Разработка методики измерения ионизационных потерь быстрых заряженных частиц в изогнутых кристаллах и ее применение в физическом эксперименте тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

'''к РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Б.П.КОНСТАНТИНОВА

На правах рукописи УДК 539.1.07 539.125.4

БАУБЛИС Виктор Виицовнч

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ ИОНИЗАЦИОННЫХ ПОТЕРЬ БЫСТРЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ

ЧАСТИЦ В ИЗОГНУТЫХ КРИСТАЛЛАХ И ЕЁ ПРИМЕНЕНИЕ В ФИЗИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ

01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Санкт Петербург 1997

Работа выполнена в Отделении физики высоких энергий Петербургского института ядерной физики им. Б.П.Коистантинова РАН.

Научгый руководитель -

дсктор физико-математических наук

старшин научный сотрудник В.М.Самсонов

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

профессор Г.А. Петров, кандидат физико-математических наук

доцент В.В.Гребенщи Ведущая организация - Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН.

Защита состоится "Л" 1997 года в ^ часов на засс

диссертационного совета Д002.71.01 Петербургского института Я} физики им. Б.П.Константинова РАН по адресу: 188550, Ленинградская о( г.Гатчина, Орлова роща, ПИЯФ РАН. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПИЯФ РАН. Автореферат разослан сАУ^ 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

И.А.Митропольски

Актуальность работы. В настоящее время интерес к каналировлнию быстрых заряженных частиц в изогнутых кристаллах в основном обусловлен некоторыми уникальными возможностями использования этою эффекте в физике высоких энергий, такими как управление пучками заряженных частиц высоких энергий при помощи изогнутых монокристаллов [ I] или измерение магнитных моментов короткоживущих частиц на основе использования эффекта прецессии спина каналированнон частицы в изогнутом кристалле [2]. 3 обоих случаях применение изогнутых кристаллов для отклонения пучков истиц высоких энергий является кс только альтернативой дл.ч градиционных методов, основанных на использовании обычных магнитов, но также открывает »вые уникальные возможности, не доступные д,чя традиционных методик, преимущество использования кристаллов состоит в том, что они, обладая «большими размерами, позволяют эффективна создавать "сверхсилыше" >лектрические и магнитные (в системе покоя частицы, проходящей через срнсталл) поля в заданных компактных областях экспериментальных остановок. Так например, .для организации медленного вывода пучка из 5акоиительных колец коллайдеров изогнутый кристалл размещается вблизи 1учка и, ке везмущач его основной моды, захватывает и отклоняет частицы, »бразугощие "гало" пучка.

Способность изогнутого кристалла отклонять заряженные частицы на юлный угол изгиба кристалла впервые была экспериментально [родемонстрирована в 1979 году в Дубне а эксперименте по отклонению :ротоков с энергией 8.4 ГэВ изогнутым кристаллом кремния на угол до 26 [рад [3]. Этот эксперимент стимулировал создание в 1982 году в ЛИЯФ м. Константинова установки по изучению каналирования протонов с энергией ГэВ в изогнутом кристалле кремния. Непосредственной причиной, осудившей к созданию в ЛИЯФ (ПИЯФ) этой установки, явилось желание кспернмектально подтвердить гипотезу об "объемном" захвате в режим аналирования, выдвинутую Сумбаевым О.И. [4]. Суть гипотезы состоит з том, то захват частицы в режим каналирования возможен не только на торце зогнутого кристалла, как это было принято считать, но также и внутри него, е. в "объеме" кристалла. Существование такого эффекта позволило бы

з

существенно расширить угловой акселтзнс изогнутого кристалла по захват) частиц з режим ка-млнрования по сравнению с плоским кристаллом.

Цель работы. В первых экспериментах по отклонению иучка части и высоких энергий в изогнутом кристалле, по аналогии с экспериментами пс ханаг.ированню з плоских кристаллах, для идентификации какалированкых частиц использовался метод отбора частиц по их удельным энергетическим потерям в кристалле. Этот метод основан на том, что каналирозакные положительно заряженные частицы имеют аномально малые удельные потери в кристалле по сравнению с потерями неканалированных частиц, т.е. частиц, движущихся через кристалл как через аморфное тело. Однако, в то время существовало предубеждение, что непосредственно на изогнутом кристалл« невозможно организовать работоспособный <!ЕЛЬс, детектор. Поэтому в п.срвы? экспериментах изгиб кристашшчесхой пластины производился пс трехточечной схеме изгиба так, чтобы иметь на его входном по пучку крак плоский участок, на торце которого происходил бы захват частиц пучка ; режим кааалироБаяия, г на самом плоском участке измерялись бы удельны« потери с помощью организоианногс на нём поверхностно-барьерноп детектора.

При подготовке эксперимента по обнаружению и изучению "объемного' захвата [5] возникла необходимость организовать непосредственно я; изогнутой части кристалла по ходу пучка три дегектсрных участка (один 1 денгрс и два других на краях кристалла) для того, чтобы иметь возможносл отслеживать состояние, частицы в кристалле по эволюции её удельных потер] по мере движения через кристалл и выделять по <ЗН/с1х критерию события когда частица была захвачена не яа торце, а в объеме кристалла. Для этой цел] были предприняты усилив по изучению работоспособности поверхностно барьерных детекторов па изогнутом кристалле, разработке технологии и: изготовления а созданию на её основе, так называемых, "живых кристаллических мчшеяей. Кроме того, создание таких детекторов расширил 6=.; методические возможности будущих экспериментов но изучению использованию эффекта каналировання.в изогнутых кристаллах (например, эксперименте по обнаружению прецессии спина частицы в изогнута

кристалле, где необходимо контролировать состояние частицы по ее удельным потерям на протяжении всего пути в кристалле).

