Каналы частиц ИФВЭ (г.Протвино)

Каналы частиц ИФВЭ
Развитая система магнитооптических каналов, формирующая пучки частиц с необходимыми для проведения эксперимента характеристиками, является неотъемлемой частью любого крупного ускорителя при проведении исследований с фиксированными мишенями в области физики высоких энергий. Поэтому, обращаясь к событиям 40-летней давности, можно констатировать, что создание Отдела пучков в ИФВЭ было стратегически правильным решением Дирекции института. Пригласив на работу опытных специалистов из других организаций и выпускников из ведущих ВУЗов страны, Отдел справился со своей первой и очень важной задачей: разработать и одновременно с запуском ускорителя ввести в действие первоочередные каналы вторичных частиц. Впервые в мировой практике ускоритель сразу же после запуска обеспечил физиков пучками частиц и был вне конкуренции на протяжении 5 – 7 лет до начала работы ускорителей на более высокие энергии во ФНАЛ и ЦЕРН.
В последующие годы, наряду с развитием системы каналов частиц на У-70 и повышением эффективности ее работы, Отдел выполнил большую работу по разработке оптики и оборудования каналов частиц УНК, занимался созданием волоконно-оптических и радиорелейных систем связи ИФВЭ, участвовал в проектировании фокусирующей системы и мишеней для нейтринного канала ФНАЛ. Совместно с сотрудниками ОУ У-70 разработана методика использования изогнутых монокристаллов для вывода протонного пучка из ускорителя. В настоящее время одной из основных задач Отдела является создание канала сепарированных каонов для эксперимента ОКА.
Этапы развития системы каналов частиц на У-70
Первоочередные каналы частиц
Система каналов для формирования пучков вторичных частиц, генерируемых на внутренних мишенях ускорителя, была разработана и создана к моменту готовности протонного синхротрона У-70 для работы на физический эксперимент. Использование внутренних мишеней не требует создания сложных систем для вывода ускоренного пучка из ускорителя, однако радиационные нагрузки на оборудование самого ускорителя и каналов частиц, возникающие при работе внутренних мишеней, ограничивают максимальную интенсивность сбрасываемого на мишень протонного пучка. Изменение импульса отбираемых в канал вторичных частиц в достаточно широких пределах осуществляется за счет перемещения мишени по радиусу относительно равновесной орбиты ускорителя, а также использования одной из нескольких, разнесенных по азимуту ускорителя, мишеней. Первоочередные каналы вторичных частиц длиной от 100 до 150 м были размещены в экспериментальном зале ускорительного комплекса ИФВЭ (рис. 1).
Канал № 2 предназначен для формирования пучков отрицательно заряженных частиц с импульсами от 40 до 65 ГэВ/с и интенсивностью до 3´10⁶ частиц в цикле от внутренних мишеней, расположенных в 24-м магнитном блоке ускорителя. В зоне канала № 2 последовательно создавались пучки для поиска кварков и ядер антигелия, измерения полных сечений, проведения экспериментов по исследованию поляризационных эффектов при упругом рассеянии и т.д. В эту же зону при использовании магнитных экранов был осуществлен вывод положительно заряженных вторичных частиц с импульсами от 25 до 70 ГэВ/с.
Канал № 4 создан для формирования пучков отрицательно заряженных частиц с импульсами 25 – 40 ГэВ/с от внутренних мишеней в 27-м магнитном блоке У-70. В этом диапазоне импульсов интенсивность формируемых пучков достигает 10⁷ частиц в цикле, при этом характерные размеры пучка на экспериментальных установках не превышают 3 – 4 см в обеих поперечных плоскостях. На пучках канала № 4 проводились измерения выходов вторичных частиц, исследования процессов перезарядки и упругого рассеяния, эксперименты по поиску новых тяжелых частиц и антиядер.
Помимо этих каналов, во внутренней зоне ускорителя был создан канал № 6, предназначенный для наладки аппаратуры, а также канал № 18, формирующий пучки положительно заряженных частиц с импульсами 3 – 17 ГэВ/с. Исследования с пучками нейтронов проводились на канале № 4N.
Каналы № 2 и 4 используются также для формирования пучков электронов с энергиями от 1 до 45 ГэВ. Источником электронов (позитронов) на протонных ускорителях являются распады нейтральных p-мезонов p⁰®2g с последующей конверсией g-квантов в электрон-позитронные пары g®e⁺e^-. Для получения электронных пучков с низкой примесью адронов используется схема с пространственно разнесенными мишенью и конвертором. В каналах с генерацией вторичных частиц на внешних мишенях между мишенью и конвертором находится дипольный магнит, очищающий пучок g-квантов от заряженных частиц. Выбор знака заряда формируемого пучка (электроны или позитроны) осуществляется магнитной системой канала, а источниками фоновых частиц, в основном p-мезонов, в этом случае являются взаимодействия нейтронов в конверторе и распады нейтральных К-мезонов и гиперонов. В каналах с генерацией вторичных частиц на внутренних мишенях роль «очищающего» магнита выполняет магнитное поле ускорителя. Если при этом конвертор также находится в магнитном поле, то в канал отбираются либо электроны, либо позитроны, но примесь p-мезонов от взаимодействий или распадов нейтральных частиц становится заметно ниже. В качестве конвертора используется, как правило, свинцовая пластина толщиной по пучку от 0.5 до 1.0 радиационной длины.

Рис. 1. Основные этапы развития системы каналов частиц на ускорителе У-70. На рисунке сверху вниз приведены схемы расположения каналов частиц в экспериментальном зале и галерее, соответственно, в 1970 г., в 1980 г. и в настоящее время.

