Обратный комптон эффект на электрон-позитронных пучках в накопителях (методика, эксперименты, новые возможности) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

0„ >ЛР ^

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

" ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г.И. Будкера

На правах рукописи

КЕЗЕРАШВИЛИ Гурами Яковлевич

ОБРАТНЫЙ КОМПТОН-ЭФФЕКТ НА ЭЛЕКТРОН-ПОЗИТРОННЫХ ПУЧКАХ В НАКОПИТЕЛЯХ (МЕТОДИКА, ЭКСПЕРИМЕНТЫ, НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ)

01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

НОВОСИБИРСК—1994

Работа выполнена в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской Академии наук.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: '

— доктор физико-математических наук, профессор, Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г.Новосибирск.

— доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН, Объединенный институт ядерных исследований, г.Дубна.

— доктор физико-математических наук, профессор, Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском техническом университете, г.Томск.

Ведущая организация: Физический институт

им. П.Н. Лебедева РАН, г.Москва.

Защита диссертации состоится £?/?£>в-/7/7 1994 г.

" -/6 " часов на заседании специализированного совета Д.002.24.0 при Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90, ,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ СО РАН.

Диссертация разослана "

«^¿¿ЬюТО- 1994 г.

Байер

Владимир Николаевич

Мешков

Игорь Николаевич

Потылицын Александр Петрович

Ученый секретарь специализированного совета цоктор физ.-мат. наук, профессор

В.С. ФадиЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время достижения в области физики и техники электрон-позитронных накопителей, позволяющие проводить широкий спектр экспериментов в области физики высоких энергий, открывают новые возможности и в постановке ядерно-физических экспериментов на накопительных кольцах. Одной из таких возможностей является создание монохроматических и поляризованных пучков у-квантов высокой энергии и интенсивности, основанное на эффекте обратного комптоновского рассеяния (ОКР) световых фотонов на релятивистских электронах. Метод ОКР, предложенный в 1963 году, получил в последние 10-15 лет широкое распространение

благодаря бурному развитию лазерной и ускорительной техники.

/

Генерация и использование таких пучков на накопителях позволяет существенно расширить исследования электромагнитных взаимодействий ядер при промежуточных и высоких энергиях, особенно привлекательной является постановка корреляцонных экспериментов. Кроме того, привлечение спиновой информации в начальных состояниях несомненно дополяет знания об этих взаимодействиях на новом качественно более высоком уровне. Поэтому сейчас, в нескольких ведущих лабораториях мира, где проводятся исследования по соответствующей тематике, созданы или создаются установки, производящие монохроматические и поляризованные фотонные пучки методом ОКР.

В начале 80-х годов теоретически была показана возможность создания методом ОКР высокоэнергетических поляризованных встречных уу- и ге-пучков на основе лептонных линейных коллайдеров нового поколения. Такие пучки будут иметь принципиальное значение при экспериментальном исследовании целого ряда процессов образования промежуточных векторных бозонов, например, у+у => К у+е И~+1>е, у+е~ =» е~+г° и

других. Актульность создания встречных уу пучков методом ОКР признана во всем мире, и в этом году в Беркли (США)

планируется проведение первой международной конференции по проблеме гамма-гамма колайдеров.

В то же время, в ведущих физических центрах предложены и реализуются проекты по физике высоких энергий со встречными продольно-поляризованными пучками: установка LEP (CERN, Швейцария), HERA (DESY, Германия), ВЭПП-4М (ИЯФ, Россия). Постановка экспериментов с поляризованными частицами в начальных состояниях - важный источник информации о спиновых зависимостях фундаментальных взаимодействий, изучение которых, совершенно необходимо ; для создания полноценной теории элементарных частиц. Так, например, на накопителе ВЭПП-4М откроется возможность измерения вклада слабых взаимодействий в сечение Т-мезонных резонансов. Необходимым условием проведения таких экспериментов, является измерение и оперативный контроль направления и степени поляризации взаимодействующих пучков.

Исследования, составляющие основу диссертации, были выполнены автором в 1978-1993 годах. Актуальность их подтверждается неослабевающим интересом мировой научной общественности к этим проблемам, который обусловлен практической значимостью исследований и открывающимися новыми

экспериментальными возможностями.

• I

Цель настоящей работы заключалась в исследовании и развитии метода ОКР на электрон-позитронных пучках в циклических и линейных коллайдерах, в создании на его основе экспериментальных установок на накопителях ВЭПП-2М, ВЭПП-3, ВЭПП-4, ВЭПП-4М и проведении на этих установках экспериментов по физике высоких энергий и фотоядерной физике, а также в разработке новых методов диагностики пучков.

Научная новизна.

1. Впервые наблюдался на встречных электрон-позитронных пучках процесс ОКР ондуляторных фотонов (накопитель ВЭПП-2М).

Впервые проведено измерение радиационной поляризации встречных пучков с помощью сверхпроводящего спирального ондулятора (накопитель ВЭПП-2М).

2. Предложен и экспериментально проверен новый способ измерения эммитанса электронного пучка методом ОКР (накопители

ВЭПП-3, ВЭПП-4).

Предложен новый способ измерения сверхмалых поперечных размеров пучков методом ОКР в электрон-позитронных коллайдерах на сверхвысокие энергии и светимости.

3. Установкой "Лазерный поляриметр" проведено измерение "картины" спиновых резонансов накопителя ВЭПП-4 в энергетическом диапазоне рождения Т-мезонных резонансов (4.6+5.3) ГэВ. Проведено абсолютное измерение энергии электронов в первом цикле экспериментов по прецизионному измерению массы Т(1Б)-мезона. Точность измерения массы мезона в этом эксперименте была улучшена в 15 раз по сравнению с табличным значением.

4. Создана установка РОКК-1, позволяющая получать поляризованные монохроматических т-кванты с потоком

5

2.5-10 фотон/с в диапазоне энергий (0.1 + 1.4) ГэВ. На момент создания эта установка являлась, единственной в стране и по диапазону энергий полученных г-квантов на порядок превосходила аналогичную установку ЬАОСЖЕ (вторую в мире) во фраскати (Италия).

