И: 00-4 /Ы- /
РОССИЙСКАЯ
ГОСУДАРСТВЕННАЯ
БИБЛИОТЕКА
УДК 539.1.07
Работа выполнена в Институте физики высоких энергий (г. Протвино).
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, член-корр. РАН С.С.Герштейн (ИФВЭ), доктор физико-математических наук Н.Ф.Шульга (ХФТИ), доктор физико-математических наук В.И.Сергиснко (ФИЛИ).
Ведущая организация - Лаборатория высоких энергий ОЙЯИ (г.Дубна).
Защита диссертации состоится “ *----------------------------------- 1999 г. в
________ часов на заседании диссертационного совета Д034.02.01 при ИФВЭ
(142284, Протвино Московской области).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФВЭ.
Диссертация разослана “_________”_________________________ 1998 г.
3314-00
Ученый секретарь диссертационного совета Д034.02.01
'■?/ : 0>Р - /уг Л~<Ґ - /
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Значительное расширение круга задач, стоящих перед ристалло-оптикой заряженных пучков высокой энергии, и огромная потенциальная начимость ее применения ка ускорителях настоятельно требуют глубокого пони-гания эффектов, возникающих во взаимодействии заряженного пучка с изогнутым сонокристаллом, умения рассчитать эффективность кристаллического дефлектора в частности, как элемента системы вывода из ускорителей) и возможности расши-ять арсенал средств и методов формирования пучков с различными свойствами а ускорителях нового поколения.
Цель диссертационной работы состояла в изучении возможностей кристалло-птики адронных пучков высоких энергий, развитии теории и эксперимента в бласти каналирования частиц в изогнутых монокристаллах, в том числе с уче-ом несовершенства кристаллической решетки, а также теории и эксперимента шогооборотного вывода протонного пучка из ускорителей.
Научная новизна и результаты, выносимые на защиту:
1. Исследована эффективность изогнутых кристаллов в аналитической модели. )нределены оптимальная кривизна кристалла и теоретический предел эффектив-ости как функции угла отклонения пучка. Получена элементарная формула для ЛИНЫ деканалирования Ьр, правильно описывающая результаты для кристаллов [ и успешно использованная в работах ЦЕРП но отклонению пучков кристаллами «е. Показано, что экспериментально наблюдаемое сокращение Ьр в изогнутых кри-галлах следует модели пропорциональности Ьр критической поперечной энергии.
2. Создана аналитическая теория для механизмов объемного захвата в изогну-ых кристаллах. Полученные формулы точно определяют величину вероятности
. .«г —„—гт,тл зависимости вероятности от
а также правильно предсказали ренового (“градиентного”) механизма
КНИГА ИМЕЕТ
В переплетной ед. соедми. номера а и п.
3. Создана компьютерная программа (CATCII), моделирующая движение заряженных частиц в изогнутых кристаллических решетках; в отличие от предшествующих (‘Диффузионных”) методов, CATCH включает однократные рассеяния частицы на электронах; показана существенность таких рассеяний для высоких энергий. Программа учитывает дислокации кристалла. Промоделированы все основные эксперименты последних лет но исследованию деканалирования, объемного захвата, эффективности отклонения пучка и спектров потерь энергии в изогнутых кристаллах. Промоделировано влияние дислокаций решетки на каналирование частиц высоких энергий и сформулированы требования к совершенству решетки кристаллов.
4. Экспериментально исследовано отклонение протонов с энергией 450 ГэВ кристаллом Si (110) с рекордной эффективностью, до 54% в интервале Линдхарда.
5. Создана компьютерная модель вывода частиц из ускорителей, включающая многократное прохождение частиц через кристалл и многооборотнос движение в ускорителе. Показано, что эффективность вывода из ускорителя с помощью изогнутого кристалла можно значительно увеличить, благодаря многократному прохождению частицами кристалла. Разработаны (численным моделированием) процедуры для изучения многооборотного вывода, часть из которых реализована с участием автора в экспериментах ЦЕРН и ФИАЛ. Изучено влияние несовершенства кристалла (“толщина септума”) и параметров оптики ускорителя на эффективность вывода.
6. Детально промоделированы эксперименты по выводу протонов с энергиями 14-270 ГэВ из SPS (ЦЕРН) и с энергией 900 ГэВ из сверхпроводящего ускорителя Тэватрон (ФНАЛ). Сделанные предсказания полностью подтвердились экспериментами ЦЕРН и ФНАЛ, проведенными с участием автора; получена эффективность вывода 10-15% (ЦЕРН) и 30% (ФНАЛ). Показано, что в этих экспериментах можно увеличить эффективность вдвое, оптимизировав длину кристалла.
7. В моделировании найдены условия для высокоэффективного вывода протонов 70 ГэВ из ускорителя ИФВЭ; при участии автора осуществлен вывод протонов с рекордной эффективностью, до (47±3)%. Показано прекрасное согласие эксперимента с предсказанием теории.
8. В компьютерной модели исследован вывод пучка кристаллами Si и Ge из LHC (~7 ТэВ) и показано, что возможно достичь эффективности вывода порядка 60%, используя кристалл кремния длиной ~5 см.
9. Создана аналитическая теория для эффективности многооборотного вывода частиц кристаллами. Полученная элементарная формула правильно предсказывает эффективность вывода во всем экспериментально исследованном интервале энергий 14-900 ГэВ.
10. Предложена и принята к осуществлению система коллимации пучка ионов Au на основе изогнутых кристаллов в коллайдере RHIC. Аналогичная система разрабатывается (совместно с ФНАЛ) для коллимации пучка тэвных протонов на Тэватроне, где показано значительное улучшение фоновых условий коллайдерных экспериментов благодаря применению кристаллов, по сравнению с проектируемой аморфной системой.