Именно в ИФВЭ была развита методика создания электронных пучков на протонных ускорителях и впервые в мировой практике получены пучки электронов с энергиями, недоступными в то время для электронных ускорителей. Интенсивность пучка электронов с энергией 31 ГэВ в канале №2 достигала 10⁶ частиц в цикле при сбросе на внутреннюю мишень 10¹² ускоренных до энергии 70 ГэВ протонов. Примесь адронов в пучке составляла ~1%. На базе электронного пучка были получены пучки «меченных» по энергии фотонов, изучена возможность организации пучков поляризованных фотонов при использовании в качестве радиатора монокристаллов кремния. В канале № 4 были также получены пучки позитронов в диапазоне энергий 5 – 13 ГэВ. В дальнейшем е^±,g-пучки были созданы и на других ускорителях мира.
Мюонные каналы
         Мюонные и нейтринные пучки на протонных ускорителях получают как третичные частицы от распадов p- и К-мезонов, образующихся в мишени канала при взаимодействии с ней первичного протонного пучка. Основными частями мюонного канала являются: участок формирования интенсивного пучка вторичных частиц, распадный участок с расположенным в конце его поглотителем адронов, а также участок формирования мюонного пучка на экспериментальную установку. В отличие от нейтринных пучков (см. ниже), при формировании мюонных пучков фокусирующему действию магнитного поля подвержены как вторичные, так и третичные частицы, поэтому интенсивность, размеры и чистота мюонного пучка в значительной степени зависят от того, как организованы все три участка мюонного канала.
         В ИФВЭ пучок отрицательных мюонов с импульсом до 40 ГэВ/с был получен в зоне канала № 4. В начальной части канала формировался слаборасходящийся пучок p^–-мезонов, интенсивность которого достигала 10⁸ частиц в цикле. Накопление мюонов происходило на распадном участке длиной ~100 м. Для увеличения эффективности накопления мюонов использовался мюонопровод-рефлектор, представляющий собой стальную трубу с внутренним диаметром 204 мм и толщиной стенки 7.5 мм, по которой пропускался ток до 3 кА. Использование мюонопровода позволило до двух раз повысить интенсивность пучка на экспериментальной установке. Подавление адронной компоненты пучка осуществлялось комбинированным фильтром, состоящим из карбида бора и намагниченного железа длиной 4 м. Структура фильтра была оптимизирована с целью получения минимальных размеров мюонного пучка на экспериментальной установке. Интенсивность формируемого пучка мюонов достигала 10⁶ частиц в цикле при сбросе на внутреннюю мишень 10¹²протонов.
         Значительным методическим достижением явилось создание поляризованного пучка мюонов с «мигающей» спиральностью, который был использован для поиска эффектов несохранения четности в мюон-нуклонных взаимодействиях. В лабораторной системе координат отрицательно заряженные мюоны с энергией Е_m < 0.79Е_p и Е_m > 0.79Е_p имеют отрицательную и положительную продольную поляризацию, соответственно, поэтому для организации пучка с изменяющейся поляризацией мюонов канал работал последовательно в двух режимах, при этом мюоны с отрицательной поляризацией образовывались при распаде p-мезонов с импульсом 40 ГэВ/с, а мюоны с положительной поляризацией – при распаде p-мезонов с импульсом 28 ГэВ/с. Переключение канала с одного режима на другой осуществлялось автоматически через каждые 5 циклов работы ускорителя в интервале между циклами. Режимы работы канала отличались положениями внутренних мишеней и значениями тока в магнитооптических элементах начальной части канала, а токи в мюонопроводе и в намагниченном железе адронного поглотителя оставались неизменными. В дальнейшем подобная схема создания мюонного пучка была использована в ЦЕРН для эксперимента NA4.
         Еще один мюонный канал, созданный на ускорителе, предназначался для экспериментов с остановленными мюонами. Фокусировка и торможение мюонов с начальным импульсом 30 ГэВ/с осуществлялись в этом канале линзами, представляющими собой стальные цилиндры диаметром 200 мм и длиной 0.75 м, вдоль которых пропускался ток с однородной по сечению плотностью. Канал, состоящий из двух групп линз, между которыми была размещена группа беззазорных отклоняющих магнитов, захватывал и тормозил до остановки мюоны, рожденные в угловом интервале ±1.5⁰ относительно его оси, удерживая при этом около 60% захваченных частиц. Анализ экспериментальных результатов показал, что при оптимальных режимах головного и оконечного объективов канал обеспечивал повышение интенсивности мюонов в несколько десятков раз по сравнению со случаем, когда на пути мюонного пучка устанавливается такое же количество ненамагниченного железа.
Каналы сепарированных частиц
         Уникальные по своим возможностям экспериментальные комплексы были созданы в ИФВЭ на базе жидководородных пузырьковых камер «Мирабель» и «Людмила». Для обеспечения этих камер пучками частиц нужного сорта использовался высокочастотный метод сепарации пучков заряженных частиц по массам (скоростям), а генерация вторичных частиц осуществлялась на внешних мишенях, установленных на трассах быстро выведенного из ускорителя пучка протонов (каналы № 7 и 9 на рис. 1).
Канал № 7 протяженностью 512 м, предназначенный для формирования пучков К-мезонов и антипротонов с импульсами 17 – 40ГэВ/с, а также пучков p-мезонов с импульсами до 50 ГэВ/с, на французскую пузырьковую камеру «Мирабель», был введен в действие в 1972 году в соответствии с планом сотрудничества ИФВЭ – ЦЕРН (рис. 2). Высокочастотный сепаратор (рис. 3) и система быстрого вывода протонов, разработанные в ЦЕРН при участии сотрудников нашего института, были установлены и испытаны в ИФВЭ в 1971 году. Примесь фоновых частиц в сформированных на камеру сепарированных пучках составляла рекордно низкую величину 2%. Для исследования в камере протон-протонных взаимодействий помимо сепарированных пучков предусматривалась также возможность вывода в канал пучка протонов с импульсом 70 ГэВ/с, упруго рассеянного на внутренней мишени. За время работы этого экспериментального комплекса (более десяти лет) было получено 2.5 миллиона фотографий при экспозиции пузырьковой камеры «Мирабель» в пучках частиц различного сорта.


Рис. 2. Монтаж канала № 7 в галерее, веду-щей к пузырьковой камере «Мирабель».		Рис. 3. Дефлектор RF-3 высокочастотного сепаратора, установленный на канале № 7.

