Жидководородные мишени замкнутого цикла и их применение в экспериментах на 70-ГэВ ускорителе ИФВЭ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ВВЕЩЕНИЕ.

ГЛАВА I. Водородные мишени для экспериментов в физике высоких энергий.

1.1. Сравнительный анализ характеристик водородных мишеней с рабочим веществом в разных агрегатных состояниях.

1.2. Жидководородные мишени с незамкнутым циклом водорода.

1.3. Жидководородные мишени с замкнутым циклом водорода. Т.4> -Источники холода в жидководородных мишенях ь. замкнутого цикла.

1.5. Тепловая изоляция жидководородных мишеней.

1.6. Требования физического эксперимента и основные характеристики жидководородных мишеней.

1.7. Жидководородные мишени для работы в высокоинтенсивных пучках заряженных частиц.

ГЛАВА 2. Жвдководородно-дейтериевая. мишень замкнутого цикла для экспериментов на высокоинтенсивном протонном пучке ускорителя ИФВЭ.

2.1. Назначение мишени.

2.2. Длина рабочего объема мишени.

2.3. Энергетические потери частиц в жидком водороде.

2.4. Тепловыделение пучка в мишени.

2.5. Подавление кипения жидкого водорода в мишени.

2.6. Устройство пучковой части мишени и конвекция водорода.

2.7. Конструкция и газовые коммуникации мишени.

2.8. Тепловой расчет мишени.

2.9. Исследование мишени на протонном пучке.

2.10.Рабочие характеристики мишени и сравнение их с расчетом.

ГЛАВА 3. Жвдководородная мишень замкнутого цикла, охлаждаемая проточным гелием.

3.1. Назначение мишени.

3.2. Ожижение водорода жидким гелием.

3.3. Схема и тепловой расчет мишени.

3.4. Конструкция мишени.

3.5. Схема газовых коммуникаций мишени.

3.6. Система сбора черенковского света.

3.7. Рабочие характеристики мишени и сравнение их с расчетом.

ГЛАВА 4. Измерение и стабилизация плотности рабочего вещества в жидководородных мишенях замкнутого цикла

4.1. Измерение плотности жидкого водорода и дейтерия.

4.2. Стабилизация плотности рабочего вещества в переохлажденной водородно-дейтериевой мишени

4.3. Стабилизация плотности жидкого водорода в жидководородной мишени, охлаждаемой проточным гелием.

ГЛАВА 5. Применение жидководородных мишеней замкнутого цикла в экспериментах на 70-ГэВ ускорителе ИФВЭ.

5.1. Эксперимент по изучению образования адронов с большими поперечными импульсами в рр -соударениях при энергии 70 ГэВ.

5.2. Эксперимент по исследованию зарядовообменных реакций при малых переданных импульсах.НО

Изучение процессов адрон-нуклонных столкновений позволяет получить важную информацию о свойствах элементарных частиц и закономерностях сильных взаимодействий. Широко распространенной методикой таких исследований является использование неподвижной ядерной мишени, на которую направляется полученный от ускорителя пучок быстрых частиц. В ряду веществ, применяемых в качестве ядерных мишеней, особое место принадлежит водороду, ядро которого, одиночный протон, дает уникальную возможность исследовать адрон-цротонные взаимодействия в чистом виде. Для изучения адрон-нейтронных взаимодействий наиболее подходящей мишенью служит тяжелый изотоп водорода - дейтерий, ядро которого состоит из двух нуклонов - протона и нейтрона.

При нормальных условиях водород представляет собой газ с малой плотностью, поэтому с целью увеличения числа ядер на пути частиц и уменьшения длины мишени водород в мишени содержится или при повышенном давлении, или при низкой температуре. Среди различных типов мишеней наибольшее распространение получили мишени, содержащие водород в жидком состоянии под давлением, близким к атмосферному. Такие мишени обеспечивают максимальную однородность и плотность вещества, высокую точность измерения плотности и малое количество постороннего вещества на пути частиц. Вместе с тем здесь необходимо отметить, что температура кипения жидкого водорода очень низка - около 20 К, поэтому создание мишени с жидким водородом является достаточно сложной криогенной задачей.

