Исследование отражения протонов с энергией 400 ГЭВ изогнутым монокристаллом кремния с помощью плоскопараллельного позиционно чувствительного детектора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Косьяненко, Сергей Викторович

• Косьяненко, Сергей Викторович
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Косьяненко, Сергей Викторович

Введение 4.

Глава

Обзор по каналированию и объёмному отражению

§ 1 Каналирование положительно заряженных частиц 6.

§ 2 Объёмный захват и отражение положительно заряженных 17. частиц

Глава

Эксперимент по исследованию отражения протонов с энергией

400 ГэВ монокристаллом кремния

§ 1 Экспериментальная установка 26.

§ 2 Система измерения и съёма информации на базе 32. плоскопараллельного позиционно чувствительного детектора (3-ГТЧД)

§ 3 Результаты эксперимента 34.

Глава

Плоскопараллельная камера (ППК)

§ 1 Описание плоскопараллельной камеры 47.

§ 2 Исследование ППК с разными газовыми промежутками 50.

§ 3 Амплитудные спектры и эффективность регистрации 59. заряженных частиц

Глава

Плоскопараллельный позиционно чувствительный детектор

§ 1 Описание плоскопараллельного позиционно 64. чувствительного детектора

§ 2 Исследование 3-ПЧД с использованием мягких гамма 68. квантов.

§ 3 Статистический анализ профилей протонного пучка 71. полученных с использованием 3-ПЧД

§ 4 Калибровка 3-ПЧД 77.

§ 5 Использование 3-ПЧД для формирования протонного 84. пучка с энергией 1 ГэВ при изучении каналирования и отражения монокристаллом кремния

Глава

Области возможного применения 3-ПЧД 95.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование отражения протонов с энергией 400 ГЭВ изогнутым монокристаллом кремния с помощью плоскопараллельного позиционно чувствительного детектора»

В 2002 году, в совместном эксперименте ПИЯФ-ИФВЭ, исследовался процесс каналирования протонов с энергией 70 ГэВ в изогнутом монокристалле кремния [1]. Изучалась возможность отклонения пучка протонов этим методом. Детектором частиц, прошедших через кристалл, служила фотоэмульсия. В том же эксперименте наблюдалось странное явление: на фотоэмульсии, помимо протонов, отклоненных на ожидаемый угол за счёт процесса каналирования, наблюдались также светлая область и темная с противоположенным углом отклонения. В течение некоторого времени, авторы не придавали этому наблюдению серьёзного значения, относя его к возможным дефектам в кристалле или трудностям метода фотоэмульсии. Однако позднее было высказано предположение, что наблюдаемое странное явление, возможно, является процессом объёмного отражения, предсказанного ещё в 1987 году А. М. Таратиным и С. А. Воробьёвым [2].

Для проверки этого предположения было решено провести специальный эксперимент на синхроциклотроне ПИЯФ при энергии протонов 1 ГэВ. Отличительной особенностью этого эксперимента являлось использование электронического метода регистрации, основным элементом которого был современный позиционно чувствительного детектора с высоким пространственным разрешением, позволяющего провести надёжное детектирование процессов каналирования и объёмного отражения с их количественной оценкой. Эксперимент ПИЯФ был выполнен в 2006 году. В этом эксперименте было показано, что эффективность объёмного отражения протонов с энергией 1 ГэВ составляет 70 % [3].

В этом же году, международным коллективом с участием ПИЯФ был поставлен эксперимент в CERN на ускорителе SPS с энергией протонов 400 ГэВ. Цели эксперимента были наблюдение и количественная оценка процесса объёмного отражения протонов при этой энергии и исследование возможности применения этого явления для устранения гало протонного пучка в создаваемом ускорителе LHC.

Автор диссертации деятельно участвовал в обоих экспериментах, где проектировал и создавал позиционно чувствительную детектирующую систему, в роли которой использовался разработанный в ПИЯФ плоскопараллельный позиционно чувствительный детектор (3-ПЧД) и систему съёма и обработки данных. Детектор оказался адекватным для решения поставленной задачи. Его достоинства — высокое пространственное разрешение, быстродействие, простота конструкции, возможность работы без внешнего триггера, возможность быстрой обработки данных практически в режиме реального времени.