Высокий темп набора статистики на камере «Мирабель» был обеспечен за счет применения двойного за цикл вывода протонного пучка из ускорителя – первого, банчированного, на фронте цикла ускорения и второго, небанчированного с длительностью до 5.2 мкс, в конце плоской части цикла У-70. При этом для поддержания заданного числа частиц на входе в камеру во втором, крайне нестабильном по интенсивности выводе пучка, была предложена и впервые в практике физического эксперимента реализована система дозировки пучка в микросекундном диапазоне времен вывода (рис.4). Задача была решена путем установки импульсного отклоняющего магнита в 100 м от камеры, поскольку из-за удаленности «Мирабели» от систем быстрого вывода (~1 км) остановить вывод пучка по сигналу монитора камеры было принципиально невозможно. Оптимизация места расположения и конструкции импульсного магнита позволила создать компактную и относительно недорогую по сравнению с быстрым выводом У-70 систему питания импульсных отклоняющих магнитов. Применение системы дозировки позволило увеличить суммарный темп набора статистики в 2.4 раза.

Рис. 4. Распределение числа частиц по кадрам камеры «Мирабель» при использовании системы дозировки (1) и без нее (2).

Рис. 5. Схема сепарации антидейтронов. RF1, RF2 – дефлекторы ВЧ сепаратора; П – поглотитель; С – коллиматор.

Канал № 9 и созданный в содружестве с НИИЭФА и ВНИИМР высокочастотный сепаратор, введенные в действие в 1973 году, обеспечили проведение экспериментов с использованием пузырьковой камеры ОИЯИ «Людмила» в пучках антипротонов и К-мезонов с импульсами 10 – 25 ГэВ/с. На этом канале был также получен пучок антидейтронов с импульсом 12.2ГэВ/c. Сложность сепарации этих частиц состоит в том, что при их относительно низком выходе из мишени по сравнению с выходом фоновых p-мезонов (~10^–6) необходимо обеспечить на пузырьковой камере не менее одного антидейтрона при уровне фона не выше нескольких десятков процентов. Поскольку при использовании традиционных схем сепарации коэффициент подавления фона не превышал, как правило, 10⁴, для обеспечения требуемых условий эксперимента в ИФВЭ была разработана и реализована оригинальная схема сепарации с двухступенчатой очисткой от фоновых частиц (рис. 5). В этой схеме фазовая скорость распространяющихся в дефлекторах волн подбирается так, чтобы ненужные частицы (m₁) получали при прохождении дефлекторов минимальные отклонения. При этом основной поток фоновых частиц гибнет на поглотителе, установленном после первого дефлектора, а часть фоновых частиц из гало пучка проходит мимо поглотителя и поглощается во второй ступени в коллиматоре, установленном после второго дефлектора на таком же расстоянии, что и поглотитель, и имеющем раскрытие несколько меньшее толщины поглотителя. Фаза высокочастотных колебаний во втором дефлекторе по отношению к первому дефлектору подбирается так, чтобы нужные частицы (m₂) погасили свое отклонение и прошли через щель коллиматора. Таким образом, принципиальной особенностью этой схемы сепарации является практически полная непрозрачность канала для фоновых частиц.
Для повышения интенсивности антидейтронов до уровня, приемлемого для проведения эксперимента, в дефлекторах сепаратора был осуществлен режим рекуперации мощности, позволивший при той же мощности клистронов увеличить угол отклонения частиц в 1.4 раза. Загрузка пузырьковой камеры в каждом цикле работы ускорителя достигала в среднем 0.7 антидейтрона при уровне адронного фона ~20%, а в пучке дейтронов – 3 частицы при уровне адронного фона ~6%.
Нейтринный канал
Источником мюонных нейтрино на протонных ускорителях являются распады мезонов (p,К®mn_m), образующихся в мишени при взаимодействии с ней ускоренного протонного пучка. Электронные нейтрино получают от трехчастичных распадов нейтральных и заряженных К-мезонов (К®pen_e). Формирование нейтринных пучков осуществляется посредством создания на распадном участке канала интенсивного пучка вторичных частиц с требуемым для эксперимента распределением по импульсам. Для формирования пучков мюонных нейтрино с широким энергетическим спектром, как правило, используются аксиально-симметричные оболочки с током, вне которых создается магнитное поле, изменяющееся обратно пропорционально радиусу B_j~ 1/r. Требуемое для фокусировки поле достигается при токах 100 – 500 кА, которые можно обеспечить только при импульсном режиме питания фокусирующих устройств, что в свою очередь предполагает использование быстро выведенного из ускорителя пучка протонов для генерации вторичных частиц. По сравнению с фокусирующими системами из квадрупольных линз, широко применяющимися в оптике пучков заряженных частиц, системы на основе токовых оболочек дают возможность сформировать более интенсивные пучки вторичных частиц, кроме того они обеспечивают отбор вторичных частиц по знаку заряда.
В 1974 году на ускорителе ИФВЭ был создан нейтринный канал (№ 8), открывший возможность проведения исследований в нейтринных пучках высоких энергий. Основным элементом канала является нейтринное фокусирующее устройство (НФУ), обеспечивающее фокусировку вторичных частиц в широком диапазоне импульсов. В качестве активных элементов НФУ впервые при создании нейтринных пучков на ускорителях было предложено использовать параболические линзы. Параболическая линза представляет собой два тонкостенных параболоида вращения, вершины которых соединены между собой короткой перемычкой – шейкой (рис. 6).

Рис. 6. Параболическая линза, используе-мая в последнем объективе фокусирую-щего устройства нейтринного канала. Длина линзы – 1.43 м, диаметр – 0.48 м.

