Создание поляризованной водороднодейтериевой газовой мишени для эксперимента ANKE на внутреннем пучке накопительного кольца ускорителя COSY тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Б.П. КОНСТАНТИНОВА

УДК 539.128, 539.188 На правах рукописи

Григорьев Кирилл Юрьевич

Создание поляризованной водороднодейтериевой газовой мишени для эксперимента ANKE на внутреннем пучке накопительного кольца ускорителя COSY

01.04.01 — приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико- математических паук

□Ü30G57 1G

Гатчина 2007

003065716

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

Научные руководители:

кандидат физико-математических наук A.A. Васильев, доктор философии Ф. Ратманн. доктор технических наук H.H. Чернов.

Официальные оппоненты:

доктор ф из и ко-мате матч ее ЩХ наук, профессор Л.В. Краснов, доктор физико-математических паук, доцент Д.К. Топорков.

Ведущая организация: Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ), Дубна.

Защита состоится " ОН " Ot^q J^jl^ 2007 г. в ii часов

на заседании диссертационного совета Д-002.115.01 при Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН по адресу:

I 88300, г. Гатчина Ленинградской обл., Орлова роща, ПИЯФ РАН.

I

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПИЯФ РАН.

Автореферат разослан

- 0Ъ WnXJiQkX 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Общая характеристика работы

Работа посвящена созданию поляризованной газовой водороднодейтериевой струйной мишени и поляризованной мишени с использованием накопительной ячейки, а также рх применению в экспериментах с двойной поляризацией на внутреннем пучке заряженных частиц ускорителя COSY1, Национального исследовательского центра г Юлих, Германия, в 2003-2007 годах

Актуальность темы

В последнее десятилетие актуальной задачей стало изучение спиновой структуры заряженных частиц В результате широкое распространение получили газовые поляризованные мишени, оказавшиеся уникальным инструментом для проведения исследований спиновых структур элементарных частиц Эксперименты с двойной поляризацией, в которых известно спиновое состояние как налетающей частицы, так и частицы, входящей в состав газовой мишени, являются наиболее информативными Спектрометр ANKE2, расположенный на накопительном кольце ускорителя COSY (научно-исследовательский центр г Юлих, Германия), является единственным в мире, где возможно проведение двойного поляризационного эксперимента (dp -» ррп) с использованием поляризованной мишени и поляризованного пучка заряженных частиц ускорителя В рабочем диапазоне энергий COSY можно определить векторную и тензорную анализирующие способности и спин-корреляционные параметры протонов и поляризационные наблюдаемые дейтронов Этот эксперимент позволяет получить новую информацию о структуре волновой функции дейтрона, поскольку А*, Аау, А^, Сп, Сш

зависят от отношения S- и D-компонент волновой функции

Создание поляризованной газовой мишени для эксперимента ANKE на накопительном кольце ускорителя COSY позволило провести эксперименты, посвященные изучению спиновой структуры нуклона Актуальными являются исследования столкновений двух поляризованных частиц (протонов и дейтронов) в диапазоне энергий около 1 ГэВ Эта область энергий интересна тем, что одна из поляризационных наблюдаемых -векторная анализирующая способность Ау при энергии поляризованного

1 COoler Synchrotron, Forschungszentrum Jülich, Germany

2 Apparatus for studies of Nucleon and Kaon Ejectiles

протонного пучка 500 МэВ достаточно велика, а при 800 МэВ она близка к нулю Проведение данных исследований позволит измерить векторную и тензорную анализирующие способности и спин-корреляционные параметры протона в диапазоне энергий 0,175 - 2,88 ГэВ

Основным элементом при создании поляризованных мишеней является источник поляризованных атомов (ABS3), в котором формируется начальный пучок атомов с тепловыми скоростями После прохождения области взаимодействия с пучком ускорителя оставшиеся в пучке атомы могут использоваться для определения поляризации Поляризованные газовые мишени по сравнению с поляризованными твердотельными мишенями имеют ряд преимуществ

• низкое радиационное повреждение (мишень не изменяет своих свойств и не разрушается под действием пучка ускорителя любой интенсивности),

• однородность материала газа (для создания газового потока используется один тип газа - водород или дейтерий без дополнительных примесей, усложняющих анализ полученных данных),

• высокий коэффициент поляризации газа мишени (с помощью современных источников получаемая поляризация, достигает 90 %, по сравнению с 40-50 % поляризацией протонных твердотельных поляризованных мишеней,

• быстрое изменение знака поляризации мишени (положительная или отрицательная) и, в случае работы с дейтерием, типа поляризации (векторная или тензорная)

Относительно низкая плотность поляризованных струйных газовых мишеней (порядка 1011 -1012 ат/см2) в сравнении с поляризованными твердотельными мишенями (с плотностью 1014 ат/см2 и выше) может компенсироваться за счет многократного прохождения пучка заряженных частиц через мишень Это позволяет достичь высокой светимости в эксперименте Для увеличения плотности создаваемой мишени используют накопительную ячейку, через которую пропускается пучок ускорителя Она представляет собой Т-образную трубку, в центр которой подается пучок поляризованных атомов В зависимости от геометрических размеров ячейки интегральная плотность такой мишени может быть на два порядка выше, чем у струйной мишени, полученной с помощью того же источника. Для снижения рекомбинации атомов и сохранения поляризации мишени

3 Atomic Beam Source

применяют такие специальные покрытия, как политетрафторэтилен (тефлон) и др

В процессе создания поляризованной газовой водородно-дейтериевой мишени с использованием накопительной ячейки возникает ряд ключевых задач, решение которых определяет возможность проведения эксперимента

• определение и оптимизация характеристик пучка ускорителя в месте размещения поляризованной газовой мишени,

• сокращение поперечных размеров накопительной ячейки увеличивает плотность газовой мишени, но, вместе с тем, снижает интенсивность пучка ускорителя Оптимизация геометрических размеров мишени, располагающейся вдоль пучка ускорителя, направленная на повышение светимости в эксперименте, является серьезной задачей, определяющей длительность проведения эксперимента,

• накопительные ячейки являются тонкостенными мишенями, так как рассеянные частицы, проходя сквозь стенки, теряют энергию Это создает дополнительные трудности для правильной идентификации продуктов реакции и повышает фон, мешающий проведению эксперимента Создание мишеней из материала толщиной в несколько микрон, а также систем для их поддержки и перемещения является серьезной технической задачей,

• столкновение поляризованных атомов со стенками мишени вызывает процесс рекомбинации атомов в молекулы и их деполяризацию, что значительно снижает качество создаваемой мишени Правильный выбор материала внутреннего покрытия накопительной ячейки и создание определенной технологии его нанесения позволят снизить влияние этих процессов, а значит, повысить среднюю поляризацию атомов мишени

Целью работы является создание поляризованной газовой водороднодейтериевой струйной мишени, поляризованной мишени с использованием накопительной ячейки и проведение первого в мире эксперимента по развалу дейтрона с двойной поляризацией (поляризованной газовой мишенью и поляризованным пучком частиц в накопительном кольце) Комплекс работ по созданию поляризованной мишени и установке ее на накопительном кольце ускорителя COSY включает в себя

1. разработку и создание установки для измерения профиля пучка в камере для установки мишеней на эксперимент ANKE,

2. проведение серии экспериментов по определению характеристик пучка ускорителя COSY в месте размещения мишени,

3. исследование возможностей различных методик инжекции и охлаждения пучка ускорителя, направленных на увеличение его интенсивности при использовании протяженной накопительной ячейки,

4. исследование влияния магнитных полей в районе установки мишени на работоспособность различных компонент источника ABS, свойства производимого пучка, а также измерительную систему - поляриметр, работающий на эффекте лэмбовского сдвига (LSP4),

5. создание системы подачи неполяризованных газов (Н2, D2, N2, Не) в накопительную ячейку для проведения экспериментов с неполяризованной газовой мишенью, по плотности эквивалентной поляризованной мишени, и калибровка плотности мишени, создаваемой с его помощью,

6. исследование фоновых событий в эксперименте и определение способов их подавления,

7. создание поляризованной газовой водороднодейтериевой мишени максимальной плотности с накопительной ячейкой.

