Методы спин-обменной поляризации протонов и ионов H- для ускорителей высоких энергий

2
Глава 1. 1.1 1.2
1.3
Г лава 2.
2.1
2.2
2.3
2.4.
2.5
2.6
2.7 Глава 3.
3.1
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Поляризационные эксперименты на ускорителях. 6
Методы получения пучков поляризованных протонов и
ионов Н . 14
Поляризованные пучки на действующих ускорителях и
перспективы создания новых установок. 21
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКИ ПАРОВ
ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ
Метод оптической накачки. 26
Ограничения на максимальную плотность паров щелочных
металлов при оптической накачке вследствие пленения
резонансного излучения. 33
Ограничения на плотность паров щелочных металлов
вследствие ассоциативной ионизации. 40
Измерение толщины и степени фарадеевского вращения
плоскости поляризации пробного лазерного луча. 44
Лазерные системы для оптической накачки. 5 I
Оптическая накачка смесей паров щелочных металлов К-
Ыа, ЯЬ-Сб. 54
Заключение. 59
НЕПРЕРЫВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ
ИОНОВ Н" НА ОСНОВЕ ЭЦР-ИСТОЧ НИКОВ
ПЕРВИЧНЫХ ПРОТОННЫХ ПУЧКОВ
Процесс поляризации ионов Н в источниках с оптической
накачкой. 61
з
3.2 ЭЦР-источник первичного протонного пучка. Повышение
тока ионов Н в непрерывном источнике ТЯІЦМЕ. 67
3.3 Измерения поляризации в лэмбовском поляриметре. 73
3.4 Измерение поляризации протонов при энергии 300 кэВ. 79
3.5 Исследования факторов деполяризации в источниках с
оптической накачкой. 83
3.6 Заключение. 90
Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЯ СПИН-ОБМЕННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ ИОНОВ Н~. РАЗРАБОТКА ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ ИОНОВ Н" с ТОКОМ 10-20 Ма НА ОСНОВЕ ИНЖЕКТОРОВ ПУЧКОВ АТОМАРНОГО ВОДОРОДА.
4.1 Импульсный источник ионов И со спин-обменной
поляризацией. 92
4.2 Инжектор пучка атомарного водорода высокой яркости. 95
4.3 Исследование спин-обменной поляризации в Н° - Ыа и Но -
ЯЬ атомных столкновениях. 100
4.4 Исследования "комбинированной"спин-обменной и
зарядово-обменной поляризации. 105
4.5 Предложение импульсного источника поляризованных
ионов II с током 20-50 мА на основе спин-обменной поляризации. 1 1 1
4.6 Заключение. 115
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ НЕСОХРАНЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ЧЕТНОСТИ В
4
РАССЕЯНИИ ПОЛЯРИЗОВАННЫX ПРОТОНОВ НА ЖИДКОВОДОРОДНОЙ МИШЕНИ ПРИ ЭНЕРГ ИИ 221 МэВ В TRIUMF.
5.1 Введение.
5.2 Описание экспериментальной установки.
5.3 Статистические и систематические ошибки измерения Az.
5.4 Остаточная поперечная поляризация пучка. Моменты поляризации.
5.5 Система контроля параметров лазерного излучения при быстром перевороте спина.
5.6 Модуляции интенсивности пучка коррелированные с переворотом спина
5.8 Модуляции энергии и положения пучка коррелированные с переворотом спина.
5.8 Результаты измерений.
5.9 Заключение.
Глава 6. ИСТОЧНИК ПОЛЯРИЗОВАННЫХ ИОНОВ Н"ДЛЯ
УСКОРИТЕЛЬНО-НАКОПИТЕЛЬНОГ О КОМПЛЕКСА RHIC.
6.1 Поляризованные пучки в RHIC.
6.2 Инжектор поляризованных ионов Н~ для RHIC.
6.3 Струйная натриевая мишень-ионизатор.
6.4 Измерение поляризации при энергии 2-35 кэВ в поляриметре лэмбовского типа.