Четыре параболические линзы были объединены в три объектива, каждый из которых подключался к отдельному источнику питания, обеспечивающему пропускание через линзы импульса тока длительностью 150 мкс с амплитудой до 500 кА. Проведенные прочностные расчеты, а также испытания опытных образцов линз, позволили выбрать оптимальные конструкционные решения для всех узлов НФУ, влияющих на его надежность и долговечность. Многолинзовая система с независимым питанием ее элементов обеспечила возможность получения нейтринных пучков с существенно отличающимися энергетическими спектрами без значительных затрат времени на перестройку системы. За более чем десятилетний период на нейтринном канале была выполнена обширная программа физических исследований с использованием пузырьковой камеры СКАТ и искрового детектора ИТЭФ.
Новый этап в использовании нейтринного канала ИФВЭ для проведения исследований в области физики нейтрино связан с экспериментами на нейтринном детекторе ИФВЭ – ОИЯИ. После завершения экспериментов в интервале энергий 3 – 30 ГэВ и эксперимента beam-dump, фокусирующая система канала была модифицирована для получения пучка нейтрино с энергией 1 – 2 ГэВ, необходимого для проведения исследований по упругому рассеянию и осцилляциям нейтрино. Формирование этого пучка осуществляется фокусирующей системой, состоящей из двух параболических линз, при этом для повышения эффективности захвата вторичных частиц мишень канала на половину своей длины расположена внутри первой параболической линзы. С целью увеличения потока 1 – 2 ГэВ-ных нейтрино и уменьшения примеси нейтрино с энергией >2 ГэВ вместо использовавшейся ранее мишени из алюминиевого сплава в 2002 г. разработана и установлена более тяжелая мишень, изготовленная из бериллиевой бронзы.
Высокоинтенсивный канал вторичных частиц низкой энергии
Канал вторичных частиц низкой энергии (№ 20) был создан в ИФВЭ для изучения взаимодействия адронов с атомными ядрами и, в частности, измерения сечений образования адронов низких энергий в адрон-ядерных взаимодействиях. В связи с разработкой проектов -коллайдеров, использующих метод электронного охлаждения при накоплении антипротонов, особый интерес представляло измерение выходов медленных антипротонов. Канал, представляющий собой одноплечевой спектрометр, состоял из четырех квадрупольных линз и двух отклоняющих магнитов. Генерация вторичных частиц осуществлялась на внешней мишени, расположенной на трассе быстрого и медленного вывода протонов из ускорителя (протонная часть канала № 8). Измерения выходов вторичных частиц обоих знаков заряда при взаимодействии протонов с энергией 70 ГэВ с ядрами Al и W были проведены на этом канале при импульсе вторичных частиц от 0.4 до 2 ГэВ/с, а в качестве детектора частиц использовались слои ядерной фотоэмульсии толщиной 500 мкм.
Канал релятивистских позитрониев
Канал релятивистских позитрониев был создан на ускорителе ИФВЭ для изучения взаимодействий ультрарелятивистских атомов с веществом, а также проведения других исследований в области физики высоких энергий и атомной физики. Источником релятивистских позитрониев на протонных ускорителях является распад p⁰®g+А₂_e, вероятность которого по отношению к основному распаду p⁰-мезона составляет 1.4´10^–9. Механизм генерации позитрониев и характер их взаимодействия с веществом и электромагнитным полем предъявляют ряд специальных требований к каналу для формирования пучка релятивистских позитрониев. Поскольку позитроний разваливается при прохождении тончайших слоев вещества, для генерации А₂_e должны использоваться мишени толщиной в доли микрона, а вакуумная камера канала должна иметь минимальное количество перегородок. При движении позитрония в поперечном магнитном поле в системе покоя А₂_e возникает электрическое поле, величина которого не должна превышать некоторого порогового значения для предотвращения развала позитрония. Поэтому для очистки формируемого пучка позитрониев от заряженных частиц можно использовать магнитное поле с напряженностью gH < 1.4´10⁵ Э. По этой же причине все участки канала, проходящие в рассеянных магнитных полях ускорителя, требуют эффективной экранировки.
В качестве мишеней в канале релятивистских позитрониев использовались углеродные пленки толщиной по пучку 0.4 мкм, на которые сбрасывалось до 5´10¹¹ ускоренных протонов в цикле. В канале длиной около 40 м отсутствовали разделяющие вакуумный объем перегородки, так что он непосредственно сочленялся с вакуумной камерой ускорителя. Слабое поперечное магнитное поле, величину которого можно было варьировать в пределах до 200 Э, создавалось очищающими магнитами общей длиной 23 м. За время набора статистики было зарегистрировано 185±30 позитрониев с импульсами, лежащими в интервале от 800 до 2000 МэВ/с.
Высокоинтенсивные каналы частиц на основе медленного вывода протонов из У-70
Создание медленного вывода протонов на ускорителе ИФВЭ открыло новые возможности для проведения физических исследований, что потребовало, в свою очередь, разработки новых каналов частиц. На освободившихся после завершения программы исследований с пузырьковыми камерами площадях были смонтированы и введены в действие универсальные каналы вторичных частиц №№ 21 и 22, а также адронный канал комплекса меченных нейтрино № 23 (рис. 1).
Канал № 21 был создан в 1987 году для проведения исследований как с протонными пучками высокой (~10¹¹) и умеренной (~10⁶) интенсивности, так и с пучками вторичных частиц с импульсами в диапазоне от 7 до 35 ГэВ/с для положительно заряженных частиц и от 7 до 60 ГэВ/с для отрицательно заряженных частиц. На этом канале была размещена экспериментальная установка СФИНКС, предназначенная для проведения широкой программы исследований в области адронной физики, в том числе для поиска и регистрации редких процессов. В 2001 году, после завершения набора статистики, был начат демонтаж оборудования канала и сооружения на его месте канала сепарированных К-мезонов.
Существующий в настоящее время канал № 22 является единственным на ускорителе ИФВЭ универсальным каналом, обеспечивающим проведение экспериментов с разнообразными пучками первичных, вторичных и третичных частиц. Мишень и защита канала рассчитаны для работы с первичным протонным пучком интенсивностью до 10¹³ в цикле. В зависимости от программы физических исследований на экспериментальных установках ФОДС-2 и СВД, канал позволяет формировать:
q пучки медленно выведенных из ускорителя протонов с энергией до 70ГэВ и интенсивностью ~10⁶ – 10¹⁰ в цикле;
q пучки вторичных частиц обоих знаков заряда с импульсом от 7 до 60ГэВ/с и интенсивностью до 6´10⁸ для отрицательно заряженных и до 10¹⁰ для положительно заряженных частиц;
q пучки электронов и позитронов в интервале энергий 7 – 40 ГэВ с интенсивностью >5´10⁵ в цикле;
q пучки поляризованных протонов от распада L-гиперонов (L®pp) с импульсом до 40 ГэВ/с. Интенсивность такого пучка при средней поперечной поляризации ~40% достигает 3´10⁷ протонов в цикле. Выделение пучка с нужным направлением вектора поляризации осуществляется с помощью коллиматора, при этом реверс поляризации и выведение полученного пучка на ось канала проводится автоматически за 3 – 4 цикла ускорителя.
При работе быстроциклирующей пузырьковой камеры (БЦПК), являвшейся на протяжении длительного периода времени вершинным детектором установки СВД, в канале № 22 использовалась уникальная по своим возможностям система модуляции интенсивности пучка, обеспечивавшая режим облучения БЦПК, который У-70 принципиально не может обеспечить, а именно – пакетно-импульсный режим (50 имп./с) при широтно-импульсной модуляции любого импульса в пакете от 0 до 80 мкс. Предложенная и разработанная система модуляции интенсивности пучка (СМИП) была предназначена для создания такого режима облучения БЦПК вне ускорителя при непрерывном, медленном выводе частиц из У-70. Импульс облучения начинался в оптимальный момент каждого цикла расширения БЦПК и прекращался по сигналу монитора физической установки, обеспечивая при этом стабилизацию дозы облучения в каждом импульсе. Реализованный вариант системы, при котором два ударных импульсных магнита (рис. 7), имеющих постоянную длительность импульса с обычным для них пологим спадом, обеспечивают, тем не менее, переменный по длительности результирующий импульс облучения с крутыми фронтом и спадом, защищен авторским свидетельством.
Канал № 23 был создан для проведения исследований в нейтринных пучках с применением методики мечения. Фокусирующая система канала, состоящая из квадрупольных линз и отклоняющих магнитов, формирует в направлении распадного участка слаборасходящийся интенсивный пучок вторичных частиц с импульсом до 35 ГэВ/с. При импульсном разбросе пучка
вторичных частиц s(p)/<p> « 2¸5% спектр мюонных нейтрино на детекторе имеет два явно выделенных пика от распадов p и К-мезонов (дихроматический нейтринный пучок). Применение системы мечения, расположенной в конце распадного участка длиной ~70 м, обеспечивает возможность для прецизионных исследований как с мюонными, так и с электронными нейтрино. В настоящее время канал № 23 используется для изучения распадов К-мезонов.