Новизна работы. К момент/ постановки указанной задачи в мировой практике не было прецедента создания поверхностно-барьерного детектора непосредственно на изогнутой части кристалла. Поэтому, для начала, были проведены теоретические оценки влияния упругого' изгиба кристаллической пластины кремния на работоспособность организованного на ней поверхностно-барьерного детектора. Было показано, что с точки зрения зонной теории твердого тела упругий изгиб не должен существенно влиять на параметры детектора на изогнутом кристалле.

В результате экспериментальных исследований по созданию работоспособного детектора на изогнутом кристалле были разработаны технология создания таких детекторов, а также несколько вариантов конструкции кристалл-изгибающих устройств, обеспечивающих работоспособность детекторов.

Это позволило создать . ряд уникальных кристаллических мишеней, которые были успешно применены в экспериментах по каналированию в изогнутых кристаллах. В ходе проведения этих экспериментов была отработана методиха применения (1Е/с1х мульти-детекторов на изогнутом кристалле для изучения процессов захвата в режим каналирования и деканалирования заряженных частиц в изогнутом кристалле, для контроля за состоянием каналированных частиц на протяжении всего кристалла, а также для контроля дефектной структуры рабочих кристаллов, находящихся в состоянии упругой деформации.

Научная и практическая значимость. Применение детектора на изогнутом кристалле позволило экспериментально доказать существование эффекта объемного захвата заряженных частиц в режим каналирования в изогнутом кристалле и детально изучить этот процесс [5]. Реализация восьми-падового сШ/Ух детектора на изогнутом кристалле обеспечила принципиальную возможность проведения эксперимента по обнаружению прецессии спина каналированной частицы в изогнутом кристалле. Было экспериментально

доказано существование данного эффекта и на этой основе была отработана принципиально новая методика измерения магнитного момента заряженных частиц. Применительно к измерению магнитного момента короткоживущих частиц (с распадной длиной несколько сантиметров) методика, основанная на измерении угла поворота вектора поляризации пучка каналированных частиц в изогнутом кристалле, является уникальной и может быть использована уже в ближайшее время на Тевагроне (Фермилаб, США) да« измерения магнитного момента чармоЕанных частиц [б].

По материалу работы получено в соавторстве Авторское свидетельство на изобретение N 1032951 под названием "Детектор ионизирующего излучения".

На защиту выносятся результаты:

1. Дано обоснование необходимости создания поверхностно-барьерного детектора ионизационных потерь непосредственно на изогнутом кристалле кремния для изучения механизма захвата быстрой заряхсенной частицы в режим каналирования изогнутым кристаллом, а также для разработки методики идентификации каналированных частиц в изогнутом кристалле по критерию малых ионизационных потерь.

2. Приводится обзор теоретических работ по ионизационным потерям быстрых заряженных частиц в разориентированных и в ориентированных кристаллах. Анализируется природа уменьшения потерь каналированных частиц по сравнению с неканалированными частицами.

3. В рамках поставленной задачи проведены оценки влияния упругого изгиба кристаллической пластины на энергетическое и временное разрешение поверхностно-барьерного детектора, организованного на ней. Показано, что с точки зрения зонной теории упругий изгиб кристалла не должен приводит^ к существенному ухудшению работоспособности детектора.

4. Разработана технология изготовления детектора на изогнутом кристалле. Приводятся варианты кристалл-нзгибающих устройств, обеспечивающих работоспособность детектора, организованного непосредственно на изогнутом кристалле.

5. На основе разработанной технологии создано несколько типов, так ьазыЕаемых, "живых" кристаллических мишеней, которые успешно применялись в экспериментах по каналированию в изогнутых кристаллах, проведённых на ускорителях ПИЯФ и ША£, (США).

6. Анализируется работа первых детекторов на изогнутом кристалле в эксперименте по каналированию 1 ГэВ-ных протонов в изогнутом кристалле кремния. Показано, что экспериментальные результаты хорошо совпадают с предсказаниями теории.

7. На основе анализа информации об удельных потерях частиц в кристалле, полученной в эксперименте по обнаружению объемного захвата с трёх с!Е/с1х детекторов, организованных на одном кристалле, приводится:

- подтверждение гипотезы о существовании "обьёмного" захвата 1 ГэВ-ных протонов в режим каналирования в изогнутом кристалле,

- подтверждение гипотезы об обратимом характере процесса "обьёмного" захвата,

- экспериментальная оценка средней электронной плотности в канале (111) кристалла 81: рскап= (0.24 +• 0.02) электрон/А' и соответствующего среднего ионизационного потенциала: I = (1.9 + 1.4) эВ,

- демонстрация угловой фокусировки каналированной фракции падающего на кристалл пучка.

8. На основе результатов эксперимента по фокусировке пучка 1 -ГпВ-ных протонов изогнутым кристаллом, с выполненным нн нём (1Е/с1х детектором,

демонстрируемся возможность использования таких "живых" мишеней, В зависимости от вырезки кристалла, для:

- угловой коллимации пучка каналировашшх частиц,

- пространственно-угловой фокусировки пучка каналировашшх частиц.

