук

Apparatus for studies of Nucleon and Kaon Ejectiles

Заключение.

Подводя основные итоги проделанной работы, можно сказать, что: • Впервые создана криогенная ионизационная камера, для изучения температурной зависимости мезокаталитического ядерного синтеза в газообразном , в смесях £)2 и Н2 и в газообразном Я£) в диапазоне температур ЗОК - 400К. С помощью системы управления получена стабильность температуры не хуже чем ±0.1 К. Проведенная калибровка по давлению насыщенных паров В2 -позволила гарантировать абсолютную точность измерения температуры лучше чем ±0.1 К. Это позволило выполнить уникальные по точности измерения энергии слабосвязанного уровня для /и~ в мы получили возможность контролировать состояние молекулы ёё/и в процессе мезокатализа.

• Создана установка для исследования магнитных характеристик материалов /иБК -методом в интервале температур 5-300 К и магнитных полей до 0.15 Т. В криостате впервые применены тонкие двухслойные окна из разнородных материалов при криогенных температурах, что более чем вдвое уменьшило эффективную толщину окон вдоль пучка по сравнению с металлическими окнами. Впервые для /иБК. -криостатов применены многоразовые индиевые уплотнения, что значительно сократило потери ускорительного времени, связанные с заменой исследуемых образцов.

• Для предварительной аттестации сверхпроводников и магнетиков созданы криогенные установки для исследования магнитных и кинетических характеристик и для исследования вольт-амперных характеристик сверхпроводящих образцов.

• Создана газовая криогенная водородно-дейтериевая мишень для внутреннего электронного пучка в накопительном кольце. Впервые криогенная система охлаждения газовой ячейки и система криогенной откачки мишени были совмещены на одной ёмкости с жидким гелием, что позволило получить высокую плотность (до 1016 ядер/см2) мишени и вакуум 10"6 мбар в кольце без дополнительных средств откачки. За счет подбора температуры для каждого потока водорода(дейтерия) система достигает максимума возможной плотности, когда давление в центре газовой ячейки приближается к давлению насыщенных паров над твердым водородом(дейтерием).

• Создана система формирования и измерения профиля холодной струи атомарного водорода(дейтерия). Впервые создана система охлаждения сопла поляризованной газовой водородно-дейтериевой мишени на основе криогенной тепловой трубы. Для стабилизации температуры сопла, определяющего температуру струи, использовалась криогенная тепловая труба на Ые. Температура сопла стабилизировалось в интервале 40-300К. дейтерии. Через анализ величины

• Для измерения профиля низкотемпературного атомарного водородно-дейтериевого пучка впервые создан "монитор потока атомарного водорода/дейтерия" на основе микро-проволочного двухкоординатного детектора. Впервые создана математическая модель детектора, которая и определила диаметры проволок и позволила добиться высокой чувствительности детектора. Разработана методика подготовки поверхности микропроволочного детектора, что позволило добиться воспроизводимости результатов не хуже 1%. Создан математический аппарат восстановления профиля потока атомов на основе измерения сопротивления проволок микропроволочного детектора

Представленные работы выполнены в период 1987-2001 (см. таблицу 6) и за этот период по теме диссертации с участием автора опубликовано 34 печатных работы.