Рис. 7. Ударные магниты системы модуляции интенсивности пучка (СМИП) для быстроциклирующей пузырьковой камеры установки СВД.

Рис. 8. Дефлекторы сверхпроводящего ВЧ сепаратора в стендовом зале здания 33А.

Канал сепарированных каонов для эксперимента ОКА
Сооружаемый в настоящее время на ускорителе ИФВЭ канал сепарированных каонов (канал № 21К) предназначен для проведения широкой программы физических исследований в рамках экспериментальной программы ОКА, в частности поиска прямого нарушения СР-инвариантности и новых видов взаимодействий в распадах K^±-мезонов. Сепарация каонов будет осуществляться посредством двухдефлекторного сверхпроводящего ВЧ сепаратора, разработанного и созданного в Карлсруэ (ФРГ). В период с 1978 по 1981 год сепаратор использовался для получения обогащенных пучков каонов и антипротонов на W-спектрометре ЦЕРН, а в 1998 году был перевезен в ИФВЭ (рис. 8). Канал № 21К, как уже отмечалось выше, размещается в галерее на месте канала № 21 (рис. 1), демонтированного в связи с окончанием исследований на установке СФИНКС. Проектирование оптики канала проводилось на основе существующего магнитного оборудования каналов частиц У-70. Общая длина канала от мишени до начала распадного участка экспериментальной установки равна 202 м.
Канал 21К оптимизирован для получения сепарированных пучков каонов с импульсом 12.5 ГэВ/с, а максимальный импульс частиц в канале составляет около 20 ГэВ/с. Расчетная интенсивность пучка К⁺-мезонов с импульсом 12.5 ГэВ/с в конце канала равна 5´10⁶ частиц в цикле при сбросе на мишень 10¹³ протонов с энергией 70 ГэВ. При этом примесь p-мезонов и протонов (адронный фон) в сепарированном пучке К⁺-мезонов ожидается на уровне 20 – 30%. Помимо пучков К⁺-мезонов канал может быть также использован для получения сепарированных пучков К^–-мезонов и антипротонов. Для снижения мюонного фона на экспериментальной установке в канале планируется использовать коллиматоры из подвижных намагниченных стальных блоков, образующих замкнутое ярмо вокруг формируемого сепарированного пучка, а также стационарную намагниченную защиту.
Разработка методов управления пучками заряженных частиц с помощью изогнутых монокристаллов