Дополнительную сложность работы с водородом в физическом эксперименте представляет его высокая взрыво- и пожароопасно сть. В смеси с воздухом водород горит при объемных концентрациях от 4 до 75$, а водородо-воздушные смеси с концентрацияш водорода от 18 до 59$ в замкнутых помещениях способны взрываться1^/. По этой причине к соблюдению техники безопасности при работе с водородом предъявляются особые требования. Экспериментальные установки, где используются мишени с большим количеством жидкого водорода, необходимо оборудовать многочисленными специальными системами, обеспечивающими безопасность при работе с водородом^2/.

Опасность использования жидкого водорода возможно значительно уменьшить, если ограничить количество водорода в мишени минимально необходимым для эксперимента. Такая возможность реализуется в жидководородных мишенях с замкнутым циклом водорода. Это позволяет не только отказаться от многих сложных и дорогостоящих систем водородной безопасности, но и значительно улучшить условия цроведения эксперимента.

Постоянный высокий интерес к динамике сильных взаимодействий, растущее в связи с этим число экспериментов, проводимых на ускорителях заряженных частиц с применением жидководородных мишеней, рост качественного уровня аппаратуры экспериментальных установок стимулируют постоянный прогресс в разработке новых типов и конструкций мишеней. Сочетание требоваг-ний, налагаемых на параметры мишени условиями эксперимента, с проблемами биогенной техники и вопросами водородной безопасности различно для разных экспериментов, поэтому создание жидководородной мишени для конкретного физического эксперимента является новой и актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является создание жидководородных мишеней замкнутого цикла для физических экспериментов, проводимых на 70-ГэВ ускорителе ЙФВЭ.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые в нашей стране разработаны и созданы два типа жидководородных мишеней замкнутого цикла:

- мишень для работы в цротонном пучке высокой интенсивности; жидкий водород в мишени находится в переохлажденном состоянии; замкнутый цикл водорода в мишени осуществляется при помощи отечественной щшогенной газовой машины;

- малогабаритная жидководородная мишень, охлаждаемая проточным гелием; конструкция мишени позволяет окружить рабочую зону эффективной охранной системой счетчиков; по черен-ковскоыу излучению в мишени определяется точка взаимодействия.

Практическая ценность работы заключается в разработке и внедрении жидководородных мишеней замкнутого цикла в физические эксперименты, проводимые на 70-ГэВ ускорителе ЙФВЭ. С применением разработанных мишеней выполнены:

- цикл экспериментов по изучению образования адронов с большими поперечными импульсами в рр-и рс(- столкновениях при энергии 70 ГэВ на медленно выведенном из ускорителя ИФВЭ протр тонном пучке интенсивностью до 10 протонов за цикл;

- прецизионный эксперимент по исследованию зарядовооб-менных процессов при малых переданных импульсах в реакции КТр —.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Проведен анализ требований физического эксперимента к жидководородным мишеням, определены технические решения для удовлетворения этих требований и обосновано, как наиболее предпочтительное, применение мишеней с замкнутым циклом водорода.

2. Выполнен расчет энергетических потерь пучка заряженных частиц в жидком водороде и определены условия предотвращения вскипания жидкого водорода в мишени от нагрева пучком высокой интенсивности.

3. Для экспериментов по изучению образования адронов с большими поперечными импульсами в рр- и рЖ- столкновениях при энергии 70 ГэВ создана жстдководородно-дейтериевая мишень замкнутого цикла, способная работать с медленно выведенным высокоинтенсивным протонным пучком ускорителя ИФВЭ. Кипение жидкого водорода в мишени предотвращается переохлаждением. Экспериментально проверено отсутствие вскипания жидкого водорода в мишени под действием протонного пучка то интенсивностью до 2-10 протонов за цикл. Точность определения плотности жидкого водорода в мишени ± 0,3$.

4. Для экспериментов по исследованию зарядовообменных процессов при малых переданных импульсах создана малогабаритная жидководородная мишень замкнутого цикла, охлаждаемая, проточным гелием. Обеспечена возможность расположения вокруг мишени эффективной охранной системы счетчиков. В мишена ни производится регистрация черенковского света для определения продольной координаты взаимодействия.

5. Созданы системы стабилизации плотности жидкого водорода в разработанных мишенях замкнутого цикла. Стабилизация плотности производится по давлению насыщенных паров водорода. Определена методика учета влияния переменного орто-пара-состава на плотность жидкого водорода.