Достижение высокой светимости в экспериментах на накопительном кольце COSY требует не только максимальной плотности поляризованной мишени, но и высокой интенсивности поляризованного пучка ускорителя, проводимого через мишень Для выполнения этой задачи на ускорителе COSY была проведена серия исследований, позволивших значительно увеличить интенсивность пучка ускорителя при использовании накопительной ячейки и создать мишень максимальной плотности с высокой поляризацией В ходе экспериментов было создано несколько мишеней, отличающихся по геометрической форме, внутреннему покрытию и использованному типу газа

Научная новизна

В процессе подготовки эксперимента с двойной поляризацией впервые на ускорителе COSY были проведены измерения профиля пучка в камере для установки мишеней на спектрометр ANKE Для достижения максимальной интенсивности в экспериментах с накопительной ячейкой впервые одновременно использовались все возможные способы охлаждения

4 Lamb-Shift Polarimeter

Созданная поляризованная газовая водородная мишень с плотностью 1,3 • 1013 ат/см2 позволила достичь высокой светимости (порядка Х~ 1029 cm'V1) и провести первый в мире двойной поляризационный эксперимент. Поляризация мишени, полученная в результате обработки накопленных данных, является максимальной среди мировых поляризованных водородных газовых мишеней с использованием накопительной ячейки и составляет 0,79 ± 0,07. При анализе данных была применена модель точечной мишени, что снижает точность расчетов и позволяет надеяться на более высокие значения поляризации при использовании модели протяженной мишени, находящейся на данный момент в разработке

Практическая ценность и реализация результатов работы

Практическая ценность заключается в следующем*

• созданная система измерения профиля пучка ускорителя позволила.

- определить форму, положение и размеры пучка COSY в секции ускорителя, использующейся для эксперимента ANKE;

- оптимизировать размеры пучка и более чем в 3 раза увеличить интенсивность проведенного через накопительную ячейку пучка,

• проведенные исследования различных типов покрытий, сохраняющих поляризацию атомов в накопительной ячейке, и способов их нанесения на тонкую алюминиевую фольгу обеспечили поддержание стабильной поляризации газа мишени в эксперименте с поляризованной газовой водородной мишенью,

• был размещен на ускорителе и модернизирован для работы в сильных магнитных полях эксперимента ANKE источник поляризованных атомов - ABS,

• был проведен эксперимент с использованием поляризованной водородной газовой мишени плотностью 1,3 • 101 ат/см2 с накопительной ячейкой и поляризованного дейтронного пучка ускорителя с энергией 1,2 ГэВ В результате анализа данных была получена величина поляризации атомов водорода в накопительной ячейке, составившая 0,79 ± 0,07

• созданная внутренняя поляризованная газовая мишень высокой плотности позволит в ближайшем будущем провести ряд экспериментов по развалу дейтрона, таких как dp ррп при других

энергиях, а также dp-*1 Не я0, dp dp и других.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:

1. 1st Caucasian-German School and Workshop on Hadron Physics, August 2004, Georgia, Tbilisi

2. 16th International Spin Physics Symposium, October 15,2004, Trieste, Italy

3. German Physical Society Meeting 2005, March 4,2005, Berlin, Germany.

4. 12th International Workshop on Polarized Sources and Targets, November 16, 2005, Tokyo, Japan

5. 17th International Spin Physics Symposium, October 3, 2006, Kioto, Japan

6. German Physical Society Meeting 2007, March 15, 2007, Glessen, Germany

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, 53 рисунков, 13 таблиц и списка литературы Общий объем диссертации 119 страниц

Краткое содержание диссертации

Введение содержит формулировку основной цели работы и её актуальность Проводится сравнение различных экспериментов с использованием газовых и твердотельных поляризованных мишеней на ускорителях заряженных частиц Обосновывается необходимость создания внутренней поляризованной водороднодейтериевой газовой мишени с накопительной ячейкой для экспериментов на ускорителе COSY

Первая глава посвящена обзору существующих в мире источников поляризованных атомарных пучков В ней рассматриваются принципы, заложенные в основу работы источников, область применения, достигнутые с их помощью результаты, а также перспективы использования Детальное рассмотрение конструкции источников поляризованных атомов проводится на основе источника, созданного для эксперимента ANKE на ускорителе COSY

Вторая глава посвящена обзору внутренних газовых мишеней для ускорителей заряженных частиц

Разработка источников поляризованных атомарных пучков позволила создать новый вид мишеней - внутренних, устанавливаемых на внутренних кольцах ускорителей заряженных частиц Низкое радиационное

повреждение делает такие мишени более привлекательными для использования, а быстрая смена знака поляризации позволяет выполнять работу с различными мишенями без прерывания работы ускорителя Однако такие мишени обладают низкой плотностью, которая может компенсироваться за счет многократного прохождения пучка через мишень В этом случае светимость в эксперименте (X) зависит не только от плотности газовой мишени (пЙГ8е1) и количества частиц в ускорительном пучке (пЬеат)> но и от частоты обращения пучка (/) в накопительном кольце ускорителя

= ПЬеат ' пт%а ' / О)

В середине девяностых годов прошлого столетия Уильямом Хаберли было предложено5 использовать Т-образную трубку для увеличения плотности внутренних газовых поляризованных мишеней Таким образом, из-за газодинамического сопротивления трубок плотность созданной мишени могла быть увеличена на два порядка по сравнению со струйной мишенью, которая не имела удерживающих стенок Важно отметить, что при высоких энергиях вторичные частицы вылетают под малыми углами к направлению пучка ускорителя и не задевают трубок

^ Пучок

АВв

Пучок ускорителя

2?.

1/2 О Т /2

Рис 1 Распределение давления в накопительной ячейке Поперечные размеры накопительных ячеек намного меньше средней длины свободного пробега атомов, поэтому в области мишени газ

1 НаеЬегЬ, А1Р СопГ Ргос 128 (1985), р 251

распространяется в свободномолекулярном режиме течения Длина накопительной ячейки вдоль пучка ускорителя намного больше ее диаметра, поэтому можно полагать, что плотность в перпендикулярном сечении однородна, а вдоль пучка имеет треугольную зависимость с вершиной в точке сочленения трубок (Рис 1)

Основными задачами при создании накопительных ячеек для внутренних поляризованных газовых мишеней являются повышение плотности мишени и поддержание коэффициента поляризации исходного пучка ABS Также необходимо увеличивать интенсивность ускорителя, которая неизбежно будет снижаться с уменьшением поперечных размеров трубок мишени Эти и другие особенности создания накопительной ячейки рассмотрены в следующих главах.

Третья глава посвящена описанию возможностей ускорителя COSY по работе с внутренними пучками и особенностей эксперимента ANKE, где планировалась установка поляризованной газовой мишени Использование накопительной ячейки во время проведения эксперимента будет влиять на следующие факторы.

• низкая интенсивность инжектируемого пучка за счет обрезания частиц, находящихся вне трубки накопительной ячейки,

• увеличение фоновых событий во время одного цикла работы ускорителя, вызванное разогревом пучка при его взаимодействии с газом мишени,

• наличие фоновых событий из-за столкновений ускоренных частиц со стенками мишени

Если с последним эффектом необходимо бороться, используя специальные методы отбора при анализе данных, то влияние первых двух можно уменьшить средствами ускорителя Высокая интенсивность пучка ускорителя COSY во время инжекции и при низких энергиях ускоренного пучка (до 100 МэВ) достигается использованием электронного, а при высоких энергиях (от 1500 МэВ) - стохастического охлаждения Кроме того, существует дополнительный метод увеличения количества частиц в накопительном кольце ускорителя - многократная инжекция Использование электронного охлаждения между добавлением новых порций заряженных частиц позволяет сделать пучок более плотным и ведет к снижению потерь при ускорении

Во второй части третьей главы дано краткое описание основных элементов, входящих в состав внутренней поляризованной газовой мишени доя эксперимента ANKE

• источник поляризованных атомарных пучков,

• вакуумная камера для установки мишеней,

• накопительная ячейка с системой поддержки и перемещения,

• устройство для измерения поляризации - поляриметр, работающий на эффекте лэмбовского сдвига

В четвертой главе описаны подготовительные работы и измерения на ускорителе COSY, направленные на создание накопительной ячейки для проведения двойного поляризованного эксперимента Процесс подготовки к созданию первой накопительной ячейки можно разделить на четыре основных этапа.

• измерение профиля пучка ускорителя в месте установки мишени,

• размещение источника на ускорителе и ввод его в эксплуатацию,

• измерение магнитных полей вокруг источника ABS и вдоль оси распространения пучка,

• калибровка устройства измерения интенсивности пучка и создание неполяризованных молекулярных мишеней с известной плотностью

Определение профиля инжектированного и ускоренного пучка в районе мишени позволяет оценить минимальные размеры ячейки, при которых ее можно использовать без значительного уменьшения интенсивности пучка ускорителя Для этого была создана и использовалась в последующих экспериментах система поддержки и перемещения рамки с возможностью установки различных измерительных диафрагм и накопительных ячеек на пучок Эта установка состояла из двух 3-координатных столов, поддерживающих рамку с установленными в ней диафрагмами Вся система размещалась на фланце вакуумной камеры и была укомплектована гибкими тарельчатыми сильфонами, позволявшими перемещать систему внутри ускорителя на 150 мм в горизонтальном и 25 мм в вертикальном направлении в плоскости, перпендикулярной направлению распространения ускорительного пучка. Свободный ход рамки в горизонтальной плоскости позволял после окончания измерений выдвинуть систему из пучка без нарушения вакуума и продолжить работу со следующим экспериментом Точность определения координат и плавное перемещение системы внутри камеры ускорителя обеспечивалось прецизионными двигателями с поступательным движением за полный оборот 0,25 мм Специально для этой установки было разработано программное обеспечение, позволяющее удаленно управлять перемещением измерительных диафрагм

Измерение профиля пучка производилось в момент инжекции частиц во внутреннее кольцо ускорителя, а также после их ускорения до энергии эксперимента Полученные результаты обрабатывались с

применением закона двумерного распределения Гаусса для получения реального профиля пучка ускорителя {Рис. 2). Во время измерения для имитации газовой мишени была использована кластерная мишень с плотностью, эквивалентной накопительной ячейке, заполненной газом.