Каналы частиц – достаточно сложные и энергоемкие системы. Поэтому появление идей, открывающих новые возможности управления пучками частиц, вызывает живой интерес и находит отклик у специалистов. В настоящее время проводятся интенсивные исследования возможности управления пучками частиц с помощью ориентированных кристаллов, обладающих высокими внутрикристаллическими электрическими полями (³10⁹ В/см). Поля атомных цепочек и плоскостей образуют потенциальные ямы, движение частиц в которых может быть устойчивым, и они могут проникать вглубь кристалла на большие расстояния (эффект каналирования). Для реализации режима каналирования положительно заряженных частиц используются кристаллы, ориентированные вдоль кристаллографических плоскостей. Если такой кристалл изогнуть на некоторый угол по дуге окружности, то, как показал Э.Н.Цыганов в 1976 г., каналированные частицы также отклонятся на этот угол. Эта идея была подтверждена экспериментально группой ОИЯИ – ФНАЛ на пучке протонов с энергией 8.4ГэВ синхротрона ЛВЭ ОИЯИ. В эксперименте использовался кристалл кремния с ориентацией (111) длиной 20 мм, изогнутый на угол 28.7 мрад. На этот угол отклонялось ~1% частиц, падающих на кристалл.
В ИФВЭ систематические исследования возможностей применения изогнутых кристаллов для управления пучками частиц проводятся с 1985 г. Был выполнен большой объем теоретических и экспериментальных исследований, позволивших выявить и объяснить особенности каналирования заряженных частиц в изогнутых кристаллах. В частности, было показано, что с помощью изогнутого кристалла можно не только отклонять пучки заряженных частиц, но одновременно фокусировать их в плоскости отклонения. Для этого выходной торец изогнутого кристалла необходимо срезать по поверхности цилиндра так, чтобы все плоскости касательные к кристаллографическим плоскостям на выходном торце кристалла пересекались на некотором расстоянии от него. Эта идея была предложена А.И.Смирновым в 1980 г. и подтверждена в эксперименте на выведенном протонном пучке с энергией 70 ГэВ в ИФВЭ. Для этого эксперимента в ПИЯФ была разработана технология изгиба фокусирующего кристалла и изготовлено несколько экземпляров с разными фокусными расстояниями. Размеры кристаллов кремния ориентации (111), изогнутых на угол 24 мрад, составляли: 70 мм длина, 15 мм высота, 2 мм ширина. Измеренная интенсивность отклоненного пучка достигала ~3% от падающего на кристалл пучка. Эффект фокусировки регистрировался с помощью ядерной фотоэмульсии, несколько слоев которой устанавливалось вдоль трассы отклоненного пучка (рис. 9). Такие кристаллы могут быть использованы для получения малых размеров пучка на мишени экспериментальной установки, а также для формирования пучков вторичных частиц с внутренней мишени ускорителя, размещенной в фокусе кристалла.
Важным при работе с кристаллами является вопрос их радиационной стойкости, определяющей длительность пребывания кристалла в пучке частиц. Для выяснения этого вопроса на У-70 был проведен специальный эксперимент. Изогнутый на угол 13 мрад кристалл кремния ориентации (111) с размерами: 0.5 мм ширина, 40 мм высота и 30 мм длина устанавливался на быстро выведенном пучке протонов с энергией 70 ГэВ и интенсивностью 1.3´10¹³протонов в цикле. При этом около 2´10¹² частиц попадало непосредственно на торец кристалла. Облучение кристалла продолжалось на протяжении одного сеанса работы ускорителя. Выдержав поток частиц ~10¹⁹см^–2 кристалл сохранил свои каналирующие свойства. После опубликования этих результатов, аналогичные исследования были проведены в БНЛ при энергии 28 ГэВ и в ЦЕРН при энергии 450 ГэВ. В этих экспериментах была установлена величина предельного потока частиц на уровне 2´10²⁰см^–2. Опыт работы с кристаллами по выводу пучка протонов из ускорителя У-70 также указывает на эту предельную величину: они сохраняют свои каналирующие свойства на протяжении сеанса работы У-70 длительностью 1400 часов.

Рис. 9. Слева – изображения пучка, сфокусированного кристаллом на расстоянии 0.5 м от него, и падающего на кристалл пучка (пунктир – сечение кристалла), справа – увеличенное под микроскопом изображение сфокусированного пучка.

В качестве примера применения изогнутых кристаллов на каналах частиц приведем две системы, созданные в ИФВЭ. На рис. 10 представлена система деления выведенного из ускорителя протонного пучка. Основной пучок с интенсивностью до ~10¹³ протонов в цикле формировался на экспериментальную установку КМН (канал № 23). Из гало этого пучка с помощью кристалла отбиралась малая часть, ~10⁷ протонов в цикле, которая направлялась в канал № 21 на установку СФИНКС, что открывало возможность одновременной работы двух экспериментальных установок. Кристаллический дефлектор проработал без замены в течение 5 лет.

Рис. 10. Расположение станции деления выведенного пучка протонов на канале № 8.

На рис. 11 показан канал, состоящий из одного кристалла Si (110) длиной 10 см, изогнутого на рекордный угол 150 мрад (8.5⁰). Этот кристалл вдвигается в гало выведенного из ускорителя пучка протонов и захваченные в каналирование частицы (~10⁶) направляет в зону, где ведутся методические исследования. Такой канал очень прост в исполнении и не потребляет электроэнергии. Если бы его делать на основе обычных отклоняющих магнитов, то потребовалось бы 5 четырехметровых магнитов с магнитным полем 1.8 Тл. Отсюда, в частности, следует, что эффективное отклоняющее магнитное поле используемого кристалла составляет величину 360 Тл! Именно своими высокими полями, которые значительно превышают поля в сверхпроводящих магнитах современных ускорителей, и привлекательны кристаллы. Вопрос состоит в том, можно ли использовать эти поля, и в какой степени, для управления пучками высоких энергий?

Рис. 11. Схема тестового канала. Si₁ и Si₂ – отклоняющий и исследуемый кристаллы.

Применение коротких кристаллов кремния для вывода протонного пучка из ускорителя У-70

Изогнутый кристалл в сущности представляет собой компактный септум, который заманчиво было бы использовать для вывода ускоренного пучка из циклического ускорителя. Первый эксперимент в этом направлении был осуществлен на синхрофазотроне ОИЯИ в 1984 г. Из ускорителя был выведен протонный пучок с энергией 8.4 ГэВ с помощью кристалла кремния, изогнутого на угол 35 мрад. Эффективность вывода составила ~10^–4. В 1989г. на ускорителе ИФВЭ был осуществлен вывод пучка протонов с энергиями 50 и 70 ГэВ в один из существующих каналов частиц. Чтобы направить пучок в канал необходимо было изогнуть кристалл кремния длиной 65 мм на большой угол ~85 мрад. Эффективность этого вывода составила несколько единиц на 10^–4 и впоследствии была доведена до 10^–3при использовании тонких углеродных пленок для предварительного рассеяния протонного пучка на малые углы. В 1993 г. в ЦЕРН был поставлен эксперимент по выводу пучка протонов с энергией 120 ГэВ. Полученная эффективность составила 20%. Эксперимент по выводу протонного пучка с энергией 900ГэВ в ФНАЛ (1995 г.) дал результат по эффективности вывода ~30%. На ускорителе ФНАЛ также была показана возможность совмещения коллайдерного режима с выводом кристаллом протонов из гало пучка.
В чем же причина сравнительно невысокой эффективности вывода в проведенных экспериментах? Анализ полученных результатов показал, что в этих экспериментах реализуется в основном режим однократного прохождения частиц через кристаллы с большой длиной и большим углом отклонения. Расчеты многооборотного вывода, когда частица, не захваченная в режим каналирования при первом прохождении кристалла, может захватиться при последующих прохождениях, показали, что для его осуществления требуются кристаллы с малой длиной и малыми углами изгиба. Именно многооборотный вывод был реализован совместной группой сотрудников Отдела пучков и ОУ У-70 на ускорителе ИФВЭ. Для достижения этой цели использовались специально разработанные кристаллы кремния О-образной формы и в виде полосок длиной по пучку 2 – 5 мм с углами отклонения 1 – 2 мрад (рис. 12).