Приводится также экспериментальное обоснование того, что угловой разброс канапированных частиц на выходе из канала совпадает с угловым разбросом этих частиц на входе в канал (т.е. в момент захвата р режим каналирования) и определяется углом Линдхарда. 9. Анапизируется опыт использования в эксперименте по обнаружению

прецессии спина гиперона в изогнутом кристалле восьмипадового

мультк-детектора на изогнутом кристалле, изготовленного пошироко

применяемой в промышленности планарной технологии. Обобщается опыт

использования восьмипадового мульти-детектора для контроля' дефектной

структуры используемых кристаллов. ,

Апробация работы. Материалы, представленные в диссертации, обсуждались на семинарах Отдела нейтронных исследований и Отдела физики высоких энергий ПИЯФ, на семинарах международной коллаборации по пронедению эксперимента Е761 во - ШАЬ (США), докладывались на Всесоюзных совещаниях по физике взаимодейстзия заряженных частиц с кристаллами.

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 8 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.

Ст руктура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 91 страница, включая 46 рисунков.

Во введении обосновывается актуальность диссертации, формулируется ее цель, новизна и значимость, кратко излагается основное содержание работы и се апробация.

В первой главе дается обзор теоретических работ по энергетическим потерям неканаяированных и каналированных быстрых заряженных частиц в плоских и изогнутых кристаллах. Анализируется природ?, уменьшения энергетических потерь в кристалле положительно заряженных каналированных частиц по сравнению с яеканапированными частицами.

Процесс каналирования положительно заряженной частицы в кристалле сопровождается значительным уменьшением ее средних потерь гю сравнению с потерями неканалированных частиц (хаотическими потерями). Нз этом зенован метод идентификации каналированных частиц пс их аномально малым мергетическим потерям в кристалле, которому, применительно к изогнутым кристаллам, посвящена данная диссертация. Однако, этот метод не применим в случае отрицательно заряженных частиц, так, как для них процесс шкалирования сопровождается незначительным увеличением потерь по ;равнению с хаотическими потерями и разделения спектров потерь для саналированной и хаотической фракций пу чка не происходит:

Впервые объяснение энергетических потерь положительно заряженных саналированных частиц дал Линдхард [7]. Он предложил полуколичествеиную формулу рзечгта удельных энергетических потерь (с!Е/<1х) как функции юперечного положения каналированных частиц в канале (Ь):

«х Ч°х/мпаов1 2 J , (I)

де (йЕ1йх)гиЛ11от - средние энергетические потери в разориентироаанном ристалле (вычисляемые по известной формуле Бете), а параметр а равен доле близких" соударений в энергетических потерях частиц в аморфной среде разориентированный кристалл), которая стремится к 1/2 с ростом энергии астицы. Выражение а квадратных скобках отражает тот факт, что в режиме аналировзния вклад "близких" соудзрений уменьшается по сравнению с их кладом при движении в разориентированном кристалле на величину, рапную

отношению локальной электронной плотности в канале на расстоянии b от ere оси (NZioc(b)) к средней электронной плотности в кристалле (NZ), здесь N -плотность атомов в кристалле, Z - число электронов в атоме. Эксперименты показали, что коэффициенту а можно присвоить значение 4, когда энергия частицы больше 10 МэВ. В этом случае выражение (1) упрощается:

^Jraadoml 2Z ) (2)

Согласно этой формуле при больших прицельных параметрах Ь, то есть для та» называемых хорошо каиалированных частиц, когда электронная плотность i канале в основном определяется валентными электронами и значит NZioc(b) « NZ, энергетические потери должны уменьшаться приблизительно в два раза пс сравнению с хаотическими потерями (dE/dx^dom- Несмотря на то, что выво/ • этой формулы не является строгим, она даёт результаты, качественно совпадающие с экспериментом.

После Линцхарда вычислению энергетических потерь каналированных частиц было посвящено много работ. Наиболее проверенным и используемые в ГэВ-ной области энергий является выражение для локальных потерь в канале полученное Эсбенсеном и Головченко [8] в рамках стандартной теории возмущений первого порядка. Полученное ими выражение аналогичне формуле Лнндхарда, за исключением поправки, которая учитывает потери зг счёт неупругого рассеяния частицы на атомах с передачей части импульег решётке кристалла (так называемый Umklapp процесс).

Наиболее полно и последовательно теория, каналирования, включая энергетические потери, получила развитие в работе [9], где на основе урав;Ьния Больцмана для функции распределения быстрых заряженных части! получено интегро-дифференциальное кинетическое уравнение, описывающее многократное рассеяние и потери энергии заряженных частиц в поле атрмны> плоскостей ориентированного кристалла.

При исследовании прохождения пучка заряженных частиц в кристалл« необходимо рассматривать совместно качалированную и неканалированнук его фракции, так как имеющийся между ними взаимный обмен частица?.» существенным образом влияет на количество частиц в канале. В прямол

кристалле учёт каналироваиных и неканалированных частиц производится в рамках одного и того же кинетического уравнения.

Икая ситуация имеет место в изогнутом кристалле. В этом случае задача сводится к решению системы уравнений для каналироваиных и неканалированных частиц при условиях сшивки, налагаемых на функции распределений и потоки частиц, причём, канапированные частицы удозлетворяют кинетическому уравнению, аналогичному кинетическому уравнению для плоского кристалла, в котором произведена замена потенциала атомных плоскостей 1Т(х) на эффективный потенциал изогнутою кристалла:

исп- = 1Дх) - —х, где р, V - импульс и скорость частицы, К - радиус изгиба Н

кристалла, х = г - К, г - радиальная координата. Центробежный потенциал рта/Н, действующий на частицу в изогнутом кристалле, приводит к уменьшению глубины потенциальной ямы канала и смещению ей минимума к одной из стенок канала, т.е. в область с более высокой электронной плотностью, чем в центре плоского канала. В результате, в изогнутом фисталле происходит сближение спектра - энергетических потерь положительно заряженных каналироваиных частиц со спектром потерь 'хаотической" фракции пучка, так как наиболее вероятные потери каналироваиных частиц пропорциональны средней электронной плотности в канале, которая увеличивается с увеличением кривизны кристалла. В общем :лучге это приводит к тому, что с ростом кривизны кристалла и энергии истицы эффективность метода отбора каналироваиных частиц по критерию шомально мшшх энергетичесхих потерь уменьшается.