.10 0 10 Горизонтальная ось, мм

Рис. 2. Восстановленный профиль пучка на этапе инжекции в ускоритель. Максимум соответствует плотности пучка, инжектированного в ускоритель без использопапия диафрагм, начало коорлнпат — геометрическому цен тру камеры

Систематические измерения профиля пучка ускорителя COSY в районе Эксперимента ANKE показали, что размеры пучка в момент инжекции составляют 36 х 16 мм2, а после ускорения — 9 x15 мм2 без мишени и 15 х 16 мм2 с мишенью. Кроме определения профиля, проведенные измерения позволили сделать следующие выводы:

• невозможно использовать накопительную ячейку с поперечным сечением 15х15ммг, т.к. однократная инжекпия приведет к низкой интенсивности пучка ускорителя (не более 10% от исходной);

• на этапе инжекции размеры пучка ускорителя в районе установки мишени определяются качеством его проведения;

• после ускорения размеры пучка в большей степени зависят от плотности мишени, чем от энергии эксперимента;

• в экспериментах с накопительной ячейкой необходимо использовать дополнительные способы повышения интенсивности ускоренного пучка, такие, как многократная инжекция, электронное и стохастическое охлаждение;

• при изготовлении накопительной ячейки для проведения поляризационных экспериментов оптимальными размерами поперечного сечения являются 20 х 15 мм2

Во время установки ABS на ускоритель были проведены измерения магнитного поля вокруг основных компонентов источника, содержащих движущиеся части (таких, как криогенные и турбомолекулярные насосы, шаговые двигатели прерывателя пучка и пр) В результате было выявлено, что в некоторых областях магнитные поля в два-три раза превышают максимальные значения, полученные из расчетной карты магнитного поля эксперимента ANKE. Для некоторых турбомолекулярных и криоадсорбционных насосов, а также для всех датчиков давления в источнике эти величины находились выше допустимых пределов При установке источника на ускоритель все необходимые компоненты были оснащены магнитными экранами, которые позволили снизить магнитные поля в их области до нормального уровня

Предварительная экранировка отдельных частей источника не гарантировала стабильность работы всех блоков сверхтонких переходов, поэтому была произведена проверка работы одного из блоков радиочастотных переходов, создающих поляризацию Для этого в рабочих условиях эксперимента ANKE при максимально возможном поле спектрометрического магнита D2 было измерено давление, создаваемое в камере ускорителя при включенном потоке атомов из источника

3 0Е-07 •

ю 2

с 2 5Е-07 ■ g

х

GL

° 2 0Е-07

0 >.

0) а.

Sj 1 SE-07 со

»S

1 1 ОЕ-07 S

>ч

g 5 0Е-08 со 0)

| 1 0Е-08

m 0 200 400 600 800 1000 1200 1400

ш

1=1 Ток магнита D2, А

■ ■ - Без пучка —•— Неполяризованный пучок —Поляризованный пучок

Рис 3 Проверка на стабильность работы источника поляризованных атомов в изменяющемся магнитном поле спектрометрического магнита D2

Включение блока сверхтонких переходов должно было инициировать переход атомов водорода из состояния |2> в состояние |3>, которое дефокусировалось из пучка вторым блоком секступольных магнитов и откачивалось источником, не попадая в ускоритель Таким образом, при включении поляризации давление в вакуумной камере ускорителя должно снижаться в два раза вне зависимости от внешних условий Изменение тока основного спектрометрического магнита с шагом 200 А не привело к значительному уменьшению поляризации, и отношение давлений в вакуумной камере при переключении блока сверхтонких переходов оставалось постоянным (Рис 3)

Кроме прямого влияния магнитного поля на производительность и работоспособность отдельных составляющих источника, что в конечном итоге может снизить поляризацию атомарного пучка, существует также деполяризация атомов при прохождении областей с нулевым магнитным полем На всей длине распространения поляризованного пучка, от первого блока сверхтонких переходов до входа в накопительную ячейку, есть несколько областей с низким магнитным полем Для сохранения поляризации атомов важно, чтобы коэффициент К, равный отношению ларморовской частоты прецессии спина ядра атома к скорости изменения магнитного поля, был не менее 100 (Рис 4) Проведенные измерения показали, что на всей длине распространения поляризованного пучка есть несколько областей, в которых магнитное поле меняет знак, но это не приводит к деполяризации пучка атомов

R,отн ед

/, см

Рис 4 Изменение коэффициента R вдоль оси источника ABS Координаты по оси X отсчитываются от точки создания поляризации в источнике

В рамках подготовки к созданию накопительной ячейки для газовой мишени были проведены калибровки системы подачи неполяризованного газа для молекулярного водорода, дейтерия и азота Основываясь на полученных зависимостях, были созданы и использованы в физических экспериментах на ускорителе COSY водородные и азотные газовые мишени необходимой плотности Результаты калибровки и измерения интенсивности источника поляризованных атомов позволили с хорошей точностью предсказать плотности газовой струйной мишени и мишени с накопительной ячейкой

Пятая глава посвящена измерениям, выполненным на ускорителе COSY с использованием накопительной ячейки Эти эксперименты можно разделить на три основных группы по типу использованной мишени

• накопительной ячейки без газа,

• неполяризованной газовой мишени с накопительной ячейкой,

• струйной газовой мишени,

• поляризованной газовой мишени с накопительной ячейкой

Создание накопительной ячейки для внутренней газовой мишени в эксперименте ANKE требует исследования возможностей ускорительной техники по проведению пучка COSY через протяженную накопительную ячейку, а также свойств получаемой мишени Были внесены дополнительные модификации в программу для удаленного управления системой поддержки и перемещения мишени В систему управления добавлена возможность непараллельного смещения одной из осей движения, а из соображений безопасности накопительной ячейки - введен дополнительный параметр, ограничивающий относительное смещение в каждой плоскости движения пятью миллиметрами Этого расстояния достаточно для оптимизации положения центров входного и выходного отверстия трубки, вдоль которой распространяется пучок ускорителя

Первый эксперимент на COSY с использованием накопительной ячейки проводился без газовой мишени Необходимость таких тестов обусловлена особенностью спектрометра ANKE, центральный магнит которого в рабочем состоянии должен быть смещен с оси пучка ускорителя, создавая тем самым локальное отклонение орбиты Впервые в эксперименте ANKE была использована протяженная мишень со стенками, ограничивающими пучок ускорителя

В камере для установки мишеней была размещена рамка, поддерживающая измерительную диафрагму (40 х 25 мм2) и две накопительные ячейки разного поперечного сечения (15 х 15 и 30 х 20 мм ) Оптимизация проводилась в два этапа Вначале, с помощью диафрагмы,

измерялись поперечные размеры пучка во время инжекции, после чего пучок пропускался через большую накопительную ячейку Затем, после улучшения проведения пучка и увеличения его плотности, пучок проводился через накопительную ячейку меньших поперечных размеров Второй этап заключался в оптимизации процесса ускорения при достаточной интенсивности пучка COSY

Сравнение результатов, полученных на разных этапах оптимизации проведения пучка, позволило сделать несколько выводов

• на этапе инжекции количество частиц в накопительном кольце постоянно и не зависит от наличия скреперов6, ограничивающих пучок размерами ячейки Это говорит о хорошей оптимизации, а также свидетельствует о стабильности и воспроизводимости проведения пучка,

• уменьшение количества частиц на 30% при ускорении через большую накопительную ячейку говорит о несогласованности изменения магнитных полей в процессе ускорения,

• неудавшаяся попытка ускорить 109 частиц, оставшихся в накопительном кольце после инжекции в меньшую ячейку, подтверждает необходимость использования более широкой накопительной ячейки

В результате проведенных измерений было определено минимальное поперечное сечение основной трубки накопительной ячейки для дальнейших тестов, которое должно составлять 15 мм по вертикали и 20 мм по горизонтали

Второй эксперимент проводился с использованием протонного пучка с энергией 600 МэВ и молекулярной водородной газовой мишенью с накопительной ячейкой На начальном этапе оптимизации инжекции проведение пучка проводилось без сдвига спектрометрического магнита Только после достижения высокой интенсивности ускоренного пучка система магнитов была смещена на угол 9,2° При ненулевом положении спектрометрического магнита возможно искривление траектории пучка в районе мишени, что сказывается на количестве оставшихся в ускорителе частиц Для дополнительного повышения интенсивности пучка использовался метод повторной инжекции в ускоритель с последующим электронным охлаждением В результате, при нулевом положении спектрометрического магнита наблюдалось почти шестикратное увеличение

