Высокоинтенсивный источник поляризованных атомов дейтерия/водорода для ядерных экспериментов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Шестаков, Юрий Владимирович

• Шестаков, Юрий Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Шестаков, Юрий Владимирович

Введение

1 Методы получения поляризованных атомов

1.1 Описание спинового состояния системы.

1.2 Поляризованные твердые мишени.

1.3 Поляризованные газовые мишени.

2 Поляризованная газовая мишень на ВЭПП

2.1 Ускорительно-накопительный комплекс ВЭПП-3.

2.2 Общий вид установки на ВЭПП-3.

2.3 Накопительная ячейка.

3 Источник поляризованных атомов (ИПА)

3.1 Принцип работы ИПА.

3.2 Диссоциатор источника. Определение параметров струи атомов

3.3 Магнитная система источника.

3.4 Блоки высокочастотных переходов.

3.4.1 Расчёт параметров блока ВЧ переходов по методу фиктивного спина.

3.4.2 Компьютерное моделирование блоков ВЧ переходов.

3.4.3 Измерение эффективности работы блоков ВЧ переходов.

3.5 Результаты измерения интенсивности источника.

4 Поляризационный эксперимент на ВЭПП

4.1 Упругое рассеяние электронов на поляризованных дейтронах.

4.2 Постановка эксперимента. Результаты измерений

5 Получение поляризованных атомов водорода 90 Заключение 94 Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Высокоинтенсивный источник поляризованных атомов дейтерия/водорода для ядерных экспериментов»

Изучение рассеяния электронов на ядрах является важнейшим источником получения сведений о структуре ядер. Изучение процесса упругого рассеяния электронов позволяет получать данные о размерах ядер, распределении зарядовой плотности внутри них и о других характеристиках ядер, находящихся в основном состоянии. Изучение неупругого рассеяния электронов даёт важные сведения о динамических свойствах ядер: изучаются энергии возбуждённых уровней, их ширины, распределение нуклонов или других частиц по импульсам и т.д.

Особый интерес представляют эксперименты, в которых в качестве мишени используются поляризованные ядра. Данные эксперименты позволяют получать информацию о спиновой структуре ядерного взаимодействия, недоступную в неполяризационных экспериментах.

В Институте ядерной физики им. Будкера впервые была успешно применена методика внутренних мишеней в накопителях заряженных частиц для проведения ядерно-физических экспериментов. Особое место занимают эксперименты с использованием поляризованных газовых гелиевых, дейтериевых и водородных внутренних мишеней, в которых наиболее полно проявляются преимущества данной методики [1,2,3]. Эти мишени обладают рядом ценных качеств, таких как высокая степень поляризации, чистота, сравнительная простота и мобильность управления поляризацией и др. Развитие источников поляризованных атомов и внедрение техники накопительных ячеек позволило в последнее время радикально увеличить толщину таких мишеней [4,5,6].

Ниже описана поляризованная мишень, где в источнике поляризованных атомов для формирования атомного пучка применены сверхпроводящие шестиполюсные магниты с полями, существенно превышающими поля постоянных магнитов, обычно применяемых в настоящее время в источниках [5,6]. Применение сверхпроводящих магнитов позволяет увеличить аксептанс магнитной системы, который пропорционален величине магнитного поля на полюсах магнитов и увеличить тем самым поток атомов, производимых источником. При этом толщина газовой мишени увеличивается. Кроме того, внутренняя поверхность магнитов, охлаждаемых жидким гелием для получения сверхпроводимости, имеет низкую температуру 4.2К) и выполняет роль крионасоса, обеспечивая удовлетворительные вакуумные условия на пути следования поляризованных атомов.

Описываемый здесь источник поляризованных атомов применялся, а также будет применяться, в ядерных экспериментах на электронном накопителе ВЭПП-3. В частности, он был использован в эксперименте по разделению формфакторов дейтрона [4]. Кроме того его планируется использовать для абсолютного измерения поляризации электронного пучка ВЭПП-3 [7]. С помощью данного источника можно проводить абсолютные измерения поляризации протонного пучка высокой энергии [8]. В этом случае предполагается применить водородную мишень с поляризацией атомных электронов и использовать для поляриметрии хорошо известный процесс упругого (ре)-рассеяния.

Цель работы состояла в разработке и создании источника поляризованных атомов дейтерия на основе сверхпроводящих магнитов; всесторонних стендовых испытаниях как отдельных его элементов, так и всего источника как целого; использовании источника поляризованных атомов в ядерных экспериментах на электронном накопителе ВЭПП-3.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка используемой литературы.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Шестаков, Юрий Владимирович

Заключение

В представленной работе были получены следующие основные результаты:

1. Создан источник поляризованных атомов дейтерия на основе сверхпроводящих шестиполюсных магнитов. Интенсивность данного источника является рекордной (8.2-10 ы am/сек).