Создана установка РОКК-2 с потоком поляризованных и монохроматических фотонов 3-10 фотон/с в диапазоне энергий (30+220) МэВ. На момент создания параметры установки являлись рекордными.

5.Впервые получены "меченные" по энергии комптоновские фотонные пучки. На установке Р0КК-1 точность маркирования энергии фотонов в пучке составляла (2+4) У. в диапазоне энергий ( 120+850) МэВ, на установке РОКК-2 - (1.5+2)% в диапазоне энергий (30+220) МэВ.

6. Разработана методика фотоядерных корреляционных экспериметов на меченных т-пучках, полученных методом ОКР на электронных накопителях. На пучках установок Р0КК-1 и РОКК-2 проведены эксперименты по изучению физики деления тяжелых ядер.

7. Впервые измерены вероятности симметричного и асимметричного деления ядер урана на пучке меченных фотонов с энергией (60+220) МэВ, а также измерены вероятности вылета легких заряженных частиц в совпадении с осколками деления, которые подтверждают основную роль каскадного механизма в

фотопоглощении тяжелых ядер.

Практическая ценность проведенных исследований.

1. Созданная установка "Лазерный поляриметр" позволяла достаточно быстро, надежно, без возмущения движения частиц в накопителе проводить измерения степени и направления поляризации электронов в накопителе ВЭПП-4.

2. Созданные установки РОКК-1, РОКК-2 и РОКК- 1М на накопителях ВЭПП-4, ВЭПП-3 и ВЭПП-4М позволяют проводить широкий круг ядерно-физических экспериментов с использовнием монохроматических и поляризационных свойств г-пучков этих установок; эффективно проводить корреляционные эксперименты по регистрации совпадений продуктов ядерных реакций. Практически полное отсутствие нейтронного и радиационного фонов существенно способствует постановке поисковых экспериментов на этих пучках.

3.Предложенная и опробированная на накопителях ВЭПП-4 и ВЭПП-3 методика измерения эмиттанса электронного пучка может быть использована в ускорительной практике.

4. Предложенный новый метод измерения сверхмалых размеров пучков может быть использован в настоящее время, как единственный адекватный способ измерения, на строящихся и проектируемых электрон-позитронных коллайдерах на сверхвысокие энергии и светимости.

5.Результаты измерения поляризации встречных электрон -позитронных пучков с использованием ондулятора позволяют распространить поляриметрию методом обратного комптоновского рассеяния в область энергий ниже 1 ГэВ. Эта методика может быть рекомендована для использования на электронных накопителях соответсвующих энергий.

6.Разработанная методика и опыт проведения фотоядерных корреляционных экспериметов на электронных накопителях может быть распространен и успешно использован при проведении экспериментов по этой тематике.

Результаты диссертационной работы уже использованы в ИЯФ им. Г. И. Будкера СО ран на новой установке рокк-1М на накопителе ВЭПП-4М. Опыт создания и работы установок рокк-1 и рокк-2 в настоящее время распространен и используется на создаваемой в рнц "Курчатовский институт" (г.Москва)

аналогичную установку на накопителе Сибиръ-2. Результаты диссертации могут быть также рекомендованы к использованию в Харьковском физико-техническом институте АН Украины (г.Харьков), а так же при создании встречных уу пучков на линейном коллайдере сверхвысоких энергий - проект ВЛЭПП в ИФВЭ ( г. Протвино).

Апробация диссертационной работы. Основные научные

' результаты, полученные в диссертации, докладовались и обсуждались на: Всесоюзных совещаниях по ускорителям заряженных частиц высоких энергий (Дубна, 1982, 1985, 1989,

1992); Международной конференции по ускорителям частиц высоких энергий (Батавия, США, 1983), Всесоюзных совещания по использованию синхротронного излучения (Новосибирск, 1982,1 1984); Международных семинарах по спиновым явлениям в физике высоких энергий (Серпухов, 1982, 1985); Годичном собрании Отделения ядерной физики АН (Москва 1983); Международном симпозиуме по спиновым явлениям в физике высоких энергий (Протвино, 1986); Международных семинарах по электромагнитным взаимодействиям ядер при низких и средних энергиях (Москва, 1985, 1988, 1991); Международной конференции по делению ядер (Ленинград, 1989); Всесоюзной школе по ядерной физике (Киев, 1990); Международных школах по ядерной физике (Фраскати, Италия, 1983, Лакуила, Италия, 1990, 1992) ; Международном симпозиуме по ядерной физике (Гайсинг, Германия, 1988); Зимней школе ПИ ЯФ по физике частиц и атомного ядра (Зеленоград,

1993); Международной конференции по частицам и ядрам (Перуджа, Италия, 1993), а также, обсуждались на научных семинарах Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, Харьковского физико-технического института и института ядерных исследований АН Украины. Института ядерных исследований РАН, Института атомной энергии им. Курчатова, Брукхевенской национальной лаборатории (США), Национальной лаборатории СЕВАР (США), лаборатории Бейтса Массачусетского технологического института (США), университета Дюка (США), Иллинойском университете (США), Гарвардском университете (США), лаборатории им.Ферми (США), университете Дж. Вашингтона (США), Национальном институте стандартов и технологий (США), Римском университете,

национальной лаборатории Фраскати, Национальной лаборатории СЮШБАЗО (Италия), лаборатории ОЕБУ, в институтах ии. М. Планка в Гейдельберге и Штудгарте (Германия) и в других. Публикации. По материалам диссертации опубликованно более 40 работ.

Структура работы. Текст диссертации состоит из введения, восьми глав, четырех приложений и заключения и содержит 256 страниц машинописного текста, включая 88 рисунков и списка литературы из 194 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается краткий обзор теоретических и

экспериментальных работ, посвященных ОКР фотонов на

\

релятивистских электронах. Отмечается научная новизна и практическая ценность работы. Кратко излагается содержание диссертации и полученные результаты.

В первой главе диссертации рассматриваются основные количественные характеристики процесса ОКР фотонов на релятивистских электронах (позитронах) в накопительных кольцах.

