Исследование возможностей применения кристаллической оптики пучков заряженных частиц на ускорителях высоких энергий : Теория и численные методы расчета и оптимизации

• Автор: Бирюков, Валерий Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Протвино
• Количество страниц: 45 с. : ил.; 28х19 см

Общая характеристика работы
Актуальность темы. Значительное расширение круга задач, стоящих перед кристалло-оптикой заряженных пучков высокой энергии, и огромная потенциальная значимость ее применения на ускорителях настоятельно требуют глубокого понимания эффектов, возникающих во взаимодействии заряженного пучка с изогнутым монокристаллом, умения рассчитать эффективность кристаллического дефлектора (в частности, как элемента системы вывода из ускорителей) и возможности расширять арсенал средств и методов формирования пучков с различными свойствами на ускорителях нового поколения.
Цель диссертационной работы состояла в изучении возможностей кристаллооптики адронных пучков высоких энергий, развитии теории и эксперимента в области каналирования частиц в изогнутых монокристаллах, в том числе с учетом несовершенства кристаллической решетки, а также теории и эксперимента многооборотного вывода протонного пучка из ускорителей.
Научная новизна и результаты, выносимые на защиту:
1. Исследована эффективность изогнутых кристаллов в аналитической модели. Определены оптимальная кривизна кристалла и теоретический предел эффективности как функции угла отклонения пучка. Получена элементарная формула для длины деканалирования Ьц. правильно описывающая результаты для кристаллов Б] и успешно использованная в работах ЦЕРН по отклонению пучков кристаллами Се. Показано, что экспериментально наблюдаемое сокращение 1ц в изогнутых кристаллах следует модели пропорциональности Ьо критической поперечной энергии.
2. Создана аналитическая теория для механизмов объемного захвата в изогнутых кристаллах. Полученные формулы точно определяют величину вероятности
лата -и) и объясняют экспериментально найденные зависимости вероятности от
**сии (к; и радиуса изгиба (га ~Д), а также правильно предсказали ре-
1'аты эксперимента ИФВЭ по обнаружению нового (“градиентного”) механизма ного захвата.
3. Создана компьютерная программа (CATCH), 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 по 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 многооборотное 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 ФНАЛ. 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 Ап 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.

монолитного куска в виде буквы “О”, и имевший длину по ходу пучка лишь 5 мм. Эта конструкция не имела твиста.
Интенсивность ускорителя за время проведения эксперимента менялась в диапазоне от 1х1012 до ЗхЮ12 протонов в цикле. Величина интенсивности, сбрасываемой на кристалл, варьировалась в процессе эксперимента от 16 до 100% всего циркулирующего пучка. В эксперименте было измерено распределение интенсивности в пучке по радиусу и показано, что эмиттанс пучка в радиальной плоскости составляет ~2 7гмм-мрад, что соответствовало угловой расходимости пучка в месте установки кристалла ±0,6 мрад (с учетом неканоничности фазового эллипса а=1,87). В первом из сеансов наблюдалось также гало (10% пучка), окружавшее плотное ядро пучка.
На рис. 20, 22 показаны результаты моделирования эффективности вывода при разной интенсивности наводимого пучка и соответствующие экспериментальные данные. Видно, что имеется хорошее согласие между расчетами и экспериментом. Максимальная интегральная эффективность вывода (определяемая как отношение интенсивности выведенного пучка к величине интенсивности забираемого из ускорителя пучка) достигает 42% для второго из испытанных кристаллов. Пиковая эффективность была равна 47%. Максимальная интенсивность пучка, выведенная кристаллом при наведении на него 2,2х1012 протонов/цикл была равна бхЮ11 протонов/цикл, что на 5-6 порядков выше полученных ранее результатов. Прямым доказательством того, что выводимый пучок является каналированным служит ориентационная кривая - зависимость интенсивности выведенного пучка от ориентации кристалла по углу. На рис. 21, 23 представлены расчетные ориентационные кривые в прекрасном согласии с результатами эксперимента.
Компьютерное моделирование экспериментов проводилось заранее с целью выбора оптимального размера кристалла, оценки влияния на эффективность различных параметров, а также проверки теории. Моделирование учитывало реальную геометрию кристаллов; решетка их считалась идеальной, однако на поверхности моделировался неканалирующий (аморфный) слой в несколько десятков микрометров. Начальная глубина заброса <1мкм при этом исключала каналирование при первом попадании частицы. Отметим, что в этих условиях варьирование в модели толщины неканалирующего слоя от 60 до 1 мкм приводило лишь к очень незначительному росту эффективности кристалла, на ~3%. В моделировании было найдено, что среднее число прохождений для выведенного пучка (IV) ~10-12. Таким образом, этот фактор в эффективности вывода был значительным. Его важность в нашем эксперименте можно также охарактеризовать следующим образом. В ЦЕРНе эффективность вывода до 20% была достигнута при расходимости пучка, падающего на кристалл, меньше дс. В наших условиях расходимость была в ~20 раз больше вс, поэтому лишь несколько процентов пучка могло быть каналировано при однократном прохождении.
Результаты, полученные в ИФВЭ, на сегодняшний день являются рекордными. Как показывают расчеты, они могут быть улучшены в 1,5-2 раза при использовании для вывода кристаллов меньшей длины, 3-1 мм, при угле изгиба ~0,5 мрад.