6 Скрепер (scrapers (англ) - скребок, скрести) - устройство в виде заслонки, вдвигающееся в

направлении центра идеальной траектории пучка, чтобы обрезать гало или сам пучок На

ускорителе COSY скреперы расположены парами и могут перемещаться независимо

числа частиц, ускоренных через накопительную ячейку Эта процедура позволяет сформировать достаточно плотное ядро пучка, которое почти не смещается со своей траектории в процессе ускорения, что позволяет сохранить в ускорителе до 80% инжектируемых частиц без мишени

В третьем эксперименте на ускорителе COSY для создания струйной мишени был использован источник поляризованных атомарных пучков Этот способ создания поляризованной газовой мишени обладает некоторыми преимуществами по сравнению с накопительной ячейкой

• отсутствие дополнительных механизмов позиционирования мишени (максимальная плотность находится на оптической оси источника),

• отсутствие держателей или стенок у мишени,

• инжектируемые атомы, не испытавшие взаимодействия с пучком ускорителя, могут быть легко удалены из вакуумной камеры с помощью дополнительных вакуумных насосов или ловушек

При работе источника ABS в качестве неполяризованной газовой мишени использовался протонный пучок ускорителя с энергией 600 МэВ Низкая плотность создаваемой мишени требовала установки дополнительной ловушки пучка источника для снижения уровня фоновых событий Из распределения восстановленных вершин реакции pp—*dn+ (Рис 5) видно, что их плотность в области распространения пучка ABS всего лишь в пять раз превышает фон Ноль оси Z (направление распространения пучка ускорителя) соответствует оптической оси

источника

2 24

о

я 22

Я о 20

а К 18

S 16

«

о 14

Я

is 12

>ч

g" 10

л 8

Ö 6

о

Я н 4

о

ч 2

с 0

Вакуумная камера | для установки мишени

; ' * ' :

: :

: 1 :

I \ =

: 1 \ :

: f \ :

1 \ :

: 1 \ =

Е J

= W 4j4 ILafK

: 1чП rJU

LiJ 1 . . . . , . :

Область спектрометрического магнита D2

20

40 «0 S0 100

Ось Z вдоль пучка, см

Рис 5 Распределение плотности восстановленных вершин реакции pp—*dz*

Проинтегрировав события в области мишени, за вычетом стабильных фоновых условий, получим плотность струйной мишени равную (1.5 ± 0,1) ■ 10" см"2. Это значение хорошо соотносится с величиной плотности, рассчитанной из калибровки потока атомов с использованием

системы подачи деполяризованного газа— (1,6 ±0,1) 10 см"2.

Вторым тестом с источником поляризованных атомов являлось сравнение плотности распределения событий вдоль оси распространения ускорительного пучка при использовании накопительной ячейки. Для этого использовался блок сверхтонких переходов, позволяющий создавать поляризованную (состояние |1>) и неполяр изо ванную (состояния [1> + |2>) водородную мишень. Как показано на Рис. 6, соотношение числа событий в обоих случаях приблизительно равно двум. В области спектрометрического магнита также наблюдается сильное различие между состояниями, поэтому необходимо оптимизировать откачку вакуумной камеры ускорителя для улучшения фоновых условий.

К>0 1 м 1« 7, К'ОО[)/»1 пита, СМ

1К> ио 346

7. координата, см

Рис. 6. Реконструкции вершины реакции с использованием накопительной ячейки

В результате работы со струйной мишенью была улучшена методика анализа данных, позволившая снизить систематические ошибки и частично избавиться от фоновых счетов.

Для заключительного эксперимента с поляризованным дейтронным пучком ускорителя энергией 1,2 ГэВ и поляризованной газовой водородной мишенью была создана новая система поддержки накопительной ячейки, показанная на Рис. 7, которая не предполагала наличия котировочной диафрагмы. В камере для установки мишени на расстоянии 10 мм от ближней стенки ячейки и 20 мм от центра распределения плотности газа в мишени был расположен трековый детектор. В силу конструкционных особенностей системы охлаждения высокая интенсивность счета может вывести детектор из строя. Поэтому интенсивность инжекции искусственно уменьшалась при помощи метода микропульсаций, позволяющего контролировать, какая часть пучка в момент инжекции остается в накопительном кольце.

Рис. 7. Система поддержки и перемещения накопительной ячейки в камере ускорителя. Дополнительные трубки использовались для подачи не поляризованного газа для калибровок во время эксперимента

Подготовка к проведению эксперимента показала, что поляриметр, работающий на эффекте лэмбовского сдвига, не способен измерить абсолютную поляризацию пучка ABS в условиях сильного внешнего магнитного поля от спектрометрического магнита. С его помощью измерялось относительное изменение поляризации (ее асимметрия), остававшееся постоянным на всем протяжении эксперимента.

Для выделения фоновых событий, наблюдаемых при взаимодействии пучка с алюминиевыми стенками ячейки, и наложения ограничений на отбор событий использовались измерения с молекулярной азотной мишенью, т.к. его молярная масса (28) близка к атомной массе

алюминия (26,98) При анализе этих данных были выделены события, характерные для взаимодействия частиц ускорителя со стенками накопительной ячейки Использование этих измерений позволило очистить полученные данные от фоновых событий и свести к минимуму время, необходимое для набора достаточной статистики при экспресс-анализе поляризации.

Использование неполяризованной газовой водородной мишени позволило провести калибровку детекторов и подтвердить правильность анализа поляризации при сравнении с данными, полученными с использованием поляриметра низкой энергии, измеряющим поляризацию создаваемого пучка до его инжекции в накопительное кольцо Средняя величина векторной поляризации, измеренная с помощью поляриметра низких энергий, равнялась Pz lep = 0,66 ± 0,003, а полученная из анализа данных - Pz_anke = 0,51 ± 0,04

В результате совместного использования всех возможных методик повышения интенсивности пучка была получена рекордная интенсивность пучка - 7 109 частиц во внутреннем кольце COSY, которую весьма сложно достичь с поляризованным пучком без накопительной ячейки

Плотность поляризованной водородной газовой мишени, полученная в результате калибровок системы подачи неполяризованного газа, равнялась 1,3 1013ат/см . Это значение хорошо соотносится с измеренным с помощью метода Шоттки (расчет ионизационных потерь), составившим 1,6 1013 ат/см2.

Использование детектора траекторий частиц, расположенного в непосредственной близости от области максимальной плотности газовой мишени в накопительной ячейке, позволило

• значительно снизить загрузку детекторной системы при использовании сигнала регистрации в нем частицы как триггера для включения слежения переднего детектора;

• распределение восстановленных траекторий частиц в вертикальной плоскости (Рис 8) позволило определить области взаимодействия пучка ускорителя со стенками накопительной ячейки Расстояние между ними составляло 15 мм, что в точности повторяет геометрию мишени

Поляризация газовой водородной мишени с использованием накопительной ячейки составила Pz = 0,79 ± 0,07 Эта величина была получена с использованием модели точечной мишени, поэтому реальное значение поляризации может быть выше.

Y координата, мм

Рис. 8 Проекция распределения траекторий частиц в трековом детекторе на ось, перпендикулярную направлению распространения пучка ускорителя

Шестая глава посвящена перспективам использования накопительной ячейки отдельно и совместно с внутренней поляризованной водороднодейтериевой мишенью Также рассматриваются возможности по улучшению математической модели для восстановления вершины реакции при использовании протяженной мишени, способные повысить точность измерений

Заключение содержит основные результаты проделанной работы. Положения, выносимые на защиту

1 Создание системы для измерения и оптимизации пучка ускорителя в месте расположения поляризованной мишени на эксперименте ANKE. Полученные с ее помощью результаты позволили более чем в три раза увеличить интенсивность пучка ускорителя COSY, проводимого через накопительную ячейку.

2 Создание и использование в экспериментах на накопительном кольце ускорителя COSY трех типов мишеней.