В §1. 1 анализируется кинематическая формула для энергии вторичных фотонов, приведены расчетные угловые и энергетические характеристики процесса в диапазоне энергий накопителя ВЭПП-4.

В §1.2 рассматриваются поляризационные явления при ОКР. Здесь приведены расчетные зависимости характеристик процесса с учетом усреднения по параметрам электронного пучка при рассеянии на поляризованных (поперчено и продольно) электронах. Расчеты выполнены для, накопителя ВЭПП-4, в качестве источников фотонов рассматривались лазеры. Проведены расчеты поляризации комптоновских г-квантов.

Вторая глава диссертации посвящена установке "Лазерный поляриметр", созданной на накопителе ВЭПП-4 для проведения экспериментов с поляризованными пучками. Приводятся результаты экспериментов по измерению поперечной поляризации электронов и абсолютной калибровке энергии накопителя с помощью этой установки.

В §2. 1 кратко описывается явление радиационной поляризации электронов в накопителях. Приведены необходимые формулы для оценки времени установления и степени радиационной поляризации пучков. Обсуждаются деполяризующие факторы. Дана оценка времени деполяризации на основном и первом модуляционном резонансах для применявшегося в экспериментах на ВЭПП-4 деполяризатора с поперечным высокочастотным полем.

В §2. 2 подробно описана установка "Лазерный поляриметр". Рассматриваются основные характеристики установки и анализируются фоновые условия при проведении экспериментов. Описана регистрирующая аппаратура для детектирования 7- квантов.

§2. 3 посвящен результатам измерения радиационной поляризации электронов в области энергий рождения Т-мезонных резонансов (4.6+5.3) ГэВ. Здесь приводится измеренная с помощью установки "Лазерный поляриметр" "картина" спиновых резонансов. Установка обеспечивала 10% точность измерения степени поляризации пучка за время 100 с в типичных экспериментальных условиях накопителя ВЭПП-4.

В §2. 4 описывается- методика и результаты абсолютной калибровки энергии накопителя ВЭПП-4 с помощью установки' "Лазерный поляриметр". Энергия накопителя калибровалась в первом цикле эксперимента по прецизионному измерению массы Т (1э)-мезона. Эксперимент проводился с помощью детектора МД-1. Точность измерения массы в этом эксперименте была улучшена в 15 раз по сравнению с табличным значением.

Сравнительный анализ других методов измерения поляризации проведен в §2. 5.

Третья глава посвящена экспериментам по ОКР циркулярно поляризованных фотонов из спирального ондулятора в области энергий встречных электрон-позитронных пучков (500+650) МэВ на накопителе ВЭПП-2М.

В §3. 1 описывается метод ОКР фотонов из спирального ондулятора. Приведены расчеты.

§3. 2 посвящен эксперименту по первому наблюдению на встречных электрон-позитронных пучках процесса ОКР ондуляторных фотонов из "теплого" спирального ондулятора, установленного на промежутке встречи накопителя ВЭПП-2М.

Первый эксперимент был проведен в 1980 году. Поле на оси ондулятора составляло 1.3 кГс. В этом эксперименте отношение эффект/фон было О.45. i

В §3. 3 приведены расчеты, описание конструкции и результаты испытаний сверхпроводящего спирального ондулятора. Параметры магнитной структуры (поле на оси пучка - 4. 7 кГс, шаг магнитного поля 2.4 см) ондулятора были оптимизированы для измерения радиационной поляризации встречных пучков методом ОКР. Ондулятор был установлен в промежуток встречи накопителя в 1984 году и позволял производить циркулярно поляризованные фотоны с энергией до 100 эВ при энергии накопителя 650 МэВ.

Далее, в §3.4, описывается эксперимент по измерению поперечной поляризации электронов и позитронов, а также, абсолютной калибровке энергии накопителя ВЭПП-2М с помощью сверхпроводящего спирального ондулятора. Описывается регистрирующая аппаратура и электроника. Приводятся и обсуждаются экспериментальные результаты выполненые на встречных электрон-позитронных пучках на накопителе ВЭПП-2М по ОКР фотонов из сверхпроводящего спирального ондулятора. Результаты демонстрируют хорошую чувствительность ондуляторного поляриметра к инверсии направления поляризации пучка электронов (позитронов).

Из проведенных экспериментов, описанных в этой главе, можно сделать заключение - новая методика измерения поляризации встречных пучков с помощью спирального ондулятора позволяет в условиях накопителя ВЭПП-2М обеспечить 107. точность измерения степени поляризации и определить её направление за время измерения 45 с. Кроме того, эта методика позволяет распространить поляриметрию методом ОКР даже на область энергий ниже 1 ГэВ, что и было продемонстрировано в экспериментах на накопителе ВЭПП-2М. Верхняя по энергии граница для этого способа, по-видимому, определяется сравнением с хорошо зарекомендовавшим себя и 6ojjee простым лазерным поляриметром и попадает в диапазон (5+10) ГэВ.

Четвертая глава посвящена использованию метода ОКР для измерения пространственных параметров пучков в электрон -позитронных коллайдерах. Здесь описываются два новых метода измерения геометрических параметров встречных электрон

позитронных пучков в циклических и линейных коллайдерах на высокие и сверхвысокие светимости и энергии. Приводятся экспериментальные результаты полученные на накопителях ВЭПП-3 и ВЭПП-4. Анализируется источники ошибок и точности методов измерения.

В §4. 1 изучено влияние параметров электронного пучка и поляризации лазерных фотонов на вертикальное угловое распределение вторичных фотонов. Рассматривается предложенный, разработанный и экспериментально проверенный на накопителях ВЭПП-3 и ВЭПП-4 метод измерения эмиттанса электронного пучка методом ОКР. Идея метода основана на измерении глубины модуляции вертикального углового размера вторичных фотонов в зависимости от вертикального углового разброса в электронном пучке и поляризации лазерных фотонов. Приведены результаты измерения углового разброса в электронном пучке с помои»*» этого метода выполнение на установках "Лазерный поляриметр" на ВЭПП-4 и РОКК-2 на ВЭПП-3. Методика обеспечивает, измерение угловых разбросов в пучке электронов на порядок меньших, чем 1/7 (у-релятивистский фактор электрона) с точностью slOX за время измерения ^10 с. Эта же методика позволяет выставлять циркулярную поляризацию лазерного излучения в месте встречи с электронным пучком ускорителя с точностью «5%.