Однако, численное решение интегро-дифференциального уравнения для Ьункции распределения частиц в кристалле показало, что для фракции пучка, третерпевшей поворот в кристалле на угол, больший, чем угловая ширина задающего пучка, может иметь место повышение эффективности отбора саналированных частиц за счет уменьшения ширины их спектра потерь по сравнению с частицами, прошедшими такой же путь в плоском кристалле.

В Главе 2 приводятся теоретические оценки влияния деформации сристалла кремния п-типа при его упругим изгибе т • энергетическое и

п

временное разрешение организованного на ней поверхностно-барьерного детекторе.

Энергетическое разрешение детектора определяется " большим количеством различных факторов, из которых от свойств полупроводникового материала зависят: шумы, обусловленные флуктуациями обратного тока детектора (1о0р), и разброс числа элгктрсн-дырочных пар (Э-д пар) при регистрации монохроматических частиц (п) [10].

С точки зрения принципа работы, поверхностно-барьерный детектор представляет собой полупроводниковый диод, обедненная зона которого используется з качестве чувствительной области детектора. Дня полупроводникового диода с несимметричным р"-п - переходом и тонкой базой справедливо следующее выражение для генерационной и диффузионной (]л,ф) компонент обратного тока:

; 'и-^Иг (3)

где ч - заряд носи геля тока, П| - концентрация Собственных носителей, р„ рр, хр - концентрация, подвижность и время жизни дырок в п-области, к - постоянная Больцмака, Т - температура кристалла, V - объем, обгцненной об пасти, \У„ -ширина базы диода. '

Деформация кристалла приводит к некоторой перестройке его зонной структуры, а именно, к изменению ширины запрещенной зоны на величину к снятню вырождения з максимуме залектной зоны (при этом максимум легких днрек поднимается на зеличину ДЕ,|, а максимум легких дырок опускается на зеличину ДЕ^) и смещению минимумов зоны проводимости (их шесть в в!, по два на каждой из главных осей) относительно друг друга на величины ЛЕП',, ЛБс2, для трех главных осей, соответственно. В свою очередь, изменение зонной структуры кристалла приводит к изменению р., р„ и п„ значения которых ь деформирозанном кристалле можно выразить через соогьетствуклцие величины в недефермировакном кристалле следующим о Зраком:

р'п = рв (4)

где Ср = ехр(—+ )|• | е>Р<-~+ + ехр(-^-)

п; = п,ехр(-ДЕ8/2кТ) ., (5) 2(А+и)

•ц -(ПТхг;^)^ ■ ^ .

где А=ехр((ЛЕу) - АЕ,2)/кТ), « = ^ г = 0.29.

Используя теперь данные по распределению механических напряжений в изогнутом кристалле, приведенные в работе [11], и данные о величине :мещений уровней зон Бриллюэна ДЕУ и ДЕС в деформированном кристалле, зриведенные в работе [12], можно получить оценку для относительного пменения компонент обратного тока, вызванного изгибом кристалла. В тастности, для радиуса изгиба, точщины и вырезки кристалла, использованных I эксперименте по объемному захвату [5], имеем:

.036 , (7)

•С--1

1днф 11Р . И

^г е н__ ехр|

1г ен 2кТ

-1=0.11. (8)

Другим фактором, от которого зависит энергетическое разрешение

¡етекгора, является неопределенность числа э.-д. пар (г|), генерируемых

астнцей ори прохождения чувствительной области детектора. Величину т>

'ожно выразить следукчцим образом:

<т(п) «/га -/Ёл/ё ,0\

1") = --— =.- ------ ,

I» п /л/Ео

ае ю ^ Е0 / е - среднее число э.-.ц. пар, образуемых в чувствительной области ететегора при полном поглощении частицы с энергией Ео, в - средняя энергия бразования одной э.-д. пары й ст(п)=>/рП - среднеквадратичное отклонение исла Я, а Г- фактор Фано. Если пренебречь 'изменением Р при изгибе ристалла, а изменение г представить как: г' = е + ЛЕЙ, 'где е = 3.6 эВ, то

пияние изгиба кристалла нэ 11 можно оценить следующим образам:

Д^=/ЦЙ>_1 = 0.99821 (Ю) "П л/е

Основным параметром, определяющим временное разрешение детектора, на который может влиять изменение физических свойств кристалла кремния при его изгибе, является время собирания 90% носителей заряда (ТД сгенерированных в обедненной области детектора при прохождении через него ионизирующей частицы. В свою очередь, Тс определяется удельным сопротивлением материала (р): Тс = Ар (где А - константа, зависящая от щкрикы обеднённой области и величины обратного смещения). Поэтому изменение времени собирания заряда Тс в деформированном кристалле будет определяться пеличиной изменения удельного сопротивления р: ДТ/ГС = Др/р. Согласно работе [12], Др/р = ах1 (Г* см2/кГ, где а - механическое напряжение. Так как при упругом изгибе величина напряжения в кристалле не превышает 10' кГ'/см2, то получаем:

ДТ/Гс ^ Др/р ^ 0.1 . (11)

Таким образом, можно сделать вывод, что деформация кристалла, при его упругом изгибе, не должна привести к существенному изменению обратного тока, неопределенности числа электрон-дырочных пар на один трек и времени собирания заряда в детекторе, от которых зависит его энергетическое и временное разрешение.