• поляризованной струйной водородной мишени плотностью 1,5 • 10й см'2;

• неполяризованной газовой мишени (Н2, N2, D2, Не) с накопительной ячейкой,

• поляризованной газовой мишени с накопительной ячейкой плотностью 1,5 1013 см-2 и поляризацией атомов 0,79 ± 0,07

3. Исследование и улучшение вакуумных и магнитных условий источника в месте размещения на эксперименте ANKE Анализ результатов, полученных с использованием поляризованной струйной мишени, позволил на порядок снизить фоновые условия при работе с источником как со струйной мишенью, и, более чем в два раза, при работе с накопительной ячейкой

4. Использование деполяризованной газовой мишени позволило определить вклад взаимодействия пучка ускорителя со стенками накопительной ячейки и более чем на порядок снизить уровень фоновых событий во время проведения эксперимента с двойной поляризацией Анализ распределения событий позволил в несколько раз уменьшить загрузку детекторов и сделал возможным оперативный анализ данных во время эксперимента

5. Проведение первого в мире эксперимента на внутреннем кольце ускорителя с использованием поляризованной газовой водородной мишени и поляризованного дейтронного пучка ускорителя с энергией 1,2 ГэВ. Величина поляризации, полученная в результате обработки накопленных данных, является максимальной среди мировых поляризованных водородных газовых мишеней с накопительной ячейкой и составляет 0,79 ± 0,07. Высокая плотность созданной мишени (1,5 • 1013 см'2) позволила достичь светимость в эксперименте, превышавшую 1029 cm'V, достаточную для его успешного выполнения

По теме диссертадии опубликованы следующие работы;

1. R. Engels, R Emmerich, К Gngoryev et al Background reduction by a getter pump around the ionization volume of a Lamb-shift polanmeter and possible improvements of polarized ion sources, Rev. Sci. Instr. 76 (2005) 053305,6 p.

2. K. Gngonev, Cell tests for ANKE, 1st Caucasian-German School and Workshop on Hadron Physics, 2004, ISBN 3-89336-375-0

3. К Gngonev, et al The polarized internal gas target of ANKE at COSY, 16th International Spin Physics Symposium, Tneste, Italy October 15,2004 eds. К Aulenbacher, F Bradamante, A Bressan, A Martin,pp. 800-803.

4. R Engels, R Emmench, K. Gngoryev et al Nuclear polarization measurement of H/D atoms extracted from a storage cell with a Lamb-shift polanmeter, Nucl. Instr Meth. A536 (2005) 334-337.

5. K. Gngoryev et al The Polarized Internal Gas Target of ANKE at COSY. Meeting of the German Physical Society, 2005, Berlin.

6. К Grigoryev et al Storage cell tests and commissioning of the Polarized Internal Gas Target // IKP Annual Report 2005, pp 20-21

7. D Chiladze, A. Kacharava, , К Grigonev et al Determination of deuteron beam polarizations at COSY, Phys Rev ST Accel Beams 9, 050101 (2006), 13 p.

8. H Kleines, J Sarkadi, , К Grigoryev et al The control system of the polarized internal target of ANKE at COSY, Nucl Instr Meth A560 Issue 2 (2006)pp 503-516

9. R Engels, , К Grigonev et al Polarized Internal Target (PIT) for ANKE, 2st Caucasian-German School and Workshop on Hadron Physics, 2006, ISBN 3-89336-453-6

10. К Grigoryev et al Commissioning of the Polarized Internal Gas Target of ANKE at COSY Meeting of the German Physical Society, 2006, München

11. К Grigoryev, P Kravtsov, M Mikirtychians, A Vasilyev et al The Polarized Internal Target at ANKE First Results, Proc of the 17th International Spin Physics Symposium (SPIN06), Kyoto, Japan, October 2006 // AIP Conference Proceedings, Volume 915, pp 979-982

12. КЮ Григорьев, А А Васильев, ПА Кравцов и dp Измерения профиля пучка ускорителя COSY // Препринт ПИЯФ-2713, Гатчина, 2007, 20 с

Отпечатано в типографии ПЙЯФ РАН 188300, Гатчина Ленинградской обл , Орлова роща Зак 283, тир 100, уч-изд л 1,29 08 2007 г

Введение

Глава 1.

Источники поляризованных атомарных пучков.

1.1. Введение.

1.2. Описание конструкции и принцип работы.

1.3. Сравнение источников поляризованных атомов.

Глава 2.

Внутренние газовые мишени для ускорителей заряженных частиц.

2.1. Введение.

2.2. Струйные мишени.

2.3. Мишени с использованием накопительных ячеек.

Глава 3.

Поляризованная внутренняя газовая мишень для эксперимента ANKE.

3.1. Ускоритель COSY.

3.1.1 Краткое описание ускорителя COSY.

3.1.2 Методы охлаждения пучков заряженных частиц.

3.1.3 Многократная инжекция.

3.2. Эксперимент ANKE.

Глава 4.

Подготовка к экспериментам на ускорителе COSY.

4.1. Измерение профиля пучка COSY.

4.1.1 Описание измерительной установки.

4.1.2 Измерение профиля пучка на этапе инжекции.

4.1.3 Измерение профиля ускоренного пучка.

4.1.4 Выводы.

4.2. Магнитные поля в районе эксперимента ANKE.

4.2.1 Магнитные поля вокруг источника на эксперименте ANKE.

4.2.2 Магнитное поле вдоль оси источника.

4.2.3 Выводы.

4.3. Система подачи неполяризованного газа.

4.3.1 Введение.

4.3.2 Калибровка устройства измерения интенсивности.

4.3.3 Измерение интенсивности атомарного пучка.

4.3.4 Выводы.

Глава 5.

Эксперименты с накопительной ячейкой на ускорителе COSY.

5.1. Мишень с накопительной ячейкой.

5.1.1 Приборы и методика измерений.

5.1.2 Эксперименты с накопительной ячейкой.

5.1.3 Выводы.

5.2. Неполяризованная газовая мишень с накопительной ячейкой.

5.2.1 Приборы и методика измерений.

5.2.2 Эксперимент с неполяризованной газовой мишенью.

5.2.3 Выводы.

5.3. Поляризованная струйная газовая мишень.

5.3.1 Приборы и методика измерений.

5.3.2 Проведение измерений с неполяризованной газовой мишенью.

5.3.3 Выводы.

5.4. Эксперимент с двойной поляризацией.

5.4.1 Подготовка и проведение эксперимента.

5.4.2 Интенсивность ускорительного пучка.

5.4.3 Измерение поляризации мишени.

5.4.4 Измерения поляризации пучка COSY.

5.4.5 Определение фоновых событий.

5.4.6 Плотность газовой мишени.

5.4.7 Достигнутые результаты.

5.4.8 Выводы.

Глава 6.

Перспективы использования.

В настоящее время одним из перспективных направлений в ядерной физике является изучение структуры и различных свойств ядерной материи на расстояниях порядка или меньше радиуса нуклона. Многообразие ускорителей по всему миру позволяет провести ряд экспериментов, направленных на изучение свойств элементарных частиц при взаимодействии их в довольно широком диапазоне импульсов. Создание ускорительного пучка определенной поляризации (т.е. с упорядоченным направлением спина частицы) и возможность использования в области взаимодействия пучка поляризованных мишеней расширяет круг возможных исследований. Так, например, на одном ускорителе заряженных частиц RHIC1 проводятся два больших совершенно независимых эксперимента, одной из задач которых является изучение поляризационных наблюдаемых спина. В эксперименте STAR2 [1], измеряется спин-зависимые структурные функции нуклонов и ядер с использованием продольно поляризованных протонных пучков с энергией в системе центра масс порядка 200 и 500 ГэВ. В настоящее время этот эксперимент является одним из самых больших в мире по физике элементарных частиц, посвященном исследованиям в области фундаментальной ядерной физики. Расположенный в том же научном центре эксперимент PHENIX3 [2] использует твердую поляризованную (продольно и поперечно) мишень и направлен на исследование соударений тяжелых ядер. С его помощью было обнаружено сильное подавление выхода адронов при больших поперечных импульсах.

В эксперименте рр2рр4 [3] изучается полное сечение и сечение упругого протон-протонного поляризованного и неполяризованного рассеяния в диапазоне высоких энергий. После столкновения протоны почти не отклоняются, оставаясь в узком телесном угле вблизи центра пучка, и не покидают камеры ускорителя, что создает дополнительные сложности при детектировании продуктов реакции. Однако сцинтилляционные детекторы, расположенные внутри камеры, позволяют измерять поляризацию сталкивающихся «желтого» и «синего» пучков коллайдера RHIC и

1 Relativistic Heavy Ion Collider.

2 Solenoidal Tracker at RHIC.

3 Pioneering High Energy Nuclear Interaction Experiment.

4 Изучение упругого взаимодействия двух высокоэнергетичных протонов. отбирать совпадения, которые потом позволяют восстановить дифракционный конус в рассеянии протонов и значение его наклона.

Целью эксперимента COMPASS5 [4] в Церне является изучение реакций ассоциативного рождения адронов, т.е. изучается рассеяние поляризованных мюонов на легких ядрах. Кроме этого можно исследовать продольную поляризацию, наблюдаемую в процессе глубоко-неупругого рассеяния. В настоящее время этот эксперимент находится на стадии сбора статистики и анализа полученной информации.

В области средних и низких энергий известны несколько больших экспериментов, изучающих спиновую структуру. Одним из них является эксперимент EDDA [5], расположенный на накопительном кольце ускорителя COSY. При энергиях протонного пучка 0.5 + 2.5 ГэВ проводится эксперимент с поляризованной струйной мишенью. Полученные результаты в диапазоне углов центра масс рассеянных протонов 30 + 90° с шагом 5° демонстрируют некоторое несоответствие с теоретическими результатами из базы данных SAID [б]. Это еще раз подтверждает, что в настоящее время нет единой теоретической модели, полностью описывающей все результаты, полученные в поляризованных экспериментах, поэтому пополнение любыми новыми результатами может помочь в дальнейшем развитии.