В §4. 2 излагается новый способ измерения сверхмалых размеров пучков, предложенный автором совместно с А. Н. Скринским.

Суть метода состоит в следующем. Перпендикулярно к траектории пучка в ускорителе формируется область с плоской стоячей электромагнитной волной. Заряженные частицы, проходя сквозь структуру стоячей волны, рождают комптоновские у-кванты. Интенсивность вылета у-квантов зависит от участка стоячей волны с которой взаимодействует пучок. Изменяя местоположение максимумов плотности стоячей волны, можно получить модуляцию интенсивности вылета комптоновских у-квантов. При этом глубина модуляции зависит от размера и формы распределения плотности пучка заряженных частиц.

Показано. что для предсказания электрон- позитронной светимости бЬз учета влияния эффектов встречи, достаточно измерить глубину модуляции интенсивности при комптоновском

рассеянии электронного пучка на стоячей волне. Электрон-позитронная светимость может быть определена с хорошей точностью ( 107.) без знания формы распределения плотности пучков и их размеров.

Проанализированы источники ошибок и факторы влияющие на точность метода. Предложена схема эксперимента, обсуждены возможности его реализации, приведены подробные численные оценки для ГГТВ эксперимента в БЬАС (США), вертикальный размер электронного пучка 60 нм, и проекта ВЛЭПП, вертикальный размер электронного пучка 1 нм. Как показано, данный метод не имеет физических ограничений и дает возможность измерения еще двух параметров электронного пучка - знака и степени продольной поляризации.

Пятая глава посвящена ОКР - как источнику монохроматических и поляризованных г-квантов высоких энергий для ядерно-физических экспериментов.

В §5.1 проанализированы различные методы получения и монохроматизации фотонных пучков высоких энергий и сделано сравнение параметров существующих и создаваемых в настоящее врвця установок, в которых они используются, что позволяет реально оценить перспективы исследований в данной области.

В §5.2 описана установка РОКК-1 на накопителе ВЭПП-4. Модернизация установки "Лазерный поляриметр", проведенная в 1983 году, позволила увеличить интенсивность комптоновских у-квантов более чем в 20 раз и расширить диапазон энергий генерируемых фотонов. Новая установка получила название РОКК-1 (Рассеянные Обратно Комптоновские Кванты). Диапазон энергий

5

РОКК-1 - (0.1+1.4) ГэВ, интенсивность 2.5-10 фотон/с. На этой установке были впервые получен "меченный" комптоновский фотонный пучок. Используя систему мечения, установка генерировала фотоны в диапзоне энергий (120*850) МэВ с маркируемой энергией каждого фотона с точностью (2+4)%. Эта установка была второй в мире (по времени запуска) и существенно продвинутой по энергии, интенсивности и

монохроматичности генерируемых г-квантов. На установке в 1983-1985 годах велись совместно с сотрудниками ИЯИ АН- СССР эксперименты по фотоделению ядер.

В 1987 году на накопителе ВЭПП-3 была создана установка

РОКК-2 для продолжения экспериментов по исследованию фотоделения тяжелых трансурановых элементов. - Её детальное описание приведено в §5. 3.

В качестве источника фотонов в установке используется лазерная система фирмы "COHERENT RADIATION", включающая в себя мощный ионный аргоновый лазер "INNOVA-20", укомплектованный "CAVITY DUMPER" и "MODE LOCKER". Лазерное излучение с длительностью импульса (0.3+12) не и частотой повторения, кратной частоте обращения пучка в накопителе вводится в вакуумную камеру ВЭПП-3 в прямолинейный промежуток длиной 12 м. Оптико-механическая система установки позволяет нацеливать лазерный луч диаметром (0.2+0.4) мм в электронный пучок с точностью 10 мкм. Взаимодействие лазерного и электронного пучков можно организовать на любом участке прямолинейного промежутка (с точностью 3+15 см по азимуту накопительного кольца) за счет изменения фазы между временем пролета электронного сгустка в накопителе и фотонным сгустком из лазера и перемещения перетяжки лазерного пучка. Для управления поляризацией лазерного пучка используется ячейка Поккельса. Контроль за размерами, положением и поляризацией лазерного излучения производится в центре и в конце промежутка с помощью телепробников и поляриметров.

Фотоны родившиеся в прямолинейном промежутке, вылетают из

вакуумной камеры накопителя. Пролетая через очищающий магнит и

трубу (длина 11м), из которой откачан воздух, они попадают в

детектор ФД (детектор ядерных фрагментов), внутри которого

-2

находятся мишени с тонкими слоями (10 рад. длины) исследуемых трансурановых изотопов. Угловые и энергетические параметры ■¡г-квантов измеряются аппаратурой (пропорциональные камеры, калориметры полного поглощения, сцинтилляционные счетчики) расположенной за детектором ФД.

Принцип действия системы печения у-квантов по энергии на установке Р0КК-2 основан на измерении отклонения электрона, претерпевшего рассеяние на лазерном фотоне или атоме остаточного газа, от равновесной орбиты электронного пучка в магнитном поле. В качеотве спектрометрического магнита использован поворотный магнит структуры накопителя за которым расположена система регистрации. Она состоит из дрейфовой

камеры для определения координаты пролета рассеянного электрона, и сцинтилляционного счетчика который служит для быстрого физического запуска аппаратуры системы мечения.

Система управления установкой и обработка информации с мониторирующей аппаратуры и системы мечения полностью автоматизирована. Набор программ и аппаратуры позволяет организовать разного рода совпадения и калибровки, а также произврдить обработку экспериментальных данных в реальном времени.

Интенсивность пучка у-квантов на установке РОКК-2

с

составляет 3>10 фотон/с. При абсолютной точности маркирования по энергии 4 МэВ в диапазоне энергии комтоновских у-квантов до 220 МэВ и тормозного излучения на атомах остаточного газа накопителя до 270 МэВ.