В Главе 3 диссертации • обобщается опыт, накопленный в ПИЯФ, по созданию кристаллических мишеней для различных экспериментов пс канадированию в изогнутых кристаллах.

Из проведенных теоретических оценок следовало, что изгиб кристалла не должен существенно изменить его физических характеристик и, .таким образом, существует принципиальная возможность создания детектора непосредственно на упруго изогнутой части кристалла. Тем не менее, первые же попытки изготовления таких детекторов выявили конструктивное ограничение принципиальное для обеспечения работоспособности детектора. Испытант проводились с позерхностно-барьерными детекторами, выполненными ш кристаллической пластине кремния п - типа по стандартной технологии [10]

и

Металлические контакты наносились на предварительно подготовленную поверхность кристаллической пластины методом термического испарения в вакууме. Омический контакт - из алюминия, контакт, образующий р-n переход, - из золота.

Оказалось, что даже незначительное механическое воздействие на контакт, образующий р-п-переход, связгнное с изгибом кристалла, приводит к большей величине обратного тока и полной потере разрешения детектором, тогда как омический контакт хорошо переносит внешнее давление. Испытания показали, что это справедливо во веем диапазоне упругих изгибов, то есть когда радиус изгиба (R) удовлетворяет соотношению T/R < 10"\ где 'Г -толщина кристаллической пластины. Таким образом, основное технологическое требование к конструкции кристалл-изгибающего устройства, обеспечивающего работоспособность поверхностно-барьерного детектора на изогнутом кристалле состоит в том, чтобы участок кристаллической пластины, на котором нанесены контакты, образующие р-п-переход, оставался свободным от внешнего механического воздействия. В дальнейшем было разработано' и изготовлено несколько различных по конструкции кристалл-изгибающих устройств, удовлетворяющих этому требованию, которые были успешно применены в серии экспериментов, выполненных на ускорителях ЛИЯФ и FNAL (USA).

При создании кристаллической мишени для эксперимента по обнаружению объемного захвата был применен оригинальный метод равномерного изгиба кристалла путём наклейки его на цилиндрическую поверхность стеклянной призмы. В этом случае на изогнутом кристалле было организовано сразу три детекторных диода, симметрично расположенных вдоль кристалла (см. рис. 1). Опытным путем было установлено, что использование глифгалевой смолы для наклейки кристалла на цилиндрическую поверхность стеклянной призмы позволяет удерживать кристалл п изогнутом состоянии в течение нескольких месяцев. Энергетическое разрешение детекторов на изогнутом кристале, измеренное на а-источнике, составило: <7 = (9 ± 2) кэВ.

Для эксперимента по фокусировке использовался другой способ изгиба кристаллической пластины, при котором края кристалла зажинались между цилиндрическими поверхностями металлического держателя, в центре которых имелись окна, так что центральная часть кристалла оставалась свободной от механического воздействия (см. рис.2). На центральную часть кристалиа были имплантированы контакты двух детекторных диодов. В отличи« от предыдущею эксперимента, в этом случае предполагалось растягивать обедненную зону собственных детекторов не на всю толщину кристаллической пластины (которая, как и в предыдущем эксперименте, равнялась 0.4 мм). Для того, чтобы улучшить энергетическое разрешение детекторов, была предусмотрена возможность охлаждения кристалла. Для этой цели был создан специальный криостат для охлаждения азотом кристаллодержателя с изогнутым кристаллом. Измерения показали, что максимальное повышение энергетического разрешения до величины 15 кэВ (что в 4 раза лучше по сравнению с разрешением этих детекторов при комнатной температуре) достигается при температуре 150К.

Более сложный тип (1Е/с1х мульти-детсктора на изогнутом кристалле был реализован для эксперимента Е761 по исследованию вращения спина 2Г гиперонов при ях движении в режиме канзлирозания через изогнутый кристалл. 3 этом эксперименте основным требованием к кристаллической мишени било - обеспечить возможность отбора хорошо каналированных частиц г.о всей дякне кристалла. Для этой цели на кристаллической пластине кремния с размерами (45x25x0.4) мм3 было создано 3 детекторных участков, расположенных эквидистантно по всей длине пластины (см. рис.3).

■ Для данного эксперимента также было создано оригинальное устройство, позволяющее ецнорременно закреплять параллельно друг другу сень кристаллических пластан в кристаллодержателе и изгибать их по трехточечной схеме изгиба. Причем, конструкция дистанционно управляемого кристалл-изгибающего устройства была такова, чго центральный кристалл оставался плоским, а три кристалла, расположенных над ним. изгибались в направлении, противоположном изгибу трех дру1их кристаллов, размещенных под центральным кристаллом. :

Использование набора из нескольких изогнутых кристаллов (а именно шесть) преследовало цель: увеличить статистику полезных событий при ограниченном врелгени проведения эксперимента, а их противоположный изгиб и, соответственно, угол вращения спина гиперонов, а также 'наличие плоского кристалла предполагалось использовать для устранения систематических погрешностей измерений.