Для более детального описания нуклон-нуклонных взаимодействий, классическим примером которых является эксперимент по развалу дейтрона при моменте относительного импульса движения нуклонов внутри ядра q = 0.3 + 0.5 ГэВ/с, можно использовать существующую систему детекторов эксперимента ANKE на ускорителе COSY. Для этого необходимо создать поляризованную мишень высокой плотности и использовать ее области пересечения с пучком ускорителя заряженных частиц. Примером может служить двойной поляризационный эксперимент с использованием поляризованной газовой водороднодейтериевой мишени и поляризованного пучка COSY.

Одним из возможных способов создания газовых мишеней является использование источника атомарных пучков (ABS6). Изначально такие источники, производившие поляризованный пучок атомов водорода, разрабатывались для создания поляризованных протонных пучков на ускорителях. Но было замечено, что их можно использовать как мишень, бомбардируя сфокусированный пучок атомов газа пучком ускорителя. В силу конструкции источников, описанной в главе 1.2, можно создавать

5 COmmon Muon Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy.

6 Atomic Beam Source. газовые мишени с плотностью порядка 1011 см'3 для ускоренного пучка ускорителя диаметром 1 см. Такие мишени получили название струйных.

Дальнейшее развитие газовых мишеней потребовало увеличения их плотности, что было достигнуто с использованием накопительной ячейки, предложенной Хаберли в 1966 году [7]. Стандартная накопительная ячейка представляет собой Т-образную трубку, в которой создается облако газа источника ABS. Открытая с обеих сторон трубка для ускорительного пучка не разрушает его и позволяет проводить измерения с циркулирующим от нескольких минут до нескольких часов пучком, в зависимости от плотности мишени и размеров трубки. Такой подход к . созданию газовой мишени позволяет увеличить ее плотность на два порядка по сравнению со струйной мишенью того же источника.

Впервые накопительная ячейка была установлена и использовалась в эксперименте на электронном ускорителе ВЭПП-3 (Новосибирск) [8], для определения тензорной анализирующей способности Тго электрон-дейтронного упругого рассеяния. Применение накопительной ячейки увеличило плотность мишени в 15 раз, а специальное силиконовое покрытие стенок «Drifilm» [9] и слабое магнитное поле вокруг ячейки, созданное дополнительными катушками вокруг ячейки, позволило поддерживать тензорную поляризацию дейтериевого пучка источника. Во время проведения эксперимента после множественных столкновений атомов со стенками ячейки наблюдаемая поляризация дейтериевой мишени составляла Pzz = 0.572 ± 0.053, тогда как в лабораторных условиях для струйной мишени она была выше и превышала Pzz > 0.9.

После первого успешного использования накопительной ячейки началось ее применение и в других экспериментах на ускорителях заряженных частиц, одним из них является эксперимент HERMES [10], [11] на позитронном пучке HERA ускорителя DESY (Гамбург, Германия). Для создания поляризованных газовых мишеней использовались водород, дейтерий, гелий, тритий. За время эксплуатации источника на эксперименте были проведены исследования спиновых структур нуклона. В данный момент источник поляризованных атомов, использовавшийся в этом эксперименте на протяжении десяти лет, демонтирован [12] и планируется его использование в рамках эксперимента PAX7 [13].

Спектрометр ANKE8 расположенный на накопительном кольце ускорителя COSY9 (научно-исследовательский центр г. Юлих, Германия) на данный момент

7 Polarized Antiproton experiments.

8 Apparatus for studies of Nucleon and Kaon Ejectiles.

11 является единственным в мире, где возможно проведение двойного поляризационного эксперимента ( dp-^ppn [14], [15]) с использованием поляризованной мишени и поляризованного пучка заряженных частиц ускорителя. В рабочем диапазоне энергий COSY, можно определить векторную и тензорную анализирующие способности и спин-корреляционные параметры протонов и дейтронов. Также этот эксперимент позволит получить новую информацию о структуре волновой функции дейтрона, поскольку поляризационные наблюдаемые ( A*, A*, A^C^fC^ ) зависят от отношения S- и ^-компонент волновой функции. Принимая во внимание особенности спектрометра ANKE [16], эксперимент можно провести в условиях коллинеарной геометрии: протоны, испущенные назад, близко к 180" будут регистрироваться в совпадении с протонами, испущенными вперед под малыми углами (близко к 0'). В такой геометрии S- и D-волновые функции дейтрона могут быть изучены вплоть до внутреннего момента 0.5 ГэВ/с.

Эффективное использование ускорительного времени - одна из основных задач при подготовке и проведении эксперимента. Для ее выполнения необходима не только мишень с высокой плотностью и низкой деполяризацией атомов вдоль накопительной ячейки, но и хорошо сфокусированный интенсивный пучок ускорителя. Оптимизация этих параметров позволит обеспечить высокую светимость в эксперименте.

Основной задачей данной работы являлось создание поляризованной водороднодейтериевой газовой мишени с накопительной ячейкой для экспериментов на спектрометре ANKE с использованием источника поляризованных атомов и поляризованного пучка ускорителя COSY. Помимо создания поляризованной газовой мишени необходимо было провести серию работ, направленных на оптимизацию параметров пучка ускорителя в секции эксперимента ANKE.

В процессе подготовки к созданию накопительной ячейки был проведен ряд экспериментов на ускорителе в районе установки мишени на эксперимент ANKE. В результате была значительно улучшена интенсивность и повышена плотность ускорительного пучка при использовании накопительной ячейки. Также была проведена оптимизация поперечного сечения накопительной ячейки, что позволило создать мишень максимальной плотности с высоким коэффициентом поляризации и провести первый в мире эксперимент на поляризованном дейтроном пучке с использованием поляризованной водородной газовой мишени.

9 COoler SYnchrotron, Forschungszentrum Jiilich, Germany.

12

В работе рассматривается создание установки и ее использование в экспериментах, направленных на определение характеристик пучка ускорителя COSY в камере установки мишеней на эксперимент ANKE. Также описывается проведение исследования магнитных полей в районе установки мишени, его влияние на компоненты ABS, свойства создаваемого пучка и измерительную систему поляриметра (LSP10) [17], работающего на эффекте лэмбовского сдвига. Объясняется калибровка существующей системы подачи неполяризованных газов (Н2, D2, N2, Не), и ее использование, в процессе создания неполяризованной газовой мишени с накопительной ячейкой по плотности эквивалентной поляризованной мишени, создание и использование в эксперименте поляризованной газовой мишени.

Основными результатами подготовительной работы является проведение экспериментов на ускорителе COSY в районе установки мишеней для эксперимента ANKE. В ходе подготовки к проведению двойного поляризационного эксперимента с использованием поляризованного пучка ускорителя и поляризованной газовой внутренней мишени, были проведены исследования профиля пучка в месте установки мишени. Это позволило сделать количественную оценку предполагаемой плотности мишени и ввести коррективы в прототипы накопительных ячеек. Для предварительных экспериментов с различными ускорительными пучками было создано несколько отличающихся по геометрической форме, внутреннему покрытию и использованному типу газа мишеней. Окончательный прототип был использован в эксперименте с поляризованным протонным пучком COSY и поляризованной водородной мишенью, созданной с помощью ABS. Создание поляризованной мишени для ускорителя COSY открывает дополнительные возможности для проведения экспериментов со спектрометром ANKE.

10 Lamb-Shift Polarimeter.

Основные результаты опубликованы в работах: [25], [35], [47], [55], [58], [59], [60], [61], [62], [63], [64], [65].

Табл.13.

Сравнительные характеристики существующих источников поляризованных атомарных пучков с накопительными ячейками

Источник —-^(ускоритель) Параметры ANKE (COSY) AmPs (NIKHEF) / BLAST (MIT) PINTEX (IUCF-Cooler) FILTEX (Heidelberg) / HERMES (HERA) ДЕЙТРОН (ВЭПП-3)

Накопительная ячейка Размеры впускной трубки, мм 015х130 012х123 05 х 130 010x147 24 х 13x342 овальная

Размеры трубки вдоль пучка ускорителя, мм 15x20x390 прямоугольная 015 х 600 08 х 254 10x20x400 овальная 13 х 24 х 400 овальная

Температура, К 300 70-130 300 60-100 100

Интенсивность источника, 1016 ат/с Водород 7.5 6.4 / 5.5 6.7 8.1/6.5 7.9

Дейтерий 4 4.5/ - 5.2 8.2

Плотность мишени, 1013 см"2 Водород 2.8* 11** 3.5* 9,6**/ 11**

Дейтерий - 12 - 21 8

Поляризация в накопительной ячейке Водород 0.79±0.07 0.65±0.08 (векторная) 0.740±0.013 0.78±0.05

Дейтерий - 0.78±0.07 (векторная) - 0.845±0.028 (векторная) 0.397±0.013(стат)± 0.018(сист) (тензорная) — для одного сверхтонкого состояния водорода. — для двух сверхтонких состояний водорода. — для струйной мишени без накопительной ячейки.