Эксперимент в CERN успешно завершён в сентябре 2006 года. Явление отражения было надёжно зарегистрировано. При этом было показано, что эффективность отражения растёт с ростом энергии протонов, приближаясь к 100% [4, 5]. Полученный результат позволяет надеяться на успешное применение кристаллов для уменьшения гало циркулирующих протонных пучков ускорителя LHC. В настоящее время администрацией CERN принято решение о проведении специального эксперимента (эксперимент UA9) для исследования этих возможностей на циркулирующем протонном пучке ускорителя SPS

В данной диссертации представлено описание разработанного 3-ПЧД, а также результаты анализа экспериментальных данных, полученных с помощью этого детектора при исследовании процесса отражения протонов энергией 400 ГэВ изогнутыми атомными плоскостями монокристалла кремния.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Косьяненко, Сергей Викторович

Заключение

В диссертации представлены результаты по обнаружению и исследованию объёмного отражения ультрарелятивистских протонов изогнутыми монокристаллами кремния при помощи плоскопараллельного позиционно чувствительного детектора (3-ПЧД).

1. В эксперименте по обнаружению и исследованию отражения ультрарелятивистских протонов с энергией 400 ГэВ на ускорителе SPS CERN изогнутыми атомными плоскостями монокристалла кремния с помощью измерительной системы на базе 3-ПЧД получены следующие результаты:

• измеренная эффективность отражения протонов с энергией 400 ГэВ одиночным изогнутым кристаллом составляет (98,0±0,6) %;

• угол отражения равен 12 мкрад.

2. В CERN с помощью измерительной системы на базе 3-ПЧД измерено объёмное отражение протонов с энергией 400 ГэВ сборкой из двух монокристаллов кремния и получены следующие результаты:

• эффективность отражения сборкой из двух изогнутых кристаллов составляет (96,6±0,7) %;

• суммарный угол отражения 23 мкрад.

3. Разработаны и исследованы 3-ПЧД с пространственным разрешением (шагом стрипов) 500 мкм, 200 мкм, 100 мкм и 50 мкм. Решены конструктивные и технологические проблемы детектора, оптимизирована электроника параллельной передачи данных.

Показано, что измерительная система на базе 3-ПЧД может работать при загрузках до ~108 частиц/см2 с без внешнего триггера в счётном режиме. Детектор позволяет измерять профили пучков заряженных частиц и мягкого рентгеновского излучения с высоким пространственным разрешением.

В процессе апробации 3-ПЧД обнаружено объёмное отражение протонов с энергией 1 ГэВ изогнутым монокристаллом кремния на ускорителе ПИЯФ РАН.

4. Создана система сбора, передачи, обработки и представления экспериментальных данных, поступающих с 3-ПЧД Результаты по исследованию объёмного отражения протонов, представленные в диссертации, согласуются с теоретическими предсказаниями [2,12].

Явление объёмного отражения может быть использовано для управления пучками протонов высоких энергий, так как эффективность этого процесса близка к 100%. Например, для отклонения пучков или для чистки гало ускорителя LHC. Для увеличения угла отражения протонов следует использовать сборку из нескольких изогнутых кристаллов, ориентированных оптимальным образом как относительно пучка, так и относительно друг друга.

Разработанный и созданный в ПИЯФ 3-ПЧД обладает высокой загрузочной способностью и хорошим пространственным разрешением, что в сочетании с простотой конструкции позволяют использовать его для решения различных задач в области физики высоких энергий, медицине и дефектоскопии.

Автор благодарен заведующему лабораторией мезоатомов Ю. М. Иванову за поставленную задачу и плодотворную совместную работу в экспериментах на ускорителях ПИЯФ и CERN, В. А. Гордееву и В. Г. Ивочкину за возможность развить методику и технологию плоскопараллельного позиционно чувствительного детектора, А. А. Петрунину и В. М. Суворову за ценные и полезные научные обсуждения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Косьяненко, Сергей Викторович, 2010 год

1. Y. М. 1.anov et al. Volume reflection of a proton beam in a bent crystal. Phys. Rev. Lett., 2006, v.97, N14, p.144801.

2. Taratin A.M., Vorobiev S.A. "Volume reflection" of high-energy charged particles in quasi-channeling states in bent crystals. Phys.Lett. A, 1987, v.l 19, p.425-428.

3. Ю. M. Иванов, и др. Объемное отражение протонов с энергией 1ГэВ изогнутым кристаллом кремния. Письма в ЖЭТФ, 2006, т.84, с.445-450.

4. W. Scandale et al. High-efficiency volume reflection of an ultrarelativistic proton beam with a bent silicon crystal. Phys. Rev. Lett., 2007, v.98, N15, p.154801.

5. W. Scandale et al. Double volume reflection of a proton beam by a sequence of two bent crystals. Phys. Lett. B, 2008, v.660 p.610-611.

6. Линдхард Й. Влияние кристаллической решётки на движение быстрых заряженных частиц. УФН, 1969, т. 99, вып,2, стр. 249-296.