В Глаае 4 обобщён пока единственный а мире опыт использования с!Е/с!х детекторов, выполненных непосредственно на изогнутой части кристалла ("собственных" детекторов) в экспериментах по каналированию в изогнутых кристаллах, проведённых с участием автора на ускорителях ЛИЯФ и ФНАЛ (США). Общим в схеме экспериментов, о которых вдет речь, было наличие на изогнутых кристаллах <1Е/с1х детекторов (число которых варьировалось), а таюКе координатных детектортв, расположенных перед н за кристаллом, которые давали возможность измерять утлы влета частиц пучка в кристалл и вылета их из кристалла. Это позволяло гри изучении ёЕ/<1х спектров каналированкых частиц вводить дополнительно отбор каналирозанных частиц по углам влета/вылета.

Энергетические потери быстрых заряженных частиц в изогнутом кристалле впервые измерялись в эксперименте по обнаружению объемного захвата протонов с энергией 1 ГэВ в режим каналировакия в изогнутом кристалле кремния. В этом эксперименте на кристаллической пластине с размерами (10x24x0.4) мм2 были реализованы 3 поверхностно-барьерных детектора, контакты которых были симметрично расположены на большой грани кристалла, упруго изогнутой по цилиндрической поверхности радиуса 46 см, вдоль которой пучок протонов пересекал кристалл (см. рис.1).

Указанное расположение трёх детекторов позеоляло разделять каналированиые и некан-дчированные частицы пучка ! ГзВ-кых протоков по величине их удельных энергетических потерь на входе, выходе и э центре кристалла. Это, в свою очередь, давало возможность проследить эволюцию состояния частиц пучка но мере их движения в кристалле к выделять гакке

события, когда частица была захвачена не на торце, кристалла (торцевой захват), а в его глубине (объемный захват).

Доказательство существования объемного захвата в режим каналирования было основано ка том обстоятельстве, что в данном эксперименте угловая ширина падающего на кристалл пучка составляла (<х) 1 мрад, а полный угол изгиба кристалла равнялся 20 мрад. А игл из экспериментальных зависимостей доли частиц (в процентах к падающему пучку), имевших малые потери в детекторах ПД1, ПД2 и ПДЗ, от угла поворота кристалла относительно пучка показал (см. рис.4), что ширина (1;\УНМ) распределений для детекторов'ПД1, ПД2 и ПДЗ (3.5, 9 и 13 мрад соответственно) значительно превышает угловой диапазон торцевого захвата, равный угловой расходимости пучка (о) 1 мрад.

Симметричное расположение с!Е/ёх детекторой дало также возможность установить обратимый характер процессов захвата частиц в канал и выброса их из канала (деканалирование). Этот вывод следовал из того факта, что спектры потерь для частиц, прошедших центральный детектор (ПД2) в режиме каналирования (то есть частиц имевших в нем малые потери), в краевых детекторах (ПД1 и ПДЗ) были практически идентичны..

Совместное использование отбора частиц по малым потерям в двух

крайних с1ЕУ<1х детекторах и по углу отклонения в кристалле позволило выделить распределение потерь каналированных частиц в центральном детекторе на фоне хаотических потерь и оценить его ширину (Р\УНМс1,)'и значение наиболее вероятных потерь (ДЕтр). Это, в свою очередь, дало возможность оценить средние значения электронной плотности (р,) в канате кремния (111) (которая пропорциональна Р№"НМС|,):

р, = (0.24 ± 0.02) электрон/А 3

и среднего потенциала ионизации атома (I):

I =» (1.9 ± 1.4) эВ .

Как и следовало ожидать, полученные оценки р, и I согласуются со значениями соответствующих параметров для валентных электронов, так как они были

¡я

получены для хорошо каптированных частиц, траектории которых проходят в центре канала, то есть через область валентных электронов.

Объединение информации для разных углов взаимной ориентации пучка и кристалла в этом эксперименте позволило продемонстрировать эффект угловой фокусировки каналированной фракции пучка. Было показано, что угловая расходимость каналированной фракции пучка (отобранной ' по критерию малых потерь в кристалле), приведенная ко входному торцу кристалла, и равнявшаяся 7.2 мрад, на выходе из кристалла преобразуется в расходимость, равную 1.6 мрад.

Аналогичный подход (отбор по критерию "малых" потерь) использовался в другом эксперименте, где была продемонстрирована способность изогнутого по цилиндру кристалла, являющегося одновременно полупроводниковым детектором (см. рис.2), выделять каналированные частицы, приходящие в фокус кристалла - угловая коллимация, а для кристалла с изогнугыми кристаллографическими плоскостями, за счет эффекта объемного захвата, реализовать пространственно-угловую фокусировку пучка каналированных протонов с энергией 1 ГэВ (см. рис.5). В этом эксперименте, в отличии от рассмотренного пышг, вырезка кристалла была такова, что "рабочие'' плоскостные каналы (111) располагались либо перпендикулярно грани кристалла, изгибаемой по цилиндру (а не параллельно, как в предыдущем эксперименте) - вариант 1, либо под небольшим углом к нормали этой грани -вариант 2. При изгибе кристалла плоскостные каналы выстраивались веерам так, что касательные к ним (и соответственно вылетающие каналированные частицы) на выходе из кристалла сходились п фокус. При этом в варианте 1 рабочие каналы не претерпевали изгиб и выполняли роль плоских коллиматоров - угловая коллимация, а в варианте 2 они приобретали изгиб и, таким образом, за счет своего изгиба отклоняли захваченные протоны, а за счет объемного захвата уменьшали их угловук» расходимость.

Тот факт, что в данной геометрии эксперимента каналированные частицы собираются в фокус, позволил оценить угловую расходимость каналированных частиц на выходе из канала. Оказаттось, что она соответствует угловой расходимости, равной углу захвата Линдхардз..