6.5 Измерение поляризации на выходе линейного ускорителя при энергии 200 МэВ. Калибровочный эксперимент для инклюзивного рС поляриметра.
117
121
127
131
137
149
175
175
177
179
183
189
197
203
5
6.6 Исследование эффекта смешивания ионов Н2+, образованных в ЭЦР источнике первичных протонов, на поляризацию пучка. 210
6.7 Параметры пучка поляризованных ионов Н~ из источника с оптической накачкой для Ю ІІС. 217
6.8 Поляризация протонов в АвБ и КЛІС. 222
Глава 7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 23!
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 233
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ. 243
6
Глава 1. ВВЕДЕНИЕ
1.1 .Поляризационные эксперименты на ускорителях.
В диссертации представлены результаты исследований по разработке спин-обменных методов поляризации протонов и ионов Н~, выполненных автором в 1978-2002 гг. На основе этих исследований были созданы источники поляризованных ионов Н нового типа для прецезионных экспериментов на ускорителях и ускорительнонакопительных комплексах высоких энергий .
Увеличение интенсивности источников поляризованных протонов и ионов Н' вызывает в настоящее время повышенный интерес в связи с проектами поляризационных исследований на ускорителях высоких энергий и коллайдерах. Получение высокой светимости требует создания источников поляризованных ионов Н для получения максимальной интенсивности при перезарядной инжекции в ускоритель. Интенсивность современных инжекторов ионов Н составляет 20-100 мА с нормализованным эмиттансо.м -2.0 л мм-мрад, близкие параметры должны быть получены для пучков поляризованных ионов.
До последнего времени главным препятствием для получения поляризованных пучков протонов высоких энергий была сильная резонансная деполяризация существующая в кольцевых ускорителях. Метод “сибирской змейки”, предложенный Я.С.Дербеневым и А.М.Кондратенко /1.1.1/ позволяет предотвратить деполяризацию при ускорении поляризованных протонов в релятивистском коллайдере ЯН1С. Успешное ускорение поляризованных протонов до энергии 100 ГэВ в ЯН1С и первые эксперименты на встречных поляризованных
7
пучках являются замечательным экспериментальным подтверждением метода "сибирской змейки”, что не оставляет сомнений в возможности сохранения поляризации при ускорении до полной энергии 250 ГэВ
/1.1.2/.
Изучение спиновых эффектов позволит получить дополнительную информацию о структуре нуклонов, фундаментальном взаимодействии кварков с глюонами и лептонами, и осуществить проверку КХД (квантово-хромодинамического) сектора Стандартной Модели /1.1.3/. При полной энергии в с.ц.м. порядка =200-500 ГэВ процессы глубоко-неупругих столкновений с переданными импульсами Рг >10 ГэВ/с должны полностью описываться в рамках пертурбативной квантовой хромодинамики. В этом случае рассеяние протонов должно быть представлено как рассеяние партонов (кварков и глюонов) . Тогда элементарные процессы : цц, qg, gg - кварк-кварковых, кварк-глюонных и глюон-глюонных столкновений вычисляются при помощи КХД и из эксперимента можно непосредственно извлечь функции распределения партонов в протонах, т.е. получить данные о структуре протонов. В этом случае сталкивающиеся протоны рассматриваются как ансамбль поляризованных партонных пучков (см. Рис. 1.1.1).
Светимость партонных пучков и их поляризация определяется из партонных функций распределения, которые характеризуются структурой протона. Сечения рассеяния партонов и спиновые корреляции вычисляются непосредственно в первом порядке партурбативной КХД. Электрослабые процессы (например образование \У+/' базонов) определяются в "Стандартной Модели" /1.1.4/.
с!а(-> —>) - с!а(-> «-)
А|_ь=---------------------------
с!а(-» ->) + сЗа(—> <-)
1*ис. 1.1.1. Рассеяние поляризованных протонов в РС^СЭ может быть представлено в виде произведения Г(Х|), 5(\2> - спиновых структурных функций и а| I.с!©,, - сечения рассеяния партонов на партонах.