Параметры действующих и планируемых к запуску установок производящих у-пучки методом ОКР на накопителях приведены в Таблице 1. Здесь же приведены параметры накопителей и лазеров, позволяющих получить такие пучки.

Таблица 1.

Установка ЫШОЫЕ 1ЮКК-1 КОКК-2 ЬЕвБ К0КК-1М СЯААЬ РМК

Накопитель АОСЖЕ УЕРР-4 УЕРР-З УЕРР-4М ЕвИЕ ЗГВЕИА

Метод монохромат. коллим мечен. мечен. мечен КОЛЛИМ. мечен. мечен мечен.

Энергия электр. , ГэВ 1.5 5.5 2.0 3.0 5.5 5.5 2.5

Энергия фотона, эВ 2.41 2.34 2.41 2.41 3.53 2.41 3.53 1.17;2.34 3.53;4. 68 2.41 3.53 2.41

Энергия у-кванта, МэВ 5 + 78 120+ 850 30+140 30+220 50+ 360 100+1600 100 + 1600 200

Энергетич. разреш. , 7. 2 + 18 2 + 4 1.5 + 2 1.5 + 3 0. 2 1 1 + 3

Электронный ток, А .2 .01 .2 .2 .02 .2 .2

Интенсивк. у-пучка, 1/с ю5 (18%) 2.5- 10& з-ю6 з-ю6 ю6+ ю7 ю6+7 10 ю6+ю7

Дата запуска 1980 19821985 1987 1989 1990 1993 1995 1995

Основными достоинствами пучка r-квантов установок РОКК-1 и РОКК-2 являются: 1) близкая к 100% круговая или линейная поляризация у-пучка (с возможностью быстрой инверсии знака поляризации); 2) высокая степень монохроматичности; 3) практически полное отсутствие нейтронного и радиационного фонов, обусловленное спецификой работы накопителя я отсутствием тормозной нишени; 4) высокий коэффициент заполнения пучка, позволяющий иметь высокую эффективность регистрации при постановке корреляционных экспериментов; 5) возможность плавно изменять энергию у-квантов без потери интенсивности пучка путем изменения энергии электронов в накопителе; 6) возможность проведения физического эксперимента в "паразитном" режиме параллельно с другими программами на накопителе.

Шестая глава диссертации посвящена- экспериментам по

измерению сечений фотоделения и делимости ядер урана и

нептуния на пучке установки P0KK-2. В 1987-1992 годах на

установке P0KK-2 работал детектор ФД, созданий совместными

усилиями ИЯФ им. Г. И. Будкера СО РАН и ИЯИ РАН (Москва, группа

под руководством В. Г. Недорезова). Приводится краткое описание

детектора ФД. Подробно обсуждается регистрирующая аппаратура и

методика её калибровки. Проводится детальный анализ

систематических ошибок при измерении абсолютных сечений

238 237

деления. Измерены сечения фотоделения ядер и и Np под действием меченых фотонов с энергией (60+220) МэВ. Показано,

что начиная с энергии -150 МэВ сечения начинают плавно расти;

237

при этом делимость ядра Np на »30% превышает делимость 238

U, что согласуется с расчетами, выполненными в рамках каскадно-испарительной модели.

Показано, что наблюдаемое различие в делимостях этих ядер, в указанном диапазоне энергий, объясняется испусканием быстрых каскадных частиц, предшествующих делению ядер. Полученные результаты по сечениям фотоделения ядер согласуются с предположением о преимущественном вкладе двух механизмов фотопоглощения при средних энергиях, а именно: квазидейтронном и, при энергии выше порога, фоторождении пионов на внутриядерных нуклонах с последующим возбуждением ядер за счет внутриядерного каскада. Вместе с тем, из данных по абсолютным

сечениям следует, что учет только двух указанных механизмов не является достаточным или требует более детального описания каждого из них.

Седьмая глава посвящена корреляционным экспериментам по 238 237

фотоделению ядер и и Ир на установке РОКК-2.

Исследования проводились с помощью детектора ФД. В эксперименте одновременно измерялись:

ионизационные потери осколков деления;

угловые распределения осколков деления в диапазоне ±45°

относительно направления г-пучка;

энергии и множественность протонов, вылетающих в

совпадении с осколками деления;

энергии легких частиц с массой меньше массы нуклона,

вылетающих вперед, в совпадении с осколками деления ядер.

В §7. 1 подробно описана методика и приведены результаты

измерения ионизационных потерь осколков, выполненых с помощью

пропорциональных камер низкого давления, на основании которых

проводились оценки вероятности симметричного и асимметричного

деления ядер. Результаты измерения показывают, что для

указанных ядер отношение вероятностей симметричного и

асимметричного деления слабо растет с ростом энергии фотонов,

в среднем составляя (40±3)% в области энергий фотонов (60+220)

МэВ. Это подтверждает вывод о важной роли внутриядерного

каскада при средних энергиях фотонов, в результате которого

большая часть энергии уносится из ядра до его распада на

осколки и остаточные ядра испытывают большое влияние

оболочечных эффектов.

В §7. 2 приведены результаты измерений вероятности

238 2 37

испускания протонов на один акт деления ядер и и Ыр в

I

зависимости от энергии фотонов. Средняя вероятность для этих ядер составляет (27±4)У. и (15±3)% соответственно. Полученные значения находится в согласии с предсказаниями каскадно-испарительной модели деления ядер и подтверждают основную роль каскадного механизма в фотопоглощении тяжелых ядер.

В §7. 3 описан эксперимент по поиску новых механизмов

фотовозбуждения ядер. При измерениях регистрировались

238 237

совпадения осколков деления ядер и и Ыр и быстрых легких

частиц (с массой меньше иассц нуклона), которые вылетают

-4

только в малый телесный угол (-10 стер) относительно оси 7-пучка. Экспериментально показано, что возможен процесс возбуждения ядер фотонами с малой передачей энергии и импульса до энергий выше порога деления ядер. Вероятность процесса для указанных ядер растет с ростом энергии и при 220 МзВ достигает ( Ю±2)% по отношению к полному сечению.