Использование специального азотного криостата для охлаждения изгибающего устройства с изогнутым кристаллом позволило исследовать влияние температуры на процесс каналирования протонов в кристалле. Анализ спектров потерь ¡фотонов в собственных ¿Е/Ух детекторах, а также их фокальных пространственных распределений показал, что охлаждение кристалла вплоть до температуры -150К практически ке сказывается на доле каналированных частиц, приводя только к некоторому заужению пика каналированных частиц в фокачьном распределении, связанному с улучшением разрешения полу проводникового детектора при понижении температуры.

В эксперименте по прецессии спина X* гиперона в изогнутом кристалле для контроля за состоянием гиперонов в кристалле применялся восьми-падовый мульти-детектор, пады которого равномерно располагались по 'всей длине четырехсантиметропого кристалла (см. рнс.З).

В ходе эксперимента измерялся угол поворота вектора поляризации (д) пучка шперонов (по асимметрии распада Х+ гиперонов), прошедших весь кристалл в режиме каналирования. При этом угол поворота частицы в кристалле (<р) (значение которого входит в выражение для искомого угла д) полагался фиксированным и равным углу изгиба кристалла 1.65 мрад, что справедливо только для частиц, прошедших в режиме ханалироваими весь кристалл. Для того, чтобы обеспечить надёжную идентификацию таких частиц, в эксперименте отбирались события по критерию малых потерь во всех восьми падах мульти-детектора. Сравнение распределений углов отклонения гиперонов в двух кристаллах, имеющих противоположную кривизну изгиба до и после наложения данного отбора (см. Рис.6), показало, что эффективность этого метода составляет практически 100%.

В заключении дана краткая сводка основных результатов работы, которые подробно отражена в соответствующих разделах автореферата.

Публикации по теме диссертации'.

В.А.Андреев, В.В.Баублис, Е.А.Дамаскинскнй, А.Г.Крившич, Л.Г.Кудин, В.В.Марченкое, В.Ф.Морозов, В.В.Нелюбин, Е.М.Орищин, Г.Е.Петров, Г.А.Рябов, В.М.Самсоноо, Л.Э.Самсонов, Э.М. Спириденков, В.В.Сулимов, О.И.Сумбаев. В.А.Щегольский. Экспериментальное обнаружение объёмного захвата в режим каналировапм» изогнутым кристаллом. Письма я ЖЭТФ, '482. т.36, вып.9, с. 340 - 343.

■ В.А.Андреев, В.В.Баублис, Е.А.Дамаскинский, А.Г.Крившич, Л.Г.Кудин, В.В.Марченкое, В.Ф.Морозов. В.В.Нелюбин, Е.М.Орищин, Г.Е.Петрсв, Г.А.Рябов, В.М.Самсоиов, Л.Э.Самсонов, Э.М Спириденков. В.8.Сулимое. О.И.Сумбаев, В.А.Щегельскш. Фокусировка пучка 1 ГэВ-ных протонов при объёмном захвате в режим каналнроваиня изогнутым кристаллом Письма зЖЭТФ, 1983, т.39, в.2, с. 58-61. »

! В.А.Андрее в, В.В.Баублис, Е.А.Дамаскинский, А.Г.Крившич, Л.Г.Кудин, В.В.Марченхов, В.Ф.Морозов, В В.Нелюбин, Е.М.Орищт, Г.Е.Петров, Г.А.Рябов, В.М.Самсонов, Л.Э.Самсонов, Э.М.Спириденков, В.В.Сулимов О.И.Сумбаев, В.А.Щегельский. Пространственная фокусировка 1 ГэВ-ных протонов изогнутым монокристаллом. Шсьма в ЖЭТФ, 1985, г.41, вып.9, с. 408-410.

В.А.Андреев. В.В.Баублис, Е.АДамаскинский, А.Г.Крившич, Л.Г.Кудин,

B.В Марченков, В.Ф.Морозов, В.В.Нелюбин, Е.М.Орищин, Г.Е.Петров. Г.А.Рябов, В.М.Самсонов, Л.Э.Самсонов, Э.М.Спириденков, В.В.Сулимов, О.И.Сумбаев, В.А.Щегельский О выполнении принципа обратимости для процессов объёмного захвата частиц в режим каналировання в изогнутом кристалле. Письма в ЖЭТФ, 1986, т.44, вып.2, с. 101 -103.

IXChen, I.F.Albuquerque, V.V. Baublis, N.F. Bonilar, Я.А. Carrigan Jr, PS Cooper, Dai Lisheng, A.S.Detiisov, A.V. Dobrovolsky, T. Dubks, A.M.F. Erxdlcr,

C.O. Escobar, M. Foucher. V.J. Gohvtsov, PA. Goritchev, H. Gottsckalk, P.Gouffon, V T. Grachev, A.V. К'пагаааегм, M.A.Kuhantsev, N.P.Kuropatkin, J.Lack, Lang Pengfei V N.LebsJenko, Li Chengze, Li Yunshan, J.R.P.Mahon E.McCliment. A.Mcrclos, C.Hevjsim, M.C.Pommot Maia, У M.Samscnov,

V.ASchegetsky, Shi Huanzhang, V.J.Smith, C.R.Sun, Tang Fukun, N.K.Terentyev, S.Timm, I.l.Tkath, LN.Uvarov, A.A. Vorobyov.Yan Jie, Zhao Wenheng, Zheng Shuchen and Zhang Yua'iyuan. First observation of magnetic moment precession of channeled particle» in bent crystal. Phys. Rev. Lett., 1992, 69, N.23, p. 3286 -3289.