Рис. 12. Используемые для вывода протонного пучка из У-70 кристаллы О-образной формы (слева) и в виде полоски (справа).

При столь малых углах отклонения протонного пучка кристаллом его невозможно непосредственно вывести из ускорителя У-70 из-за малых длин прямолинейных промежутков. Поэтому пришлось дополнительно использовать несколько септум-магнитов существующей системы резонансного вывода и таким образом вывести отклоненный кристаллом пучок по трассе этого вывода. Поскольку основные экспериментальные установки привязаны к этой трассе, то вывод с помощью кристалла в случае успеха можно было сразу использовать для проведения ряда экспериментов. В разных местах ускорителя были установлены три кристаллических станции с двумя кристаллами (один резервный). Они позволяли перемещать каждый из кристаллов в поперечном к пучку направлении и варьировать угол его ориентации относительно пучка. Любая из этих станций могла обеспечивать вывод протонного пучка в одном и том же направлении при соответствующей комбинации бампов, искажающих орбиту. На рис. 13 приведены две из трех схем вывода. В первой схеме кристаллическая станция размещалась в прямолинейном промежутке № 19. Частицы, наведенные на кристалл путем локального искажения орбиты и захваченные в режим каналирования, отклонялись кристаллом на угол ~2 мрад и попадали в апертуру септум-магнита ОМ20. Отклоняясь затем септум-магнитами ОМ22 и ОМ26, они выводились из вакуумной камеры ускорителя. При использовании кристаллической станции, размещенной в середине 22-го магнитного блока, вывод протонов может быть осуществлен через 24 и 26 септум-магниты, а с помощью третьей станции, установленной в 106 прямолинейном промежутке (на рисунке не указано) – как через 20, 22 и 26 септум-магниты, так и через 24 и 26 септум-магниты. Таким образом, третья схема в случае неполадок в первых двух может замещать любую из них.

Рис. 13. Схемы вывода протонного пучка с помощью изогнутых кристаллов, расположенных в прямолинейном промежутке № 19 (2 – трасса вывода, 1 – трасса пучка, не захваченного в каналирование) и в середине 22-го магнитного блока (3).

На рис. 14 представлена типичная зависимость интенсивности выводимого пучка от угловой ориентации кристалла. Рабочее положение кристалла соответствует максимуму этой кривой. На рис. 15 приведены зависимости эффективности вывода (отношение интенсивности выведенного пучка к интенсивности забираемой доли ускоренного пучка) при работе через септум-магниты 24 и 26 третьей (I) и второй (II) схем вывода. Видно, что эффективность вывода в обоих случаях достигает 80 – 85%. Эти результаты были получены при использовании кристаллов в виде полосок длиной 1.8 – 2.0 мм и углами изгиба 0.8 – 1.0 мрад. Достигнутые эффективности вывода почти в 3 раза превышают лучший результат, полученный на ускорителе ФНАЛ.


		Рис. 15. Эффективности вывода в зависимости от доли циркулирующего пучка, направляемой на кристаллы, расположенные в 106-м прямолинейном промежутке (I) и в середине 22-го магнитного блока (II).
Рис. 14. Эффективность вывода в зависимости от ориентации кристалла.

Рис. 16 иллюстрирует этапы пятилетних исследований, приведших к этим результатам. На первом этапе (1997 г.), при использовании кристаллов в виде полоски длиной 7 мм, были получены очень скромные эффективности вывода ~15% (обозначено символом Ä). На втором этапе с новыми О-образными кристаллами, разработанными ПИЯФ, произошел качественный скачок: эффективность вывода возросла до 50 – 60% (ÿ), и только вернувшись к полоскам и преодолев технические трудности их изгиба на нужные углы, удалось получить рекордные результаты (»), хорошо согласующиеся с расчетом (o).


Рис. 16. Эффективности вывода пучка протонов в зависимости длины кристалла.		Рис. 17. Показания мониторов, обеспечивающих наведение пучка на кристалл и внутренние мишени.

С целью повышения эффективности использования ускорителя была изучена возможность одновременной работы вывода с двумя внутренними мишенями (рис. 17). Видно, что в этом случае можно получить практически однородные пучки как на выводе, так и от внутренних мишеней на всей плоской части магнитного цикла. Если на выведенном пучке установить кристалл, отклоняющий небольшую часть пучка в направлении еще одного канала, то число одновременно работающих каналов можно довести до 5. Один из них (канал № 18) не связан с работой кристаллов.
Созданный на У-70 вывод с использованием коротких изогнутых кристаллов существенно расширяет возможность проведения экспериментов: обеспечивает в зависимости от требований эксперимента интенсивности выведенных пучков от 10⁶ до 10¹² частиц в цикле, допускает одновременную работу нескольких экспериментальных установок, сокращает сроки проведения экспериментов. Этот вывод является хорошим дополнением к существующему на У-70 резонансному выводу, который обеспечивает пучки протонов с интенсивностью в интервале от 5´10¹¹ до 10¹³ частиц.
Проектирование каналов частиц для УНК ИФВЭ

Рис. 18. План размещения каналов частиц УНК и экспериментальных залов.