Благодарности

Мне хотелось бы выразить огромную благодарность своим научным руководителям - Александру Анатольевичу Васильеву и Франку Ратманну, стоявшим у истоков создания ABS, за помощь процессе работы, внимательное руководство и всестороннюю поддержку.

Хочется поблагодарить всех сотрудников лаборатории за доверие, возможность заниматься любимым делом, конструктивные советы и неоценимую помощь в подготовке всей системы в целом. Благодарю Максима Сергеевича Микиртычьянца, Петра Андреевича Кравцова, Виктора Алексеевича Трофимова за внимание к работе, дружескую обстановку и плодотворные дискуссии.

Отдельно хотелось поблагодарить коллег из института ядерной физики научно-исследовательского центра г.Юлих (Германия) - Хельмута Зайферта, Франка Ратманна, Ральфа Энгельса и Ханса Штроера за их гостеприимство и поддержку в работе. Также отдельную благодарность хотелось бы выразить коллегам из ускорительного отдела -Дитеру Празуну, Берндту Лоренцу, Ральфу Гебелю за совместные ночные смены, посвященные настройке и восстановлению ускорителя после сбоев.

Заключение

Основной задачей данной работы являлось создание накопительной ячейки для внутренней газовой поляризованной водородно-дейтериевой мишени и использование ее в экспериментах ANKE на накопительном кольце ускорителя COSY. Наиболее значимым из проведенных экспериментов являлся двойной поляризационного эксперимент с поляризованным дейтронным пучком с энергией 1.2 ГэВ и поляризованной газовой водородной мишенью.

Для создания накопительной ячейки был проведен следующий комплекс работ на ускорителе COSY:

• создание системы поддержки и позиционирования накопительной ячейки внутри камеры ускорителя в районе эксперимента ANKE, которая использовалась во всех тестах и сеансах на ускорителе COSY;

• измерение профиля ускорительного пучка в камере для установки мишеней на различных этапах его формирования, использованного для оценки минимальных размеров накопительной ячейки;

• оптимизация параметров пучка ускорителя на этапе инжекции и после ускорения через протяженную накопительную ячейку;

• совместное использование всех возможных способов охлаждения пучка ускорителя COSY во время работы с газовой мишенью позволило достичь высокой интенсивности пучка после инжекции;

• проведение измерений со струйной поляризованной газовой мишенью, создаваемой источником ABS;

• проведение измерений с калиброванными молекулярными водородными и азотными мишенями, позволившее снизить фоновые загрузки и сделать проверку метода определения поляризации для протяженной мишени.

Результаты экспериментов, направленных на измерение профиля пучка COSY, и одновременное применение различных методов для увеличения плотности пучка позволили найти оптимальные настройки магнитной системы ускорителя, повысив тем самым на порядок интенсивность пучка не только в экспериментах с внутренней газовой мишенью, но и в других экспериментах, проводимых на ускорителе.

Кроме создания накопительной ячейки для экспериментов было необходимо установить на ускоритель источник поляризованных атомов и провести с ним тестовые измерения. Сложность заключалась в том, что сильные поля в районе эксперимента ANKE, создаваемые отклоняющим и спектрометрическим магнитами могли не только снизить поляризацию, но и сделать невозможным использование источника атомарного поляризованного пучка. Для этого было проведена серия измерений магнитных полей вдоль оси распространения пучка в источнике поляризованных атомов и камере для установки мишеней (от точки создания поляризации до пересечения с пучком ускорителя COSY). Они показали, что при максимально возможном поле в районе эксперимента ANKE отсутствует возможность деполяризации атомов за счет прохождения через область с нулевым полем.

Во время разработки накопительной ячейки, использованной в эксперименте с двойной поляризацией, использование первых прототипов проводилась с применением системы подачи неполяризованного газа. Во время этих экспериментов были выполнены следующие задачи:

• оптимизация системы передвижения накопительной ячейки и набора измерительных диафрагм;

• создание программы оперативной обработки информации, которая облегчила процедуру настройки и оптимизации ускорителя;

• определение величины фоновых событий от взаимодействия пучка ускорителя со стенками мишени и поиск возможных способов уменьшения этого эффекта;

• проведение эксперимента с молекулярной водородной мишенью с поляризованным пучком ускорителя для нормировки системы детекторов и проверки эффективности метода реконструкции вершины реакции и определения поляризации.

Комплекс работ по взаимной оптимизации пучка и мишени позволил впервые в мире провести эксперимент с двойной поляризацией ( dp -»ррп ). Необходимо заметить, что в анализе данных был использован метод реконструкции вершины реакции для точечной мишени, что может снижать полученные значения поляризации, а также вносить дополнительные погрешности в определение поляризационных наблюдаемых.

Полученные из предварительного анализа данных величины поляризации внутренней газовой водородной мишени на данный момент является наивысшими среди газовых мишеней с использованием источника поляризованных атомов (Табл. 13). Это позволит при проведении будущих экспериментов более эффективно использовать ускорительное время, а создаваемая модель для протяженной мишени позволит сделать измерения поляризационных наблюдаемых более точными.

Таким образом, подводя итог, можно сказать, что в результате успешного создания накопительной ячейки для внутренней газовой мишени был проведен эксперимент с двойной поляризацией с энергией дейтронного пучка ускорителя 1.2 ГэВ, в результате чего была получена поляризация атомов водорода в накопительной ячейке 0.79 ± 0.07, а плотность газовой мишени составляла 1.3 • 10 ат/см .

1. B.I. Abelev, J. Adams, M.M. Aggarwal et al. Strange particle production in p+p collisions at V s = 200 GeV // Phys. Rev. С 75 (2007) 064901,21 pp.

2. S. Afanasiev, C. Adiala, N.N. Ajjtanand et al. Elliptic flow of phi meson and deuteron in Au+Au collisions at V SNN = 200 GeV // Phys.Rev.Lett. 0703024 6p.

3. S. Btiltmann, I.H. Chiang, R.E. Chrien et al. Double Spin Asymmetries Ann and Ass at V s = 200 GeV in Polarized Proton-Proton Elastic Scattering at RHIC // Phys.Lett. B647 (2007), pp. 98-103.

4. V. Yu. Alexakhin, Yu. Alexandrov, G.D. Alexeev et al. Double spin asymmetry in exclusive p° muonproduction at COMPASS // Phys. Lett. B647 (2007) 330.

5. W.Scobel, pp Elastic Scattering: New results from EDDA (COSY) // Fourth International Conference STORI99, AIP Conference Proceedings, Volume 512, pp. 3-17 (2000).

6. Virginia Tech Partial Wave Analysis Facility (SATO), internet site -http://gwdac.phys.gwu.edu/.

7. W. Haeberli, Proc. 2nd Int. Symp. On Polarization Phenomena, eds. P. Huber and H. Schopper, Experientia Suppl. 12,64 (Birkhauser, Basel, 1966).

8. D.K. Toporkov, M.V. Dyuga, L.G. Isaeva et al. Internal polarized deuterium target with cryogenic atomic beam source. // Nucl. Instr. and Meth. A 495, (2002) pp. 8-19.

9. D.R. Swenson and L.W. Anderson, Relaxation rates for optically pumped Na vapor on silicone surfaces. // Nucl. Instr. and Meth. В 29, (1988) pp. 627 642.

10. K. Ackerstaff, A. Airapetian, N. Akopov et al. The HERMES Spectrometer. // Nucl. Instr. and Meth. A 417, (1998) pp. 230 265.

11. G. van der Steenhoven, The HERMES experiment. // Progr. Part, and Nucl. Phys. 55 (2005) pp. 181-197.

12. E. Steffens, The HERMES polarized gas tareget. // CERN Courier, Volume 46, Number 3, April -06.

13. P. Lenisa, F. Rathmann, Antiproton-Proton Scattering Experiments with Polarization // Technical Proposal, January 2006, http://www.fz-juelich.de/ikp/pax/.

14. S.V. Dshemuchadze, M.A. Ivanov, V.I. Komarov et al. Exclusive deutron break-up study with polarized protons and deutrons at COSY. // COSY Exp Proposal #20, (1992), 20 p.

15. V.I. Komarov, Exclusive deuteron break-up study with polarized protons and deutrons at COSY. // Proc. 105th Int.WE-Heraeus-Seminar, Bad Honef, Feb. 1 3,1993 pp. 281 - 292.

16. S. Barsov, U. Bechstedt, W. Bothe et al. ANKE, a new facility for medium energy hadron physics at COSY-Julich. // Nucl. Instr. and Meth. A 462, (2001) pp. 364 38L

17. R. Engels, Entwicklung eines universellen Lamb-shift Polarimeter fur polarisierte Atomstrahl-Targets wie an ANKE/COSY // PhD-thesis, Universitat zu Koln, Jul-3976, ISSN 0944-2952, (2002).