Детально проанализированы возможные источники фона и случайных совпадений. Обсуждаются возможные теоретические модели для объяснения полученных экспериментальных данных.

Восьмая глава диссертации посвящена новой установке Р0КК-1М. Установка создана для проведения экспериментов с использованием процесса ОКР лазерных фотонов на электрон-позитронных пучках в накопителе ВЭПП-4М. Предполагается решить несколько основных задач, имеющих отношение к различным областям экспериментальной физики:

а) для проведения экспериментов по двухфотонной физике на встречных е+е пучках необходимо произвести абсолютную калибровку энергетической шкалы системы регистрации рассеянных электронов (СРРЭ) детектора КЕДР с точностью не хуже 2-ю" от энергии электронного пучка, которая составляет 5.5 ГэВ.

б) для проведения прецизионных экспериментов на встречных е+е требуется обеспечить оперативное измерение радиационной поляризации (как поперечной, так и продольной) электронного (позитронного) пучка с точностью 10% и временем измерения около 30 с, а также, провести абсолютную, калибровку энергии накопителя ВЭПП-4М с точностью 0.001%;

в)для проведения экспериментов по фотоядерной физике

планируется использовать установку в качестве источника

меченных (с помощью СРРЭ) поляризованных у-квантов в диапазоне

6 7

энергий (0.1+1.6) ГэВ и интенсивностью (10 +10 ) фотон/С;

г)установка будет использована в качестве экспериментального полигона для моделирования процессов происходящих в области электрон-фотонного взаимодействия при высоких и сверхвысоких плотностях энергий в электромагнитной волне с целью, в конечном итоге, получения встречных у-у пучков.

Создание этой установки было начато в 1989 году, а в мае

1993 года был произведен физический запуск установки. С

использованием второй гармоники Nd:YAG-лазера, получена

• 5

интенсивность . пучка «10 фотон/с. Получен меченный

комптоновский пучок с запроектированной точностью маркирования

у-квантов по энергии (см. таблицу 1). Для ряда запланированных

на установке Р0КК-1М экспериментов получен и коллимированный

комптоновский пучок. В настоящее время (декабрь 1993 года) на

установке ведутся работы по повышению' интенсивности пучка до 6 7

значений (10 +10 ) фотон/с, а также начат первый эксперимент по фотоядерной физике. Эксперимент проводится в рамках коллаборации между ИЯФ им. Г. И. Будкера с группами LADONE (INFN, Италия) и GRAAL (Гренобль, Франция).

, В приложениях 1-4 приводятся основные характеристики накопителей ВЭПП-2М, ВЭПП-3, ВЭПП-4 и ВЭПП-4М на которых проводились исследования по теме диссертационной работы.

В заключении приведены основные результаты работы, которые выносятся на защиту:

1. Впервые наблюдено на встречных электрон-позитронных пучках ОКР ондуляторных фотонов из спирального ондулятора, установленного на промежутке встречи накопителя (накопитель ВЭПП-2М, 1980г.).

Проведено измерение радиационной поляризации встречных пучков с помощью сверхпроводящего спирального ондулятора -новая методика позволила в условиях накопителя ВЭПП-2М обеспечить 10'/. точность измерения поляризации за время измерения 45 с и определить ее направление. Этот эксперимент явился распространением способа измерения поляризации по методу ОКР в область низких энергий.

2. Создана установка "Лазерный поляриметр" для проведения экспериментов с поляризованными пучками на накопителе ВЭПП-4, обеспечивающая 10% точность измерения поляризации электронов за время измерения 60 с.

Проведено измерение "картины" спиновых резонансов в энергетическом диапазоне рождения Т-мезонных резонансов.

Проведена абсолютная калибровка энергии электронов в первом цикле экспериментов по прецизионному измерению массы

Т(1з)-кезона с помощью детектора MD-1. Точность измерения массы в этом эксперименте была улучшена в 15 раз по сравнению с табличным значением.

3. Разработаны методы измерения радиационной поляризации электронов и позитронов в накопителях использующие:

а) ОКР ондуляторного излучения;

б) ОКР лазерных фотонов.

4. Создана установка РОКК-1 с потоком поляризованных и

5

монохроматических фотонов 2.5*10 фотон/с в диапазоне энергии (О. 1 + 1. 4) Гэв.

Создана установка РОКК-2 с потоком поляризованных и монохроматических фотонов 3-106фотон/с в диапазоне энергий (30+220) МэВ.

Проведен физический запуск новой установки Р0КК-1М на накопителе ВЭПП-4М, получены меченные т-пучки методом ОКР с расчетными параметрами.

5. Впервые получены "меченные" по энергии комптоновские фотонные пучки. На установке РОКК-1 точность маркирования энергии фотонов в пучке составляла (2+4)% , на установке РОКК-2 - ( 1. 5+2)'/..

6.Изучено влияние параметров электронного пучка и гюляризации лазерных фотонов на угловое распределение комптоновских фотонов.

Предложен и экспериментально проверен на накопителях ВЭПП-4 и ВЭПП-3 новый способ измерения эммитанса электронного пучка методом ОКР.

Предложен новый способ измерения сверхмалых поперечных размеров пучков методом ОКР в электрон-позитронных коллайдерах на сверхвысокие энергии. Проанализированы источники ошибок и точность метода.

7. На пучках установок РОКК-1 и РОКК-2 проведены эксперименты по изучению физики деления тяжелых ядер.

Разработана методика фотоядерных корреляционных экспериметов на электронных накопителях.

' ОТО 5QI7

8. Измерены сечения фотоделения ядер и и Np под

действием меченых фотонов с энергией (60+220) МэВ. Показано,

что начиная с энергии «150 МэВ сечения начинают плавно расти,-

237

при этом делимость ядра Np на ®30Х превышает делимость

U, что согласуется с расчетами, выполненными в рамках каскадно-испарительной модели.

Показано, что наблюдаемое различие в делимостях этих ядер, в указанном диапазоне энергий, объясняется испусканием быстрых каскадных частиц, предшествующих делению ядер.

