СОДЕРЖАНИЕ
2
0 Введение 5
1 Для чего нужны медленные позитроны______________________________ 8
1.1 Введение____________________________________________________8
1.2 Дефектоскопия_____________________________________________ 10
1.3 Позитроний________________________________________________ 17
1.4 Позитронная микроскопия___________________________________ 18
1.5 Сравнение методики медленных позитронов с другими
способами анализа дефектов______________________________________20
2 Обзор современных источников медленных позитронов_______________ 22
2.1 Активированные радиоизотопы._______________________________22
2.2 Линейные ускорители._______________________________________24
2.3 Тепловые нейтроны__________________________________________25
2.4 Сильнополевой шифтер как ключевой элемент источника
медленных позитронов____________________________________________26
3 Расчет магнитной системы высокополевого шифтера_________________30
3.1 Сверхпроводящие материалы__________________________________31
3.2 Нахождение оптимальной конструкции обмотки_________________35
з
3.2.1 Геометрия сердечника катушки центрального полюса_________36
3.2.2 Разбиение катушки на секции______________________________40
3.3 Подбор ярма________________________________________________46
3.4 Шиммирование_______________________________________________47
4 Общее устройство ишфтера. Основные элементы конструкции. _ 53
4.1 Магнитная система__________________________________________53
4.2 Питание шифтера____________________________________________60
4.3 Защита от срыва сверхпроводимости__________________________65
4.4 Криостаг___________________________________________________67
5 Испытания и магнитные измерения________________________________ 73
5.1 Испытания в погружном криостате____________________________73
5.2 Срыв сверхпроводимости_____________________________________73
5.3 Анализ срывов______________________________________________79
5.4 Тренировка. Достижение максимума поля______________________81
5.5 Нахождение соотношения токов для нулевого интеграла
проволочкой с током_____________________________________________82
5.6 Измерение проволочкой интеграла фокусировки_______________ 89
5.7 Измерение кареткой с пятыо датчиками Холла ________________93
5.8 Измерения профиля максимума поля одним датчиком____________96
4
6 Синхротронное излучение из 10 Тл сверхпроводящего шифтера _ 102
6.1 Основные свойства излучения из 10 Тл шифтера.________________ 102
7 Заключение________________________________________________________106
8 Приложение
9 Литература
108
111
5
О Введение
В настоящее время применяется много различных методов изучения твердого тела, поверхности вещества. Четверть века тому назад эти исследования расширились еще одним инструментом - медленными позитронами, вернее, применением свойств взаимодействия позитронов с веществом. Для этого позитроны замедляются до тепловых скоростей и фокусируются на образец вещества. Из полученных энергетических и временных характеристик реакции взаимодействия позитронов с веществом можно судить о структуре или состоянии как поверхности, так и более глубоких слоев кристаллической решетки материала образца.
Одной из проблем применения этого метода является получение интенсивного моноэнергетического пучка позитронов, наиболее часто требуемого в используемых методах исследований. Существует много традиционных способов получения позитронов, главным общим недостатком которых является наведенная радиоактивность вещества, используемого как источник позитронов. В работах [1],[2],[3],[4],[5] было предложено использование синхротронного излучения для генерации позитронов, что при большой интенсивности позитронного пучка значительно уменьшает опасность радиоактивности. Целью этой работы является описание 10 Тл сверхпроводящего шифтера, созданного в Институте Ядерной Физики им.Будкера СО РАН, который при постановке
6
на накопитель электронов 5Рп1^-8 (Япония) будет являться ключевым элементом в международном проекте источника медленных позитронов.
В первой главе дается краткое описание истории развития метода медленных позитронв в исследованиях вещества, а также сделан обзор различных областей применения и различных методов применения позитронов в исследованиях в настоящее время.
Во второй главе говорится о различных существующих источниках медленных позитронов на базе радиоизотопов, ядерных реакторов и линейных ускорителей. Дается краткое описание предлагаемого метода на основе синхротронного излучения из высокополевого шифтера при установке последнего на электронный накопитель.