В поляризованных протонах кварки и глюоны должны быть также поляризованы. Спиновые эффекты являются чувствительным пробником сложной структуры нуклонов проявляющейся, например, в относительно малом вкладе валентных кварков в полный спин протона. В экспериментах по рассеянию поляризованных электронов и мюонов на протонной мишени обнаружено, что валентные кварки вносят малый вклад в полный спин протона. Этот результат противоречит наивной кварковой модели и получил название спинового кризиса. Протоны, одни из самых доступных и распространенных строительных блоков материи, имеют сложную внутреннюю структуру и являются примером существенно релятивистского связанного состояния, т.к. энергия связи много больше масс составляющих валентных кварков. Возможно, что
9
глюоны также дают значительный вклад в полный спин, как и в массу протонов. Поэтому измерение вклада глюонов Лв в спин протона рассматривается в качестве наиболее важных экспериментов требующих поляризованные пучки в коллайдере Н_Н1С /I . 1.4/.
Традиционно исследования поляризационных явлений приводили к фундаментальным открытиям в ядерной физике. Открытие нссохранения пространственной четности в бета-распадс и других процессах слабого взаимодействия элементарных частиц до сих пор не нашло однозначного понимания - является ли эта ассиметрия законов природы фундаментальной, или только низкоэнергетическим пределом. В стандартной модели электрослабого взаимодействия несохранение пространственной четности закладывается феноменологически и является свидетельством неполноты этого описания.
Спиновые эффекты в протон-протонных столкновениях средних энергий могут также оказаться чувствительным пробником структуры протонов. Одним из возможных экспериментов является исследование эффектов электрослабого взаимодействия в рассеянии протонов. Сигнатурой этих взаимодействий является несохранение зарядовой или пространственной четности. Расчеты показывают, что продольная
анализирующая способность А2- величина характеризующая слабую
несохраняющую пространственную четность в протон-протон ном рассеянии при энергии порядка 200 МэВ чувствительна к механизму взаимодействия кварков на расстояниях —0,5 - 1,0 фм, т.е.
конфайнменту кварков/1.1.5/.
Спиновые эффекты могут оказаться полезными для обнаружения и идентификации новых частиц за пределами Стандартной Модели электрослабого и сильного взаимодействий. Например, в
10
суперсимметричных расширениях Стандартной Модели появляются новые частицы-партнеры существующих частиц, отличающиеся в частности, другой величиной спина, что также приводит к характерным спиновым эффектам /1.1.6/.
Использование поляризованных пучков позволяет выполнить полный анализ спиновых корреляций в экспериментах на поляризованных мишенях, а таже выполнить прецезионные эксперименты по исследованию, например, слабого несохраняюшего пространственную четность протон-прогонного взаимодействия.
Эксперимент HERMES по рассеянию продольно-поляризованных электронов с энергией 30 ГэВ на поляризованной внутренней мишени (протонной, дейтронной, гелия-3) ведутся в коллайдере HERA /1.1.7/. Цель эксперимента - измерение вклада кварковых компонент в полный спин протонов. Однако, чувствительность этого эксперимента к глюонной компоненте спина AG весьма ограничена.
Эксперименты по измерению AG проводятся в коллайдере RH1C со встречными продольно-поляризованными пучками протонов при энергии 200 - 500 ГэВ в с.ц.м. В RHIC AG может быть измерена в процессах прямого рождения гамма-квантов с Рт > 10 ГэВ/ с
(комптоновское рассеяние глюонов: q + g—► q + у ), а также в процессах кварк-глюонного и глюон-глюонного рассеяния, которое приводит к характерному коррелированному образованию двойных струй /1.1.7/.