2
11. Рассмотрены возможности вывода частиц из ускорителей в области энергий зотни МэВ с помощью новейшей техники тонких эпитаксиальных кристаллических эешсток, и показано, что эффективность вывода значительно возрастает при низких шергиях за счет чрезвычайно высокой кратности взаимодействия с кристаллом.
Практическая ценность. Результаты выполненных исследований широко ис-юльзуются в ИФВЭ, CERN, FNAL, RHIC, КЕК и TERA для анализа и оптими-$ации экспериментов по каналированию и планирования применений изогнутых кристаллов как на действующих, так и на строящихся ускорителях в широком інтервале энергий. Наиболее интересны проекты вывода/коллимации с помощью ионокристалла гало пучка, циркулирующего в накопительном кольце, для одно-їременной работы ускорителя в модах коллайдера и фиксированной мишени, либо іля резкого (на порядок), улучшения фоновых условий коллайдерных экспериментов и значительного упрощения систем коллиматоров. Помимо принятого проекта юллимации с использованием изогнутого кристалла в RHIC, в стадии разработки совместно с ФНАЛ и BNL) находятся аналогичные проекты коллимации пучков та Тэватронс (ФНАЛ) и на высокоинтенсивном нейтронном источнике SNS в Ок Ридже. В стадии изучения (совместно с ЦЕРН и TERA) также находится проект зывода протонов и легких ионов из медицинских ускорителей, таких как проект ГЕИ.А, с помощью кристаллов, что обещает значительное улучшение качества іучка, крайне важное в медицинских применениях, и удешевление машины.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на V всесоюзной конференции по взаимодействию излучения с твердыми телами Эльбрус, 1990 г.), IV международном совещании “Физика на УІІК” (Протвино, 1990 г.), Всесоюзном совещании “Применение эффектов каналирования в физике вы-:оких энергий” (Протвино, 1991 г.), Международной конференции по ускорителям Сан-Франциско, 1991 г.). конференции “Computing in High Energy Physics” (Сан-Рранциско, 1994 г.), европейских конференциях по ускорителям (Лондон, 1994 г.; Стокгольм, 1998 г.), Международной конференции “Физика Ь-кварков ’94” (Франція, 1994 г.), международной конференции по ускорителям РАС’97 (Ванкувер, L997 г.), симпозиуме “Near Beam Physics” (Фермилаб, 1997 г.), Международной конференции COSIRES:98 (Окаяма, 1998 г.), совещаниях коллабораций RD22 (ЦЕРИ, 1992" 1994 гг.) и Е853 (ФИАЛ, 1992-1997 гг.) и семинарах в Отделе пучков ИФ-ЗЭ, ІТИЙЯФ МГУ, ИНФН (Низа), ЦЕРН (Женева), Хиросимском университете, КЕК (Цукуба), а также опубликованы в отечественных и зарубежных журналах і в препринтах ИФВЭ, ЦЕРН, Фермилаб и SSCL [1-28], включая монографию [1], зышедшую в издательстве Springer, и обзор в УФН .2).
Структура диссертации. Работа изложена на 45 страницах, состоит из введс-шя, пяти глав и заключения, содержит 26 рисунков, 8 таблиц и список цитируемой штературы из 28 наименований.
3
Содержание работы
1. Эффективность отклонения пучка изогнутым
кристаллом
Поперечное движение частицы, летящей под малым углом (характерный масштаб углов будет определен ниже) к какой-либо из кристаллографических осей либо плоскостей, определяется непрерывным потенциалом кристаллической решетки. Поля атомных цепочек и плоскостей образуют потенциальные ямы, движение частиц в которых может быть устойчивым, в этом случае говорят о каналировании частицы.
В условиях, когда поперечная составляющая рх импульса частицы р много меньше продольной составляющей рг (т.е. угол в—рх1рх мал), можно записать уравнение сохранения полной энергии Е= \jp\c2 + р\с? + т2с4 4- 11(х) частицы в потенциале и(х) в виде |1]
где Ег = у'р\с2 + пг2с4. Сумму первых двух членов в (1), зависящую от поперечных импульса и координаты, называют поперечной энергией Ех. При движении частицы в потенциале 11(х) со скоростью V продольная составляющая импульса сохраняется, что означает сохранение Ех:
Условие захвата частицы в режим каналирования удобно проиллюстрировать фазовой диаграммой (рис. 1) в плоскости (х, 9). На рисунке показано распределение протонов с энергией 450 ГэВ в кремнии с ориентацией (111), полученное при компьютерном моделировании (гл. 3). Овалы представляют собой фазовые траектории (2) при различных значениях Ех. Внешний овал соответствует критической поперечной энергии Ес. Фазовая область внутри этого овала занята каналированными частицами. Частицы, находящиеся вне этой области, неканалированы. Критический угол $с, в пределах которого возможен захват в режим каналирования, получается
где <1Т — мсжплоскостное расстояние; N — объемная плотность атомов; Е — атомный номер; г{е — заряд частицы, агг — радиус экранирования Томаса-Ферми. На влете в кристалл частицы равномерно распределены по х от — <ір/2 до (ір/2. Если их распределение но углу в пределах от — 0С до 0С также равномерно, что типично для гэвных пучков, то вероятность захвата частиц в режим каналирования есть отношение площади фазового эллипса Ех = Ес (т.е. аксентанса плоскостного
(і)
Ех — —в2 ф и(х) = СОП&І.
(2)
из (2):
(3)
4
- Київ+380960830922