9. Проведены измерения вероятностей симметричного и

238.. 237.т

асимметричного деления ядер U и Np в диапазоне энергии (60+220) НэВ, а также измерены вероятности вылета протонов в совпадении с осколками деления ядер, которые подтверждают основную роль каскадного механизма при переходе от малонуклонных взаимодействий к коллективным возбуждениям ядер.

10. Экспериментально показано, что возможен процесс возбуждения ядер фотонами средних энергий с малой передачей энергии и импульса. Вероятность процесса для указанных ядер растет с ростом энергии фотонов и при 220 МэВ достигает (10+1.5)'/. по отношению к полному сечению.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Воробьев П. В. , Казаков А. А. , Кезерашвили Г. Я. , Курдадзе Л.М. , Петров В. В., Никитин С. А. , Скринский А. Н. , Тумайкин Г. М. , Шатунов Ю. М. Измерение поляризации электронов на накопителе ВЭПП-4 лазерным поляриметром // Труды В-го Всес. сов. по ускор. заряж. частиц -Дубна. - 1982.-Т. 2.-С. 272-276.

2.Артамонов A.C., Бару С. Е. , Бондарь А. Е, Букин А. Д, Воробьев

A. Н. , Грошев В. Р. , Жоленц А. А. , Эйдельман Ю. И. , Киселев

B. А. , Иноземцев Н.И., Кезерашвили Г. Я. , Купер Э. А. , Курдадзе Л. М. , Мишнев С. И. , Никитин С. А. , Онучин А. П. , Петров В. В. , Протопопов И. Я. , Салдин Е.Л. , Сидоров В. А. , Скринский А. Н. , Таюрский В. А. , Тельнов В. П., Тихонов Ю. А. , Тумайкин Г. М. , Шатунов Ю.М. Измерение кассы Y-мезона с высокой точностью // Phys. Lett..-1982.-Vol.118В.-P.225-230.

3.Bondar A.E., Egorychev M.N., Kezerashvili G.Ya., Kurdadze L.M. , Onuchin A.P., Saldin E.L., Serednyakov S.I., Sidorov V.A., Skrinsky A.N., Tikhonov U.A., Tumaikin G.M., Shatunov U.M., Eigelman U.I. Polarization in Storage Rings of the Institute of Nuclear Physics (Novosibirsk) // Proc. of the

12-th Int. Conf. on High Energy Accel.-Batavia,-1983.-P.240.

4. Кезерашвили Г. Я. , Лысенко А. П., Хорев В. М. , Черных Г. М. , Шатунов Ю. М. Спиральный ондулятор на ВЭПП-2М для измерения радиационной поляризации встречных пучков. // Труды 6-го Всес. сов. по использ. синхротронного излучения СИ-82. Новосибирск, 1982.-С. 109-113.

5. Анашин В. В. , Кезерашвили Г. Я. , Лысенко А. П. , переведенцев Е. А. , Шатунов Ю. Н. Сверхпроводящий спиральный ондулятор для измерения радиационной поляризации встречных пучков на ВЭПП-2М / Новосибирск, 1984. - ( Препринт/ИЯФ СО АН СССР; 84-111). Труды 2-го Межд. сем. по спиновым явлениям в физике высоких энергий.-Серпухов, 1985.-С.159; Приборы и техника эксперимента -1986,- Вып. 6.-С. 30-34.

6. Gluskin E.S., Kezerashvili G.Ya. Kulipanov G.N., Pindurin V.F., Skrinsky A.H., Sokolov A.S. The study of the Radiation From the Helical Undulator Installed in the Storage Ring VEPP-2M // In Book "Springer Series in Optical Sciences". Ed. by Tamir - WS.-vol.43.-P.336; Труды 6-го Всес. сов. по использ. синхрот. излучения СИ-84.-Новосибирск, 1984.-С. 215.

7. Воробьев П. В. , Кезерашвили Г. Я. , Полунин A.A., Шатунов Ю. м. Измерение поляризации встречных пучков на ВЭПП-2М с использованием спирального ондулятора / Новосибирск, 1986. -(Препринт/ИЯФ СО АН СССР; 84-140). Труды 7-го Межд. симп. по спиновым явлениям в физике высоких энергий.-Протвино, 1986,Т. 2.-С. 175-180.

8. Казаков А. А. , Кезерашвили Г. Я. , Лазарева Л. Е. , Недорезов В. Г. , Скринский А. Н. , Тумайкин Г. М. , Шатунов Ю. М. Источник квазимонохроматических и поляризованных у-квантов высоких энергий для экспериментов по ядерной физике на накопителе ВЭПП-4 // Труды 2-го Межд. сем. по спиновым явлениям в физике высоких энергий - Серпухов, -1985.-С.140; Труды 9-го Всес. сов. по ускор. заряж. частиц.-Дубна, - 1985 .-Т. 2.-С. 268Í

Э.Казаков A.A., Кезерашвили г. Я. , Лазарева Л. Е. , Недорезов В. Г. , Скринский Á.H. , Судов A.C., Шатунов Ю. М. Эксперименты на пучках у-квантов от обратного рассеяния лазерных фотонов на электронах в накопителе ВЭПП-4 // Труды 4-го Межд. сем. по электромаг. взаймод. ядер при малых и средних энергиях. -Москва, 1985.-С. 261-271.

10. Казаков А. А. , Кезерашвили Г. Я. ,, Лазарева Л. Е. , Недорезов

В. Г. , Скринский А. Н. , Судов А. С. , Шатунов Ю. М. Деление ядер 238 237

U и Np у-квантами промежуточных энергий // Письма в ЖЭТФ.-1984.-Т. 40(10) .-С. 445-449.

11. Запевалов В. А. , Иванов Д.И., Кезерашвили Г.Я., Муратов в. В. Недорезов В.Г., Судов А.С.. Пропорциональные камеры низкого давления для измерений угловых и энергетических распределений осколков деления ядер // Приборы и техника эксперимета. -1990. -Вып. 1-С. 80-87.