6. Рассмотрено применение разработанных автором жидко-водородных мишеней замкнутого цикла в физических экспериментах на 70-ГэВ ускорителе ЩВЭ.

В заключение автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, члену-корреспонденту Ш СССР, профессору Прокошкину Ю.Д. за руководство работой и постановку ряда задач.

Автор благодарен профессору Суляеву P.M. за внимание и постоянную поддержку работы.

Автор глубоко признателен кандидатам физико-математических наук Антипову Ю.М., Васильеву Л.М., Глебову В.Ю., Качалову В.А., Крышкину В.И., Турчановичу Л.К. за многочисленные полезные обсуждения и плодотворные дискуссии во время выполнения работы.

Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам научных групп ИФВЭ Безверхней Н.С., Лаврентьеву B.C., Леонтьеву В.М., Качнову Г.И., Саликову А.И. Чуракову В.В., Якутину А.Е., Грязнову В.А. за постоянное и тесное сотрудничество и квалифицированную помощь в решении ряда задач.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации рассмотрены вопросы разработки, создания и применения жидководородных мишеней замкнутого цикла в физических экспериментах на 70-ГэВ ускорителе ИФВЭ.

1. Chelton D.B. Safety in the use of liquid hydrogen. NBS report 7253,1963,P3.

2. Гигиберия C.E.,Гусев Й.А. .Дмитревский Ю.П. и др. Препринт ИФВЭ 72-31,Серпухов,1972.

3. Алексеев A.B. Дрышкин В.И. .Мельник Ю.М. .Орлов А.П. .Турчано-вич Л.К. .Якутии А.Е.

4. Жидководородная мишень для работы в интенсивных потоках частиц. ПТЭ,1982,1,0.41; Препринт ИФВЭ 80-142.Серпухов, 1980.

5. Мельник Ю.М. Дураков В.В. .Якутии А.Е.

6. Жидководородная мишень, охлаждаемая проточным гелием. ПТЭ, 1983,3,с.40; Препринт ИФВЭ 82-146,Серпухов 1982.

7. Лаврентьев В.И. .Мельник Ю.М. Дураков В.В. .Якутии А.Е. Стабилизация параметров жидководородных мишеней. Препринт ИФВЭ 83-132,Серпухов,1983.

8. White R.S.»Jacobson M.J.,Shulz A. G. Phys.Rev.,1952, 88,p.836,

9. Ермолов П.Ф. Депилов В.И.,Мухин А.И. ПТЭ, 1967,3,с.41.

10. Денисов С.П. .Некрасов А.Н. .Стоянова Д.А. .Сытник В.В. -ПТЭ,1970,6,с.24.

11. Городков Ю.В. .Елисеев Г.П. .Любимов В.А. .Милешкин A.C. -ПТЭ,1976,I.e.20.

12. Арефьев A.B.,Сучков Д.А. ПТЭ,1976Д,с.22.

13. Jarvis О.N.,Shah M. Nucl.Instr.and Meth.,1971,9¿,p.157.

14. Богомолов A.B.Вовченко В.Г.»Святковский В.В. и др. -Препринт ОИЯИ Р-396,Дубна,1959.

15. Walker J.K.,Burq J.P.»Round V. Nucí.Instr.and Meth., 1963,22,p.138.

16. Cook L. Rev.Sei.Instr.,1951,22,p.1006.

17. Петрухин В.И. »Прокошкин Ю.Д. ,Сороко В.M. Препринт ОИЯИ P-I420,Дубна,I960; ПТЭ,1964,2,с.22.

18. Василевский И.М.,Вишняков В.В.,Дунайцев А.Ф. и др. -Препринт ОИЯИ PI-3285,Дубна, 1967; Nucí.Phys., 1969,В9,673.

19. Montelabici V. Nucl.Instr.and Meth. ,1964,29,p. 121.

20. Борзунов Ю.Т.,Голованов Л.Б. ,Мазарский В.Л. ПТЭД971, 3,с.52.

21. Борзунов Ю.Т.,Голованов Л.Б.,Мазарский В.Л. ПТЭ 1971, 5,с.48.

22. Борзунов Ю.Т.,Голованов Л.Б. ,Мазарский В.Л. ,Цвинев А.П. -Препринт ОИЯИ Р8-5212,Дубна,1970.