Опыт, накопленный в Отделе пучков за двадцатилетний период по разработке и созданию каналов частиц на У-70, нашел свое применение в 1980 – 1990 г.г. при проектировании системы каналов частиц для Ускорительно-Накопительного Комплекса (УНК) на энергию 3000 ГэВ (рис.18). В адронной экспериментальной зоне УНК планировалось создание достаточно широкого набора пучков частиц: адронные пучки умеренной и высокой интенсивности, пучки электронов и g-квантов, пучок поляризованных протонов от распада -гиперонов, пучок -гиперонов. В лептонной экспериментальной зоне предусматривалась возможность создания пучков нейтрино с широким и узким энергетическими спектрами, пучков «меченых» по энергии нейтрино, а также мюонных пучков. Высокая эффективность использования ускоренного пучка с интенсивностью 6´10¹⁴ в цикле и увеличение числа одновременно работающих экспериментальных установок достигались за счет деления выведенного протонного пучка.
Параллельно с разработками общей планировки экспериментальной базы и оптики пучков частиц cовместно с НИИЭФА (г. С.-Петербург) проводилось проектирование оборудования каналов частиц УНК. Для изучения возможности создания магнитных элементов с высокой радиационной стойкостью обмоток в ИФВЭ был создан участок по макетированию обмоток с асбестоцементной изоляцией. Были изготовлены прототипы сплиттер-магнита для деления протонного пучка и магнита для мишенных станций адронной экспериментальной зоны, последний из которых в течение более 10 лет используется в канале № 22 на У-70 для получения пучков электронов и поляризованных протонов. Разработаны методики измерений магнитного поля с использованием преобразователей Холла, ядерного магнитного резонанса, натянутых струн и вращающихся катушек, которые в последствии успешно применены при измерениях характеристик дипольного магнита для бустера промежуточной энергии SSC.
Разработка оптики пучков и конструкции мишени для нейтринного канала на ускорителе ФНАЛ (проект NuMI)
С 1997 г. сотрудники Отдела пучков и других подразделений ИФВЭ принимают участие в разработке, проектировании и изготовлении элементов для нейтринного пучка на 120 ГэВ-ном ускорителе ФНАЛ. Этот пучок вместе с двумя детекторами, расположенными один во ФНАЛ, а другой на расстоянии 735 км от ФНАЛ в шахте на территории штата Миннесота, будет использован для изучения осцилляций нейтрино в эксперименте MINOS.
Поскольку известные в настоящее время фокусирующие системы не могут обеспечить высокую эффективность фокусировки одновременно во всем требуемом для эксперимента диапазоне энергий от 1 до 20 ГэВ, была разработана фокусирующая система, которая может быть относительно легко перестроена на любой более узкий диапазон энергий в этих пределах. Эта фокусирующая система состоит из двух 3-х метровых магнитных горнов с параболической формой внутренних проводников, которые питаются последовательно от одного источника импульсным током с амплитудой 200кА. Три фиксированные положения второго горна относительно первого обеспечивают формирование нейтринных пучков в диапазонах: 1- 6 ГэВ, 2 - 12 ГэВ и 4 - 24 ГэВ (рис. 19), а нейтринные пучки со спектрами, промежуточными между тремя базовыми, могут быть получены при изменении положения мишени относительно первого горна.

Рис. 19. Спектры нейтринных событий (n_mСС) на дальнем детекторе для трех базовых вариантов нейтринного пучка.

Для достижения максимального числа нейтринных событий на дальнем детекторе параметры мишеней оптимизировались для каждого диапазона энергий. Учитывая высокую интенсивность первичного пучка (до 4´10¹³ протонов в цикле), графит и бериллий были исследованы как возможные материалы для изготовления мишеней путем численного моделирования термомеханических процессов в веществе с последующим испытанием прототипов мишеней на 120 ГэВ-ном ускорителе ФНАЛ.
В 2002 г. была изготовлена мишень для наиболее приоритетного нейтринного пучка низких энергий. Керн мишени состоит из 47 графитовых сегментов 20´16´6.4 мм³, припаянных к двум стальным трубкам, по которым прокачивается вода для охлаждения сегментов. Разработка технологии, изготовление оснастки и пайка сегментов осуществлены в Физико-энергетическом институте (г. Обнинск). Полная длина мишени составляет около 1.2 м (рис. 20). Анализ результатов расчета температуры и механических напряжений в мишени показывает, что мишень может выдержать до 10⁷ циклов протонного пучка, что приблизительно соответствует одному году ее работы.

Рис. 20. Общий вид мишени для нейтринного пучка низких энергий ФНАЛ.

Литература
[1] E.V.Eremenko, N.A.Galjaev, N.I.Golovnya, M.I.Grachev, K.I.Gubrienko, Yu.S.Khodyrev, V.I.Kotov, A.A.Prilepin, V.S.Seleznev, R.M.Sulyaev, V.N.Zapolsky. Advances in Secondary Beams at the 70 GeV IHEP Synchrotron. Proc. of 8-th Intern. Conf. on High Energy Accelerators, Geneva, 1971, p.17.
[2] С.С.Герштейн, А.В.Самойлов, Ю.М.Сапунов, А.М.Фролов, А.И.Алиханян, Г.Л.Баятян, Г.С.Вартанян, С.Г.Князян, Е.В.Минарик, А.С.Белоусов, Н.П.Буданов, Б.Б.Говорков, А.Т.Маргарян, С.В.Русаков, Е.И.Тамм, П.А.Черенков, П.Н.Шарейко. Пучок электронов с импульсами до 46 ГэВ/с на Серпуховском ускорителе. АЭ, 35 (1973) 181 // Nucl. Instr. and Meth. 112 (1973) 477.
[3] С.В.Головкин, М.И.Грачев, В.И.Гридасов, В.П.Даньшин, Р.И.Джелядин, А.М.Зайцев, В.Ф.Константинов, В.И.Котов, В.П.Кубаровский, Л.Г.Ландсберг, В.М.Леонтьев, В.А.Мухин, Т.И.Петрунина, Ю.С.Ходырев. Поляризованный пучок мюонов с «мигающей» спиральностью. Препринт ИФВЭ 76-19, Серпухов, 1976 // Nucl. Instr. and Meth. 138 (1976) 235.
[4] Ф.Бернард, Н.А.Галяев, А.Грант, В.Е.Зеленин, В.И.Котов, П.Лазерас, Г.Ленгелер, Б.Марешаль, Дж.

RUSTUNNEL. Тоннели России и подземное пространство.

Каналы частиц ИФВЭ (г.Протвино)