При энергиях 500 ГэВ в с.ц.м. возможно прямое рождение промежуточных W , W и Z-бозонов в процессах кварк-антикварковых аннигиляций ( u+d —►W*, d + u —» W'). Образование промежуточных бозонов происходит в процессах электро-слабого взаимодействия нарушающего пространственную Р-четность. Нарушение Р-четности позволяет разделить вклады в рассеяние поляризованных кварков и
11
антикварков и, таким образом, определить вклад антикварков в полный спин протонов (см. Рис.1.1.2) /1.1.8/.
Измерения нарушающей Р-четность двойной асимметрии :
при больших Рт -100 ГэВ/с могут быть использованы для поиска новых явлений за пределами Стандартной Модели. Расчеты показываю! . что при энергиях - 500 ГэВ в с.ц.м возможно обнаружение вклада в Ап тяжелого “лептофобного” бозона с массой до 2 ГэВ, что сравнимо с чувствительностью достижимой в коллайдере РЫАЬ /1.1.9/.
Рис. 1.1.2. Расчетная чувствительность эксперимента PHENIX для измерений содержания различных сортов кварков в нуклоне по выходу W+(to4kh) и W" (кружки). Кривые - расчеты партонных плотностей п различных моделях.
1.0
12
Поляризационные эксперименты по обнаружению новых частиц при максимально достижимых энергиях на коллайдерах возможны только при условии, что поляризация будет получена как дополнительное качество пучка, без потери светимости. Гак например, для измерения AG в коллайдере HERA необходима интегральная светимость свыше 200 pb" для поляризованных пучков. Для коллайдера R1IIC проектная светимость 2 1032 см*2сек’’ предполагается одинаковой для поляризованных и неполяризованных пучков.
Эксперименты с пучками частиц высоких энергий поляризованных в источниках являются основным инструментом в поляризационных исследованиях. Наиболее важное применение имеют пучки поляризованных электронов и протонов. Поляризация электронов в источниках требуется только для линейных ускорителей, т.к. в кольцевых ускорителях и накопителях высоких энергий поляризация происходит за счет синхротронного излучения и проблема состоит в осуществлении переворота спина и получении продольной поляризации. Для линейных ускорителей необходимо поляризовать электроны в источнике. Поскольку создание встречных линейных ускорителей признано единственным реальным способом увеличения энергии электронных пучков, развитие методов поляризации электронов представляет повышенный интерес. Отметим, что наиболее перспективные методы поляризации электронов основаны на фотоэмиссии с поверхностей полупроводниковых кристаллов и хемоионизации оптически ориентированных метастабильных состояний атомов гелия.
Возможности постановки поляризационных экспериментов в настоящее время значительно расширились. В дополнение к обычному рассеянию неполяризованных пучков на поляризованных твердых
13
мишенях можно изучать рассеяние на поляризованной струйной мишени или в накопительной ячейке, помещенных прямо в кольцо ускорителя-накопителя. В последнем случае малая плотность мишени компенсируется многократным прохождением пучка и полная частота столкновений оказывается достаточно высокой. Идентичность частиц в упругом протон-1 фотонном рассеянии в области кулон-ядерной интерференции позволяет измерить абсолютную поляризацию пучков в коллайдере высоких энергий. В этом случае поляризация ускоренного пучка может быть однозначно определена через поляризацию протонов в мишени, которая измеряется с высокой точностью методом атомных пучков /1.1.10/.
Важным условием, позволяющим планировать эксперименты с поляризованными пучками максимально возможной светимости для данного ускорителя, является создание источников поляризованных протонов и ионов Н высокой интенсивности. Результаты разработки источников поляризованных ионов Н высокой интенсивности с оптической накачкой и экспериментов с поляризованными пучками составляют основное содержание представленной работы.
14
1.2.Методы получения пучков поляризованных протонов и ионов Н .