7. Ergurrsoy С. Passage of charged particles through crystal lattices. Brookhaven lecture series, 1965, #46.

8. Forster J.S. In.: Relativistic Channeling (Eds. R.A. Carrigan, Jr., J. Ellison), New York: Plenum Press, 1987, p. 39.

9. Андреев В.А. и др. Экспериментальное обнаружение эффекта объёмного захвата в режим каналирования изогнутым монокристаллом. Письма в ЖЭТФ, 1982, т.36, с.340-343.

10. Самсонов В.М. Автореферат диссертации, ЛИЯФ, Ленинград, 1985.

11. О. И. Сумбаев. К теории объёмного захвата протонов в режим каналирования изогнутыми монокристаллами. Препринт ЛИЯФ-278, Ленинград, 1986, 40 с.

12. А. М. Таратин. Каналирование частиц в изогнутом кристалле. Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра, 1998, т.29, вып.5, с. 1062-1118.

13. О. И. Сумбаев. Отражение у-излучения от изогнутых кварцевых пластин. ЖЭТФ, 1957, т.32, вып.6, с. 1276-1279.

14. О. И. Сумбаев. Некоторые вопросы теории кристалл-дифракционных у-спектрометров. ПТЭ, 1958, №3 с.27-31.

15. О. И. Сумбаев. Кристалл-дифракционные гамма-спектрометры. -М.: Госатомиздат, 1963. -111 с.

16. О. И. Сумбаев. Экспериментальное исследование эффекта упругой квазимозаичности. ЖЭТФ, 1968, т.54, с.1352-1360.

17. В. М. Самсонов. Изгиб пластины в фокусирующих кристалл-дифракционных рентгеновских и гамма спектрометрах. Препринт ЛИЯФ-278, Ленинград, 1976, 39 с.

18. В. М. Самсонов, Е.Г. Лапин. О нескольких возможностях и особенностях использования изогнутого кристалла в кристалл-дифракционных приборах. Препринт ЛИЯФ-5 87, Ленинград, 1980, 23 с.

19. Ю. М. Иванов и др. Наблюдение эффекта упругой квазимозаичности в изогнутых монокристаллах кремния. Письма в ЖЭТФ, 2005, т.81, вып.З, с.129-132.

20. М. Krish, et al. Study of dynamically bent ciystals for X-ray focusing optics. Nucl. Instr. and Meth.A, 1991, v.305, p.208-213.

21. R. M. Barnett et al. Review of Particle Physics Phys Rev D, 1996, v.54, N1 p.1-708.

22. Yu. Galaktionov et al. The parallel plate chamber as a detector for fast, radiation resistive calorimetry. Nucl. Instr. and Meth. A, 1992, v.317, рЛ 16122.

23. A. Arefiev et al. Parallel plate chambers: a fast detector for ionizing particles. Nucl. Instr. and Meth. A, 1994, v.348, p.318-323.

24. A. Arefiev et al. Parallel plate chambers, a fast detector for supercollider experiments. Nucl. Phys. B, Proc. Suppl., 1993, v.32, p.223-229.

25. A. Ferrando et al. CMS Technical Note TN/92-23, 1992.

26. A. Arefiev et al. RD5 Technical Note TN/92-04, 1992.

27. V. Akimov et al. The "Lambdameter" detector. Nucl. Instr. and Meth. A, 1994, v.343, p.421-427.

28. A. Arefiev et al. CERN PPE/93-82, 1993.

29. The Parallel Plate Chambers Collaboration, CMS Technical Note TN/94-159, 1994.

30. A. Arefiev et al. Electron beam test of an iron/gas calorimeter based on ceramic parallel plate chambers. Nucl. Instr. and Meth.A, 1996, v.376, p.163-173.

31. Г. Ретер. Электронные лавины и пробои в газах. -М.: Мир, 1968.-390с.

32. Б. Росси, Г, Штауб. Ионизационные камеры и счётчики. -М.: Иностранной Литературы, 1951 -240с.

33. С. И. Воробьёв, и др. Плоскопараллельная камера как детектор остановок мюонов для активной мишени проекта ФАМИЛОН. ПТЭ, 2005, N5, с.29-35.

34. В. Г. Ивочкин, и др. Создание активной мишени для «поверхностных» мюонов на основе плоскопараллельной камеры. Препринт ПИЯФ-2507, Гатчина, 2003, 13 с.

35. Ивченко Г. И. Математическая статистика / Г. И. Ивченко, Ю.И. Медведев. -М.: Высшая школа, 1984. -248с.

36. Л. Закс. Статистическое оценивание. -М.: Статистика, 1976. —598с.

37. М. Дж. Кендалл, А. Стюарт. Теория распределения. —М.: Наука, 1966. — 588с.