23. Васильев Л.М.,Дмитревский Ю.П.,Каштанов Е.М.,Мельник Ю.М.-ПТЭ,1972,6,с.ЗО.

24. Васильев Л.М.,Дмитревский Ю.П.,Мельник Ю.М. и др.1. ПТЭ,1974,6,с.30.

25. Голованов Л.Б. ,Мазарский В.Л. ,Цвинев А.П. ПТЭ,1971,5, с.45.

26. Васильев Л.М. »Дмитревский Ю.П. .Мельник Ю.М.,Ситник В.В. -ПТЭ,1972,4,с.35.

27. Горин Ю.П.Денисов С.П. ,Митин А.А. и др. -ПТЭ, 1972,2, с. 29.

28. Голованов Л.Б. ЭЧАЯ,1977,8.с.П55.

29. Kessler G. Adv.Cryogenic Eng.,14«p.443.

30. Roman R.D.»Gingler R.M.,Peifer J.A.,Kowalaki J.L. -IEEE TRANS* on Hucl. Sol.,1968,NS-16.N3.P.633.

31. Борзунов Ю.Т.,Голованов Л.Б.,Зельдович А.Г. и др. -ПТЭ,1981,6,с.30.

32. Mazzone Ь. Preprint CERN/MPS-MU/H 71-2,1971.

33. Mortimer A.R.,Stokoe J.R. Preprint RHEL/R-237, Rutherford ЬаЪ.,1971.

34. Hoenig M.,Sioni M.,Russo 0. Cryogenics,1969,2»P*349.

35. Doi Y.»Fujii T.,Kitami T. et al. Jap.Journal of Appl. Phys.,1971t10,p.468.

36. Mazzone L. Preprint CERN/MPS-MU/H 71-1,1971.

37. Jarmie N. Rev.Sci.Ingtr.,1966,37 > P.1670.

38. Jones O.S.,Hyman L.G.,Strumski C.J. Rev.Sci.Instr., 1956,22,p.527.

39. Безверхняя H.С. »Васильев Л.M.,Дмитревский Ю.П. и др. -Препринт ИФВЭ 77-58,Серпухов,1977.

40. Агабабян К.Ш. »Аракелян С.Л. »Мина Р.Т. »Яцыно В.К. -Препринт ЕФИ-160(76),Ереван,1976.

41. Агабабян К.Ш.,Мина Р.Т. Препринт ЕФИ-340(65)-78, Ереван,1979.

42. Past R.W.,Otavka М.А. IEEE Trans.on Nucl.Sci,, 1975>US-22,p.1201.46, Дмитревский Ю.П. ,Елистратов В.В. ,Прудкогляд А.Ф. -ПТЭ,1972,4,с.238.47» Коршак В.В.Виноградова С.В. Гетерогенные полиэфиры М.,Изд-во АН СССР,1958.

43. Васильев Л.М.,Дмитревский Ю.П. .Мельник Ю.М. Препринт ИФВЭ 72-23,Серпухов,1972.

44. Борзунов Ю.Т.,Голованов Л.Б. .Мазарский В.Л.,Цвинев А.П. -Препринт ОШИ 8-8991,Дубна,1975.

45. Голованов Л.Б.,Мазарский В.Л. Препринт ОШИ Р8-8602, Дубна,1975.

46. Васильев Л.М.,Радкевич И.А.»Смолянкина Т.Г.»Соколовский В.В. ПТЭ,1971,4,с.56.

47. Antreasyan D.»Cronin J.W.,Frish H.J. et al. -Phys.Rev.,1979,D19,p.764.

48. Anderson R.b. Nucl.Ihstr.Meth.,1969,20,p.87.

49. Buhler S. Proc.of the 5 Intern.Cryogenic Eng.Conf. p.553,Kyoto,1974.

50. Bell R.,Clay H.,Mark J.,Pierce W. IEEE Trans on Nucl.Sci., 1969«NS-16.p.631.

51. Williamson K.D.Simmons J.E.»Edeskuty F.J.»Pretwell J.H.-Adv.Cryog.Eng.,J9,p.241.

52. Mark J.W. Preprint SLAC-PUB-3169,1983.

53. Mark J.W.,Pierce W.B. IEEE Trans.on Nucl.Sci.,59