Магнитные моменты ядер изучались в экспериментах с атомными пучками тепловых энергий, поэтому получение поляризованных протонов при ионизации поляризованных по ядерному спину пучка атомов водорода было реализовано в качестве первого источника поляризованных протонов для ускорителей более 40 лет назад. С тех пор метод непрерывно развивался и в настоящее время источники этого типа широко используются на ускорителях. За прошедшие годы множество других идей было предложено, испытано и отвергнуто, но замечателен факт, что два новых метода, представленных русским ученым, академиком Е.К.Завойским, в редакцию ЖЭТФ в один день 16 декабря 1956 года оказались весьма плодотворными и реализованы в действующих источниках на ускорителях.
Concerning a Possible Method for the Polarization of a Proton Beam
E. K. Zavoiskii
(Submitted to JETP editor December 14,1956)
J. Exptl. Theoret. Phys. (U.S.S.R.) 32» 408 (February, 1957)
A Source of Polarized Nuclei for Accelerators
E. K. Zavoiskii
(Submitted to JETP editor December 14, 1956)
J. Exptl. Theoret. Phys. (U.S.S.R.) 32, 731-735 (April, 1957)
A possible method of obtaining beams of polarized nuclei by making use of the Lamb shift of the metastable level is described.
14
15
Метод переноса поляризации при захвате протоном поляризованных электронов в перезарядной мишени реализован в настоящее время в источниках поляризованных ионов с оптической накачкой /1.2.1/, /1.2.2/.
Второй метод, в котором поляризация осуществляется в пучке атомов водорода, находящихся в метастабильном 25-состоянии, послужил основой для экономичных источников поляризованных ионов Н и С) для большинства тандемных ускорителей. Первые источники на мезонных фабриках ЬАМРР и ТИШМР были на основе метастабильных пучков, впоследствии они были заменены на источники с оптической накачкой.
Для сравнительного анализа различных типов источников поучительно рассмотрение в рамках единой схемы (см. Рис. 1.2.1). Во всех источниках поляризация осуществляется в три этапа. Па первом этапе получается пучок атомов поляризованный по электронному спину. На втором, поляризация в атомах передается от электронов к ядру. Наконец, атомы ионизируются, при этом образуются поляризованные протоны или ионы Н~ для последующего ускорения /1.2.3/.
Таким образом, достаточно сравнить только интенсивность пучков поляризованных атомов и эффективность ионизации. Существенным различием мри этом оказывается не способ поляризации, а энергия (скорость) пучка атомов в процессе поляризации. Главное достоинство метода переноса поляризации (оптической накачки) состоит в использовании пучков быстрых атомов (энергия пучка 3-8 кэВ, скорости атомов порядка 108 см/сек). Высокая интенсивность ~~10,х атомов/сек (в заданном аксептансе поляризатора и ионизатора) может быть получена при нейтрализации сформированного пучка протонов с высокой яркостью, а ионизация легко осуществляется при перезарядке в
15
16
парах щелочных металлов с образованием ионов Н или в гелиевой газовой ячейке для получения протонов.
Поляризация атомов водорода по электронному спину Ионизация
Рис. 1.2.1. Общая схема источников поляризованных ионов.
1). Поляризация пучков с тепловыми скоростями ~10'см/сек.
2). Поляризация пучков со скоростями ~107-10хсм/сек.
Эффективность ионизации в натриевой перезарядной мишени составляет 9% для энергии пучка 2-5 кэВ. Выход протонов в гелиевой мишени достигает 90%.