2. Создана компьютерная программа, вычисляющая методом Монте-Карло интенсивность поляризованных атомов на выходе источника для произвольной геометрии его магнитной системы. Использование данной программы позволило выбрать оптимальную геометрию магнитной системы источника, при которой достигается максимальная интенсивность поляризованных атомов.

3. Создана компьютерная программа, вычисляющая эффективность высокочастотных переходов между энергетическими состояниями дейтерия в зависимости от параметров блока ВЧ переходов. Использование данной программы позволило выбрать такие параметры блоков ВЧ переходов, при которых достигается максимальная ядерная поляризация.

4. Разработан и опробован ряд методик для определения параметров пучка атомов, вытекающих из сопла диссоциатора. Основных параметров пучка атомов (угловое распределение и распределение по скоростям), измеренные на начальном этапе создания источника, использовались при компьютерном моделировании источника и позволили выбрать его оптимальную геометрию.

5. Проведён эксперимент по упругому рассеянию электронов на поляризованной дейтериевой мишени. Использование высокоинтенсивного источника поляризованных атомов дейтерия позволило набрать статистический материал, превышающий более чем на порядок по объёму результаты предыдущих экспериментов на ВЭПП-3.

Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в физических журналах, доложены на ряде международных конференций и обсуждались автором на Международном симпозиуме по спиновым явлениям в физике высоких энергий (Протвино - 1995 г.), Гордоновских конференциях по фотоядерным реакциям (Тилтон, США - 1996 г., 1998 г.). Кроме того, результаты работы неоднократно докладывались и обсуждались автором на научных семинарах в ведущих отечественных и зарубежных центрах, таких как ИЯФ СО РАН (г.Новосибирск), Аргоннская Национальная Лаборатория (г.Чикаго, США), BATES (г.Бостон, США), университет штата Висконсин (г.Мэдисон, США), университет штата Иллиноис (г.Урбана, США), Брукхевенская Национальная Лаборатория (г.Аптон, США).

Результаты исследований, приведённых в диссертации, могут быть использованы при проектировании, создании и эксплуатации источников поляризованных атомов дейтерия и водорода как для создания внутренних поляризованных мишеней, так и в создании высокоинтенсивных источников поляризованных ионов в различных научных центрах России и за рубежом, в частности, в Институте ядерной физики им. Будкера СО РАН (г.Новосибирск), Объединенном институте ядерных исследований (г.Дубна), Институте ядерных исследований (г.Москва), в центрах DESY (г.Гамбург, Германия), COSY (г.Юлих, Германия), NIKHEF (г.Амстердам, Голландия), IUCF (г.Блумингтон, США), BATES (г.Бостон, США), BNL (г.Аптон, США) и других лабораториях, ведущих эксперименты по ядерной физике и физике элементарных частиц.

В заключении, пользуясь представившейся возможностью, я хочу выразить искреннюю благодарность своему научному руководителю Д.К.Топоркову за постоянное внимание, терпеливое руководство и неоценимую помощь в работе.

Я очень признателен Д.М.Николенко, И.А.Рачеку, Л.М.Баркову, Б.И.Лазаренко, В.Ф.Дмитриеву, Б.И.Хазину, В.Н.Стибунову, С.А.Зевакову, М.В.Дюгу за многочисленные полезные советы и обсуждения, помощь и поддержку.

Также я благодарен Р.Ш.Садыкову и всем лаборантам группы "Дейтон" за помощь при изготовлении и наладке экспериментальной аппаратуры.

Наконец, я благодарю коллектив ускорительного комплекса ВЭПП-3 за обеспечение работы комплекса во время проведения экспериментов с поляризованной дейте-риевой мишенью.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Шестаков, Юрий Владимирович, 2003 год

1. С.Г.Попов, Внутренние мишени в накопителях заряженных частиц, Ядерная физика, том 62 No2 (1999) стр. 1-9.

2. E.C.Aschenauer et al., HERMES at the Turn of the Millennium, 14th Int. Spin Physics Symp. SPIN2000, Osaka, Japan. AIP Conference proceedings No 570, pp.2433.

3. F.Hinterberger et al., The NN interaction: new results from polarized PP scattering at COSY, Proc. 13th Int. Symp. on High Energy Spin Physics. Protvino, Russia, 1998. pp.362-364

4. R.Gilman et al., Measurement of Tensor Analyzing Power in Electron-Deuteron Elastic Scattering, Phys. Rev. Lett, v.65 (1990) 1733.