18. Norman F. Ramsey, MOLECULAR BEAMS // Oxford, at the clarendon press, 1956.

19. Т. Uesaka, T.Wakui, S. Sakaguchiy et al. Polarized Proton Target for RI Beam Experiments // Proc. "Radioactive Nuclear Beams" (RNB7), Cortina d'Ampezzo, Italy, 2006.

20. T. Wise, A.D. Roberts and W. Haeberli, A high-brightness source for polarized atomic hydrogen and deuterium // Nucl. Instr. and Meth. A 336 (1993) 410.

21. N. Koch, E. Steffens, High intensity source for cold atomic hydrogen and deuterium beams // Rev. Sci. Instrum. 70 (1999) pp. 1631 -1639.

22. D.E. Nagle, R.S. Julian, and J.R. Zacharias. The Hyperfine Structure of Atomic Hydrogen and Deuterium. // Phys. Rev. 72, (1947) p. 971.

23. Abragam and J.M. Winter. Proposal for a Source of Polarized Protons. // Phys. Rev. Lett., 1,(1958) pp. 374-375.

24. W. Haeberli, AIP Conf. Proc. 128 (1985), p. 251.

25. M.C. Микиртычьянц, A.A. Васильев, В.П. Коптев и др. Источник поляризованного атомарного водорода и дейтерия для внутренней газовой мишени спектрометра ANKE. // Препринт ПИЯФ-2491, Гатчина (2002) 33 с.

26. L.D. van Buuren, D. Szczerba, J.F.J, van den Brand et al. Performance of a hydrogen/deuterium polarized gas target in a storage ring. // Nucl. Instr. and Meth. A 474, (2001) pp. 209-223.

27. E. Tsentalovich, D. Cheever, E. Ihloff et al. A highly polarized hydrogen/deuterium internal gas target embedded in a toroidal magnetic spectrometer. // Nucl. Instr. and Meth. A 556, (2006) pp. 410-420.

28. W. Haeberli, B. Lorentz, F. Rathmann et al. Proton-proton spin correlation measurements at 200 MeV with an internal target in a storage ring, //Phys. Rev. С 55, (1997) pp.597-613.

29. K. Zapfe, B. Braun, H.-G. Gaul et al. High density polarized hydrogen gas target for storage rings, // Rev. Sci. Instrum. 66, (1995) pp.28 31.

30. E.C. Aschenauer, P. Lenisa, A. Airapetian et al. The HERMES polarized hydrogen and deuterium gas target in the HERA electron storage ring. // Nucl. Instr. and Meth. A 540, (2005) pp. 68-101.

31. T.Wise, M.A.Chapman, W.Haeberli et al. An optimization study for the RHIC polarized jet target. // Nucl. Instr. and Meth. A 556, (2006) pp. 1 -12.

32. D.M. Nikolenko, Elastic and inelastic electron scattering on tensor polarized deuteron at vepp-3 storage ring. // Relativistic nuclear physics and quantum chromodynamics, volume II, Dubna 2000, pp. 49-53.

33. D. Prasuhn, Status of the Cooler Synchrotron COSY-Julich // Proceedings of the 2003 Particle Accelerators Conference, РАС 2003, Portland, Oregon, USA, May 12-16, 2003, p. 3428.

34. K. Grigoryev, R. Engels, B. Lorentz et al. The polarized internal target at ANKE: first results. // Proc. of the 17th International Spin Physics Symposium (SPIN06), Kyoto, Japan, October 2006 // AIP Conference Proceedings, Volume 915, pp. 979 982.

35. Г.И. Будкер, Proceedings of the Intern. Symposium on Electron and Positron Storage Rings, Saclay, 1966, p. П-1-1; АЭ 22,346 (1967).

36. А.Н. Скринский, В.В. Пархомчук, Физика элементарных частиц и атомного ядра. 1981. Т. 12. С. 557.

37. И.Н. Мешков, Электронное охлаждение: статус и перспективы. // Физика элементарных частиц и атомного ядра. 1994. Т. 25. С. 1478.

38. D. Mohl, CERN Accelerator School Report No. 87 03.1987.

39. S. van der Meer, Stochastic Damping of Betatron Oscillations // preprint CERN/ISR-PO/72-31 (1972).

40. H.-J. Miesner, R. Grimm, M. Grieser et al. Efficient, Indirect Transverse Laser Cooling of a Fast Stored Ion Beam. // Phys. Rev. Lett. 77,627 630 (1996).

41. R. Santo et al The Minister cluster target for internal storage ring experiments // Nucl. Instr. and Meth. A 386 (1997) 228.

42. A. Khoukaz, T. Lister, C. Quentmeier et al. Systematic studies on hydrogen cluster beam production I I Eur. Phys. J. D 5 (1999) 275.

43. R. Esser, Proc. First Experience with ANKE in COSY // XXXVII Int. Winter Meeting on Nucl. Phys., Bormio, Italy, Jan. 25 30 1999.

44. H.R. Koch, Luminosities in ANKE experiments with heavy nuclear targets // Forschungszentrum Juelich annual report, 2001.

45. M.C. Микиртычьянц, A.A. Васильев, В.П. Коптев и др. Измерения интенсивности пучка источника поляризованного атомарного водорода и дейтерия. // Препринт ПИЯФ-2481, Гатчина (2002) 36 с.

46. R. Engels, R. Emmerich, К. Grigoryev et al. Nuclear polarization measurement of H/D atoms extracted from a storage cell with a Lamb-shift polarimeter, // Nucl. Instr. Meth. A 536(2005)334-337.

47. CST GmbH Budinger Str. 2a - 64289 Darmstadt - Germany.

48. B. Lorenz, T. Wise, F. Rathmann, Mapping of static magnetic fields along cell // Madison, 1995.

49. B. Lorentz, Diploma Thesis, MPI Heidelberg, 1993.

50. K. Zapfe, W. Bruckner, H.-G. Gaul et al. Detailed studies of a high density polarized hydrogen gas target for storage rings, I I Nucl. Instr. Meth. A 368 (1996) pp 293 306.

51. E.K Завойский, ЖЭТФ, 32, (1957) с. 731 735.

52. P. Pradel, F. Roussel, A.S. Schlachter. Formation of Н(и=2) atoms by the nearly resonant process ET1" in Cs. Multiple collision processes. // Phys. Rev. A 10, (1974) pp. 797 -812.

53. R. Engels, R. Emmerich, M. Mikirtytchiants et al. Precision Lamb-shift polarimeter for polarized atomic and ion beams, // Rev. Sci. Instrum. 74 (2003) pp. 4607 4615.

54. M.C. Микиртычьянц, A.A. Васильев, В.П. Коптев и др. Блоки сверхтонких переходов для создания ядерной поляризации в источнике поляризованного атомарного водорода и дейтерия ANKE ABS. // Препринт ПИЯФ-2481, Гатчина (2002) 36с.

55. National Institute of Standards and Technology, Stopping power tables for protons and alpha particles http://www.physics.nist.gov/PhysRefData/Star/Text/programs.html.

56. E. Winkelmann, P.R. Bevington, F.H. Cverna et al. Proton-deuteron elastic scattering at 800 MeV, // Phys. Rev. С 21 (1980) 2535-2541.

57. К.Ю. Григорьев, А.А. Васильев , П.А. Кравцов и др. Измерения профиля пучка ускорителя COSY. // Препринт ПИЯФ-2713, Гатчина (2007) 20с.

58. К. Grigoryev, R. Engels, et al. Cell tests at ANKE // KP+COSY Annual Report 2004, p. 9.

59. R. Engels, K. Grigoryev et al. First Polarization Measurement of Hydrogen Atoms Effusing from a Storage Cell into the Lamb-Shift Polarimeter and the Removal of the Components of the Polarized Target to COSY // IKP+COSY Annual Report 2004, p.108.

60. K. Grigoryev et al. Storage cell tests and commissioning of the Polarized Internal Gas Target // KP+COSY Annual Report 2005, pp.20 21.

61. R. Engels, K. Grigoryev et al. The Polarized Internal Target at ANKE // IKP+COSY Annual Report 2005, p. 19.

62. R. Engels, K. Grigoryev et al. The Polarized Internal Target at ANKE // IKP+COSY Annual Report 2004, pp.11 -12.

63. R. Engels, K. Grigoryev et al. Background reduction by a getter pump around the ionization volume of a Lamb-shift polarimeter and possible improvements of polarized ion sources // Review of Scientific Instruments, 76 (2005), 053305.

64. K. Grigoryev et al. The polarized internal gas target of ANKE at COSY // Proceedings of the 16th International Spin Physics Symposium and Workshop on Polarized Electron Sources and Polarimeters (SPIN 2004), Trieste, Italy, 2004, pp. 800 803.