V.V. Baublis, I.V.Ivanov, l.GJvochkin, A.V.Khanzadeev, V.V.Kuryatkov, E.Lapin, N.M Miftakhov, V.F.Morozov, S.HNovikov, T.J.Prokofieva, VM.Samsonov, G.Solodov, B.D.Dvornikov, B.B.Logiitov, - Y.RKolesov, A.A.Kockenova, R.A.Carrgan, D.Chen. M.N.Strikhanov. Apparatus for magnetic moment measurement using channeling in beat crystal Nuclear Instruments and Methods, 1994, B90, p. 150- 155.

V.V. Baublii, A.V.Khanzcideev, V.V.Kuryatkov, E.Lapin, N.M.Miftakhov. SR.Novikov, T.J.Prokofieva, V.MSamsonov, -G.Solodrjv, B.B.Loginov, M.N.Strikhanov, R.A.Carrigan, D.Chen, C.T.Murphy. Preparing crystals for channeling experiments at high energies. Nuclear Instruments and Methods, 1996, BJ19, p. 308-315.

V. V.Baublis, V.M.Samsonov. Bent crystal as a "live'4arget for channeling experiments at high energy. Preprint PNPI-2119,1996, 52 c.

Цитируемая литература:

1. E.N.Tsiganov, Estimates of cooling and bending process for charged particles penetratiou through a monocrystal. Preprint Fermilab TM-684, Batavia, 1976, Юр.

2. В.Г.Вары шеаский, Вращение спина ультра релятивистских частиц, пролетающих через кристалл. Письма в ЖТФ, 1979, т.5, в.З, с. 182 - 184.

3. А.С.Водольяное, В.М.Головатюк, А.Ф.Еяишев и др., Управление траекториями заряженных частиц с помощью изогнутого монокристалла. Письма в ЖЭТФ, 1979, т.30, вып.7, с. 474 - 478.

4. O.LSumbaev, The theory of volume capture by a curved crystal in the channeling regime. Relativistic channeling, eds. R.A.Carrigan Jr. and J.A.Ellison, Plenum Press, New York, 1987, p. ! 17 - 129.

5. V.M.Scmsonov, The Leningrad experiment on volume capture. Relativistic channeling, edp. R.A.Canrigan Jr. and /.A.Ellison, Plenum Press, New York, 1987, p. 129-163.

6. V.M.Samsonov, On (he possibility of measuring charm baryon magnetic moment with channeling. Nucl. Instr. and Meth., 1996, В119, p. 271 - 279.

7. H.JTundxapd, Влипшие кристаллической решетки на движение быстрых заряженных частиц. Успехи Физических Наук, 1969, т.99, в.2, с.249 - 296.

8. H.Esbensen and J.A.Golovchenko, Energy loss of fast channeled particlcs.

Nucl. Phys., 1978, A298, p. 382 - 396.

9. N.A.Kudryashcv, S. V.Petrovskii. V.M.Samsonov and M.N.Strikhamv,

Energy Loss Distributions of Relativistic Charged Particles in Crystals. Phys. Stat. Sol., 1990, (b) 157, p. 531 ~ 545.

10. Ю.К.Акимов, А.И.Калинин, В.Ф.Кушнирук, Х.Юнгклауссен, Полупроводниковые детекторы ядерных частиц и их применение. Атомиздат, Москва, 1967.

11. В.М. Самсонов, Изгиб пластины в фокусирующих кристалл-

дифракционных рентгеновских и гцмма-спектроиетрах. Препринт ЛИЯФ-278, 1976, 39 с.

12. П.И.Баранский, В.П.Клочков, Н.В.Потыневич.. Полупроводниковая электроника. Наукопа Думка, 1975.

а)

б)

24

10

10

Рис. 1 Кристалл-изгибающее устройство для эксперимента по обнаружению объемного захвата, э.) Общий вид кристаллического устройства после накпейки кристалла.

б) Расположение контактов детектора на кристалле.

04

X

лт

' а)

ГгДШ)

ИОД1'2

(112)^=^-Л

б)

кристалл в!

кристалл

крнсталлодержатсль

/

Ркс.2 Крксталл-изгибакщее устройство для эксперимента по фокусировке 1 ГэВ-ных прогонов изогнутым кристаллом

а) Расположение контактов детектора на поверхности кристаллической пластины Бь

б) Общин вид кристалл-югибагсщего устройства.

а)

Рис.3 Кристаллическая мишень для эксперимента по обнаружению прецессии спина гиперона в изогнутом кристалле

а) Расположение контактов (падав) йЕМх мудьти-детектора не кристаллической пластине 31.

б) Сгрзтстура детекторных диодов мультидетектора.

Рис.4 Зависимости доли частиц пучка, имевших малые удельные потери в детекторах ИД 1, ПД2 и ПДЗ, от угла поворота кристалла в эксперименте по обнаружению объемного захвата.

Рис.5 а) Иллюстрация эффекта пространственно-угловой

фокусировки I ГэВ-ных протонов изогнутым кристаллом Бь б) Пространственные распределения в фокусе изогнутого

кристалла 1 ГэВ-ных протонов, прошедших через него в ' режиме каналирования (кривая 1) и в хаотическом режиме (кривая 2).

3, мрад"

1 1

3, мрад

Рис. б Распределения углов отклонения 350 Гэв-ных протонов в

двух кристаллах с противоположной кривизной в эксперименте по обнаружению прецессии спина Б*" гиперона. Левая гистограмма получена без отбора частиц по критерию малых амплитуд, а правая гистограмма - при наложении отбора малых амплитуд во всех восьми падах с!Е/с1х мульти-детектора.