а) Поляризация пучков атомов е тепловыми скоростями:
В источниках с “атомарным пучком“ поляризация пучка атомов с тепловыми скоростями МО 5 см/сек по электронному спину осуществляется системой секступольных разделительных магнитов. Возможность повышения плотности атомов из диссоциатора ограничена столкновением атомов в пучке. Даже наиболее оптимистические оценки, основанные на использовании сверхпроводящих секступольных
16
17
разделительных магнитов, дают только фактор 2-3 раза для увеличения интенсивности. Значительное увеличение интенсивности поляризованных атомов водорода до 1018 атомов/сек получено в экспериментах по спин-обменной поляризации водорода в столкновениях с оптически-ориентированными атомами калия /1.2.4/. Этот метод повышения интенсивности пучка поляризованных атомов водорода, позволивший преодолеть ограничения метода “атомарного пучка“, разработан для применения в качестве источника поляризованных атомов для внутренней мишени ускорителей-накопителей высоких энергий, в частности для экспериментов по исследованию электрического квадрупольного момента дейтронов на электронном накопителе в ИЯФ (Новосибирск) и эксперимента НЕЯМЕБ в ОЕ$У. Недостатками метода, ограничивающими его применение для мишеней на настоящем этапе разработки, являются высокая (порядка 20-30%) примесь молекулярного водорода, образующегося при рекомбинации атомов на стенках спин-обменной ячейки, а также проникновение паров калия в мишень. Эти проблемы снимаются в источнике поляризованных ионов при использовании селективной ионизации атомов в столкновениях с пучками отрицательных дейтронов /1.2.5/ или нейтральных атомов цезия /1.2.6./. В последнее время эффективность ионизаторов на основе столкновений с ионами О значительно увеличена и составляет -5%, (в импульсном режиме с низкой скважностью), так что комбинированная схема с оптической накачкой, спин-обменной поляризацией и Э ионизатором возможно позволит увеличить интенсивность пучка поляризованных ионов Н“ в импульсном режиме 3-5 мА /1.2.7/.
б) Поляризация пучков при энергии 0.5-5.0 кэВ (скорости атомов
3-10 • 10 ' см/сек.
17
18
Источники лэмбовского типа: Впервые поляризация быстрого пучка водорода осуществлена в источниках т.н. лэмбовского типа, в которых для поляризации используются свойства метастабильных 25-состояний атомов водорода. Метастабильные состояния могут быть с большой эффективностью получены в процессе нейтрализации пучка протонов в парах щелочных металлов. Выход метастабильных состояний достигает 30% при перезарядке протонов с энергией 0.5 кэВ в цезиевой мишени. После селективного гашения в основное состояние в “спиновом фильтре” , в возбужденном 2б- состоянии остаются только атомы, имеющие определенную проекцию спина ядра. Селективная ионизация метастабильных состояний при перезарядке в аргоновой газовой мишени (эффективность 7%) позволяет получить поляризованные ионы И . Достоинством лэмбовских источников является малый эммитанс пучка, вследствие того, что критическое поле для метастабильных состояний на порядок меньше чем в основном состоянии и, соответственно, требуется меньшее магнитное поля в ионизаторе. Однако, максимальная интенсивность пучка метастабильных атомов ограничена вследствие гашения 2б- состояний электрическим полем объемного заряда ионов в перезарядной мишени и максимальный ток поляризованных ионов 11 не превышает 2.0 мкД /1.2.8/.
Метод переноса поляризации:
Оригинальная идея Завойского заключается в предложении получения пучка атомов водорода, поляризованного по электронному спину, в процессе захвата протонами (с энергией в десятки кэВ) электронов из намагниченной до насыщения тонкой ферромагнитной фольги. Практически это предложение было развито и реализовано в работе /1.2.9/, где существенно использован эффект каналирования
18
19
пучка протонов через тонкую монокристаллическую фольгу из намагниченного никеля толщиной 1.1мм. Получена тензорная поляризация пучка дейтронов Р/у=0.32 ±0.001%. Однако, метод не нашел практического применения ввиду ограничения плотности тока на мишени -0.5 мкА/см 2.
В дальнейшем W.Haeberli указал на преимущества использования поляризованных паров щелочных металлов или атомарного водорода в качестве доноров поляризованных электронов /1.2.10/. Также была упомянута возможность применения оптической накачки для поляризации паров щелочных металлов. Современные твердотельные перестраиваемые лазеры на кристаллах сапфира-титана идеально подходят для оптической накачки паров калия, рубидия или цезия. В работе L.W.Anderson /1.2.1 I/, сделаны оценки параметров источника с применением коммерческих лазеров на красителях для оптической накачки паров натрия. Также приведены оценки деполяризации, связанные со спин-орбитальным взаимодействием в возбужденных состояниях. Обсуждались проблемы роста эмиттанса пучка при перезарядке в сильном магнитном поле. Предложение использовать ЭЦР - источник протонов работающий в том же сильном магнитном поле, где расположена оптически ориентированная мишень, решило проблему роста эмиттанса /1.2.12/. Лазеры на красителях использовались в ранних работах для оптической накачки натрия.