12.Alexandrov В.М., Ivanov D.I., Kezerashvili G.Ya., Krivokhatsky A.S., Muratov V.V., Nedorezov V.G., Sudov A.S., Zapevalov V.A. A Nuclear fragment detector for experiments with backscattered laser photons // Nucl. Inst, and Meth.-1990.-Vol.A288.-P.399-405.

13.Беломестных С. A. , Бровин M. M. Винокуров H. А. Кезерашвили Г. Я. и др.. Новые возможности установки ВЭПП-3. //Труды XI Всес. конф. по ускор. заряженных частиц. - Дубна. - 1989. -Т. 1. - С. 410-415

14. Кезерашвили Г. Я., Мишнев С. И., Муратов В. В. , Украинцев Ю. Г. Пучок комптоновских фотонов для ядерно-физических экспериментов на накопителе ВЭПП-3. // XI Всес. конф. по ускор. заряж. частиц. Аннот. докл. - Дубна.-1988.-С. 178-179.

15< Запевалов В. А., Иванов Д.И., Кезерашвили Г. Я., Муратов В. В. , Недорезов В.Г., Судов А.С. Способ определения энергии рассеянных назад комптоновских у-квантов. Авторское свидетельство СССР No 1575736 от 15 июня 1988 г.

16. Gurevich G.M., Ivanov D.I., Kezerashvili G.Ya., Nedorezov V.G., Sudov A.S. Study of the Electromagnetic Interactions of Heavy Nuclei with Back Scattered Laser Photons. // Proc. of the Sixth Course and First Winter Course of the Inter. Sch. of Intermed. Energy Nucl. Phys.-Veneci, Italy. -1988. -WS. - P. 242-260.

17.Gurevich G.M., Kezerashvili G.Ya. and Nedorezov V.G. New Possibilities in Study of the Photofission Process Using Back Scattered Laser Photons. // Proc. of the 18-th Int. Symp. on Nucl. Phys.-Gaussig, Germany - 1988. - P.282-293.

18.Ivanov D.I., Kezerashvili G.Ya., Nedorezov V.G., Sudov A.S. Photonuclear Experiments with Heavy Nuclei at Storage Rings

with Back Scattered Laser Photons. // Kiev-1990.-Proc. of

the Inter. Simp.on Nucl. Phys.-P.498-507.

19. Ivanov D.I., Kezerashvili G.Ya., Nedorezov V.G., Sudov A.S. 238 237'

Photofission of U and -Np Nuclei at Intermediate

Energies: Multiparameter Analysis. // Proc. of the 8-th

Workshop on Electromagnetic Interaction of Nuclei at Low

and Medium Energies. Moscow.-1991.-P.318-326.

20.11jinov A.S., Ivanov D.I., Kezerashvili G.Ya., Mebel M.V.,

238 237

Nedorezov V.G., Sudov A.S. Fissilities of U and Np nuclei measured with tagged photons in the energy range (60+240)MeV. // Nucl.Phys.- 1992.-Vol.A539.-P.263-274.

21.Иванов Д.И., Кезерашвили Г.Я., Недорезов В.Г., Судов А.С.,

238

Львов А.И., Мишнев с.И., Протопопов И. Я. Деление ядер и 237

и Np фотонами средних энергии с малой передачей энергии И импульса. //ЯФ.-1992.-Т.55(1).-С.3-15.

22. Иванов Д.И., Кезерашвили Г.Я., Мишнев С.И., Недорезов В.Г.,.

Судов А.С., Туринге А.А., Тумайкин Г. М. Симметричное и

238 237

асимметричное деление ядер и и Np меченными фотонами С энергией 60-240 МэВ. //ЯФ.-1992 .-Т. 55( 4) .-С. 907-919.

23.Иванов Д.И., Кезерашвили Г.Я., Недорезов В.Г., Судов А.С.,

238

Туринге А. А. Симметричное и асимметричное деление ядер и 235

и и меченными фотонами средних энергий. //ЯФ.-1992.-Т. 55 ( 10) .-С. 2623-2633.

24.Kezerashvili G.Ya. and Skrinsky A.N. Method of the Measurement of Supersmall Beam Size in Electron-Positron Colliders by Compton Scattering / Novosibirsk. - 1991. -(Preprint /BINP.-91-28.-18p.);// Proc. of the Workshop on Advanced Beam Instrumentation, Tsukuba, Japan.-1991.-P.183-200; Nucl. Inst, and Meth.-1991.-Vol.A307.-P.179-184.

25.Kezerashvili G.Ya. High Energy Monochromatic and Polarized Photon Beams on Electron Storage Rings. // Proc. of the 8-th Workshop on Electromagnetic Interaction of Nuclei at Low and Medium Energies.-Moscow.-1991.-P.216-219.

26.Kezerashvili G.Ya., Lysenko A.P., Shatunov Yu.M, Vorobiov V.P. Colliding Beam Polarization Measurement Using Superconducting Helical Undulator at VEPP-2M Storage Ring / Novosibirsk, 1991—22p.—(Preprint/BINP.—91-84.-22p.). Nucl. Inst, and Meth.-1992.-Vol.A314.-P.179-184.

27.Бондарь А.Е.. Кезерашвили Г. Я. , Жоленц А. А. , Протопопов И. Я. , Скринский А. Н. , Тумайкин Г. М. Установка для калибровки системы рассеянных электронов на накопителе ВЭПП-4М по обратному комптоновскому рассеянию. //Труды XXI Междун. конф. по ус кор. заряж. частиц.

-Дубна.-1992.-Т.1.-С.309-313. • 28.Kezerashvili G.Ya., Milov A.M. and Wojtsekhowski B.B. The Gamma Ray Energy Tagging Spectrometer of ROKK-2 Facility at VEPP-3 Storage Ring. ./Novosibirsk.-1991.-(Preprint/BINP.-1 91-118.-25p.); // Nucl. Inst, and Meth.-1993.-Vol.A328.-P.506-511.

29.Kezerashvili G.Ya., Milov A.M., Muchnoi N.Yu., Usov A.P.. The ROKK-1M Facility at the VEPP-4M Collider // XIII Inter. Conf. "Particles and Nuclei", Perugia, Italy, Book of Abstract.-1993 .—Vol.2.-P.839.