В третей главе подробно описывается проведенный расчет создания магнитной системы шифтера. Приводится анализ используемых сверхпроводящих материалов. Изложены разработанный алгоритм нахождения оптимальной конструкции обмотки основного, центрального, полюса и подбор магнитопровода шифтера. Описывается решение для получения однородности магнитного поля в области прохождения электронного пучка накопителя. Полученная формула нахождения геометрии шиммирующих пласти может быть использована для создания высокополевых шифтеров, вигглеров, или дипольных магнитов в технике ускорителей.
7
В четвертой главе рассказывается об основных элементах конструкции, о устройстве шифтера как совокупности магнитной системы, криогенной системы, системы питания и стабилизации ноля. Приводятся краткие описания этих систем и системы защиты от срыва сверхпроводимости.
В пятой главе приводятся описания испытаний и магнитных измерений шифтера. Подробно описываются процесс срыва сверхпроводимости и его влияние на токонесущие части магнитной системы. Приводятся история срывов сверхпроводимости во время испытаний шифтера, эффект тренировки и достижения рекордной величины магнитного поля 10.3 Тл. Описываются методы проведенных измерений карпы магнитного поля шифтера, нахождения соотношений токов питания шифтера для получения нулевого интеграла магнитного поля при разных уровнях поля шифтера методом натянутой проволоки с током, а также измерение фокусирующих свойств шифтера этим же методом. Приводятся результаты измерений профиля магнитного поля (или однородности) в месте максимума поля.
В шестой главе на основе проведенных измерений поля приводятся оценки мощности и спектрального потока фотонов синхротронного излучения из шифтера, оценки выхода позитронов при этом излучении.
В приложении приводится вывод формулы для получения однородности магнитного поля при использовании шиммирующих пластин в высокополевых шифтерах.
И, наконец, в заключении перечислены основные результаты работы.
1 Для чего нужны медленные позитроны 1.1 Введение
Позитрон был предсказан П.Дираком в 1931 году как протяжение энергии в «отрицательную» область в его теории энергетических уровней электрона. Открытие К.Д.Андерсоном в 1932 в камере Вильсона траектории частицы, имеющей массу электрона, но противоположный знак заряда, экспериментально подтвердило этот факт. Позитрон, который является античастицей по отношению к электрону, имеет такую же массу, находящуюся внутри современных экспериментальных пределов
л
(511.0034i0.0014 кэВ/с ), тот же спин ('Л), но противоположные по знаку электрический заряд и магнитный момент. Он стабилен в вакууме (т>2*1021 лет), хотя в конденсированной среде он стремительно термализуется и аннигилирует с электроном преимущественно через 2у распад (>511кэВ) со временем жизни 50-500 пикосекунд.
В 1949 году деВеннедетти с группой открыли, что два у кванта из аннигиляции термализованного позитрона с электроном твердого тела испускаются неколлинеарно. Этот эффект, который был правильно приписан импульсу электрона, можно отметить как рождение нового направления в методах исследований в физике твердого тела с помощью позитрона, которое стремительно развилось и продолжает развиваться в настоящее время.
9
Первоначальная попытка (Маданский и Расстти, 1950) «замедлить» позитроны от стандартного радиоактивного источника до низких энергий с целью получения более или менее моноэнергетического пучка закончилась неудачей. Потребовалось более двадцати лет, чтобы понять процесс термализации и диффузии позитрона внутри металла и границы раздела металл-вакуум, и только в конце 70-х добиться первого наблюдения «замедления» на тщательно пригоговленой поверхности (Миллс, 1978; Линн, 1979) [6].
В последние десятилетия физика медленных позитронов (чтобы отличать от позитронных пучков, используемых в физике высоких энергий) имела значительное расширение на другие науки, включая атомную физику, химию, физику твердого тела и поверхности, в той же степени как и на физику высоких энергий. К настоящему моменту можно определить основные прикладные направления применения медленных позитронов:
a) физика твердого тела (дефектоскопия),
b) физическая химия позитрона и позитрония,
c) электронная структура вещества, б) фундаментальные исследования.
Остановимся подробно на описании этих направлений.
- Київ+380960830922