Сечения захвата электронов <7+„ очень велики, для рубидия например,
величина сечения составляет ~8 *10 '15 см 2 при энергии протонов 3-4 кэВ. Фактически сечения перезарядки для щелочных металлов превышают даже сечение резонансной перезарядки на атомарном
I ^ 9
водороде, которое составляет 2-10 см ~ при энергии 3-4 кэВ. Это происходит вследствие квазирезонансного характера перезарядки через
19
20
возбужденные 2б, 2р- состояния атома водорода. Действительно, потенциалы ионизации атомов щелочных металлов (5.14 эВ для Ка, 4.34 эВ для К, 4.18 эВ для ЯЪ и 3.89 эВ для Сб) близки к энергии связи электрона на втором уровне 3.2 эВ. Максимум сечения для квазирезонансной перезарядки достигается не при нулевой , а при некоторой оптимальной энергии протонов пропорциональной дефекту энергии:
ЛЕ - Е поннз - 3.2 эВ
Для перезарядки на парах натрия оптимальная энергия протонного
пучка равна 5 кэВ, для рубидия 2 кэВ и цезия 0.5 кэВ. Отметим, что эти
энергии также оптимальны для перезарядки с образованием ионов Н_, а
максимальная интенсивность протонного пучка из источника в
заданном угловом интервале должна расти при увеличении энергии - Е 3/2
•
Спии-орбитальное взаимодействие в возбужденных состояниях может привести к потере поляризации. Оценка деполяризации и предложение поместить перезарядную мишень в сильное магнитное поле 10 - 20 кГс достаточное для разрыва спин-орбиталыюй связи, впервые отмечены в работе Шамовского и Шатунова/1.2.13/. Детальные расчеты выполнены в работе /1.2.14/ Экспериментально показано, что при перезарядке в магнитном поле 25 кГс, деполяризация не превышает 2-3% /1.2.15/. Более подробно поляризация в источниках с оптической накачкой обсуждается в Гл.З. Передача поляризации от электронов к протонам для быстрых атомов легко осуществляется при помощи 8опа-метода быстрого прохождения области изменения направления магнитного поля /1.2.16/. При тщательной настройке градиента магнитного поля в области перехода, эффективность передачи поляризации близка к 100%.
20
21
1.3. Поляризованные пучки на действующих ускорителях и перспективы создания новых установок.
В последние годы созданы новые установки для поляризационных исследований. Пучки поляризованных протонов и дейтронов получены для экспериментов в TUNL /1.3.1/, IUCF /1.3.2/, RIKEN /1.3.3/, Uppsala /1.3.4/,. Все новые источники копируют с большим или меньшим успехом прототип, разработанный в PS1 /1.3.5/ и TUNL с ЭЦР (электронный-циклотронный резонанс) - ионизатором. Внедрение ЭЦР-ионизатора значительно улучшило эксплуатационные характеристики атомарных источников по сравнению с электронно-лучевыми и пеннинговскими ионизаторами, но эффективность ионизации практически не увеличилась, а поляризация несколько уменьшилась с 80% до 75%.
Новый источник атомарного типа с ионизацией цезиевым пучком разработан для ускорительного комплекса COSY (Julich). Несмотря на большие усилия по оптимизации цезиевого источника интенсивность поляризованного пучка Н не превышает пока 20 мкА /1.3.6/. В импульсном источнике BNL с цезиевым ионизатором было получено до 40 мкА ионов Н- в 1987 г. /1.3.7/. В 1999 году источник с атомарным пучком в BNL заменен на источник с оптической накачкой с интенсивностью до 1,6 мА /1.3.8/, для экспериментов со встречными пучками поляризованных протонов на комплексе RHIC.
Значительный прогресс достигнут в разработке ионизатора на основе плазменной струи обогащенной отрицательными ионами D- в ИЛИ РАН /1.3.9/. Эксперименты с пучками поляризованных дейтронов максимальной доступной в настоящее время энергии до 10 ГэВ ведутся с использованием источника ПОЛЯРИС в Дубне /1.3.10/.
22
Источники поляризованных ионов с оптической накачкой были созданы в лабораториях КЕК (Япония) /1.2.12/, ИЛИ РАН/1.3.11/, ЬАМРЕ (США)/1.3.12/ и ТМШПЧ Канада)/1.3.13/. В КЕК, ЬАМРР и ТШЦМР в качестве источников первичного протонного пучка применяются ЭЦР- источники, помешенные в то же самое магнитное поле, что и оптически ориентированные мишени.
В ИЯИ РАН автором разработана оригинальная схема источника с оптической накачкой/1.3.11/. В источнике ИЯИ высокоинтенсивный пучок нейтральных атомов водорода, образованный при нейтрализации сфокусированного пучка протонов в газовой водородной ячейке, инжектируется в сильное магнитное поле, где пучок вначале ионизируется в гелиевой мишени-ионизаторе, а затем нейтрализуется при захвате поляризованных электронов в оптически ориентированной мишени. Таким образом удается избежать эмиттанса пучка при взаимодействии с краевыми полями соленоида, т.к. пучок на входе и выходе соленоида нейтрален. В 1986 году в этом источнике был получен импульсный ток отрицательных ионов Н -0.4 мА /1.3.14/ и ток протонов 4 мА, выполнены первые исследования зависимости поляризации от величины магнитного поля в оптически-ориентированной мишени.
Рис. 1.3.1. Схема источника поляризованных ионов О с двойной оптической
накачкой.
23
В КЕК разработан метод получения пучка поляризованных дейтронов при двойной оптической накачке Rb-ячейки нейтрализатора и Rb-ячейки ионизатора. Получен ток ионов D' -350 мкА с векторной поляризацией 70% (см.Рис. 1.3.1) /1.3.15/.
Значительный прогресс в повышении интенсивности источников поляризованных ионов Н достигнут в последние годы благодаря работе коллаборации “SPIN” по подготовке предложения поляризационных исследований на ТЭВАТРОНЕ-коллайдере FNAL /1.3.16/ и HERA-коллайдере в DESY /1.3.17/. В конечном счете эксперименты по повышению интенсивности импульсного источника с переносом поляризации в ИЯИ РАН и совместная ИЯИ- TRIUMF-ИЯФ (Новосибирск) разработка показали возможность создания инжектора для получения максимальной 1О32 см'2 сек’1 светимости в рассеянии поляризованных протонов на антипротонах при энергии в с.ц.м. до 2.0 ТэВ. Для поляризованного инжектора в DESY необходима интенсивность источника Н -20 мА. Возможность получения такой интенсивности в источнике типа ИЯИ в импульсном режиме была продемонстрирована в процессе подготовки предложения SPIN-коллаборации для коллайдера IIERA /1.3.18/(см. ниже Г'л.4).
Источник поляризованных ионов Н_ для RHIC разработан в коллаборации БИЛ - ИЯИ РАН - ТРИУМФ (Канада) - КЕК (Япония) под научным руководством автора. Интенсивность пучка из источника составляет 0,5 - 1,0 мА (максимальная интенсивность 1,6 мА) при длительности импульса до 500 мке и поляризации -80% /1.3.19/. В процессе ускорения и инжекции в RHIC потери интенсивности составляют до 90% (потери в AGS связаны с коллимацией для уменьшения потерь поляризации), тем не менее интенсивность достаточна чтобы полностью насытить возможный аксептанс RHIC до