5. T.Wise, A.D.Roberts and W.Haeberli, A high-brightness source for polarized atomic hydrogen and deuterium, Nucl. Instr. and Meth. A 336 (1993) 410.

6. F.Stock et al., The FILTEX/HERMES polarized hydrogen atomic beam source, Nucl. Instr. and Meth. A 343 (1994) 334.

7. S.I.Mishnev et al., Application of Iternal Gas Target for Beam Polarization Measurement in the Electron Storage Ring, 14th Int. Spin Physics Symp. SPIN2000, Osaka, Japan. ABSTRACT BOOK, p.294.

8. D.M.Nikolenko,.Yu.V.Shestakov et al., The polarimeter for RHIC based on the elastic (pe)-scattering, Proc. 13th Int. Symp. on High Energy Spin Physics. Protvino, Russia, 1998. pp.541-543.

9. О.Ф.Немец, А.М.Ясногородский. Поляризационные исследования в ядерной физике. Киев, "Hayкова думка", 1980.

10. В.Ф.Дмитриев и др., Квадрупольный формфактор дейтрона (проект эксперимента в электронном накопителе), Препринт ИЯФ 76-85, Новосибирск, 1976.

11. S.I.Penttila, Development on dynamic nuclear polarized targets, Proceeding of the 9th International Workshop "Polarized sources and targets", World Scientific, pp.91102 (2002).

12. Stern O. and Gerlach W., Uber die Richtungsquantelung im Magnetfeld, Ann. Phys. Leipzig, 74 (1924) 673.

13. Breit G., Rabi I.I. Measurement of nuclear spin, Phys. Rev., 38 (1931) 2082.

14. Рамзей H., Молекулярные пучки. Издательство иностранной литературы. Москва 1960.

15. Yu.Shestakov et al., Possibility to obtain a high density polarized ortho-hydrogen gas target, Proc. of 13th Int. Sym. on High Energy Spin Physics. Protvino, Russia, World Scientific Publishing Company, Singapore 1999, p.415

16. V.G.Luppov et al., Status of the Michigan ultra-cold polarized hydrogen jet target, Proc. of the 9-th Int. Workshop "Polarized sources and targets", World Scientific, pp.32-36 (2002).

17. M.Poelker et al., High-density production of spin-polarized atomic hydrogen and deuterium, Phys. Rev. A 50/3, 2450 (1994).

18. M.V.Dyug,. Yu.V.Shestakov et al, Internal polarized deuterium target with cryogenic atomic beam source, Nucl. Instr. and Meth. A 495 (2002) 8.

19. C.Baumarten et al., The storage cell of the polarized H/D internal gas target of the HERMES experiment at HERA, Nucl. Instr. and Meth. A 496 (2003) 277.

20. Г.И.Будкер и др., Эксперименты с мишенью в электронном накопителе, Ядерная физика, 1967, Т.6, стр. 775.

21. С.А.Беломестных и др. Труды XI Всесоюз. конф. по ускорителям заряженных частиц. Дубна, 1989, Т.1, стр. 410.

22. V.F.Dmitriev et al., First measurement of the asymmetry in electron scattering by a jet target of polarized deuterium atoms, Phys. Lett. В 157 (1985) 143.

23. W.Haeberli, Free and Stored Atomic Beams as Internal Polarized Target, AIP Conf. Proc. No 128, 251 (1985).

24. M.A. Ross et al., Performance of a Polarized-Hydrogen Storage Cell Target, Nucl. Instr. and Meth. A344, 307 (1994).

25. Л.Н.Розанов, Вакуумные машины и установки. Издательство "Машиностроение". Ленинград 1975.

26. J.Stewart et al., The HERMES Polarized Hydrogen Internal Gas Target, AIP Conf. Proc. No. 421, 69 (1998).

27. F.Rathmann et al., The Wisconsin-IUCF Polarized Gas Target, AIP Conf. Proc. No. 421, 89 (1998).

28. M.Ferro-Luzzi et al., Polarized Deuterium Internal Target at AmPs (NIKHEF), AIP Conf. Proc. No. 421, 79 (1998)

29. P.Lenisa et al., The HERMES Polarized Internal Deuterium Gas Target, AIP Conf. Proc. No. 570, 851 (2000).

30. L.Young et al., Development of a polarized deuterium target by spin exchange with optically pumped K, Nucl. Instr. and Meth. В 24/25 (1987) 963;

31. S.I.Mishnev et al., Polarized deuteron target in an electron storage ring: measurements and perspectives, AIP Conf. Proc. No. 187, 1286 (1989).

32. R.Gilman et al., A polarized gas internal target using a storage cell in an electron storage ring, Nucl. Instr. and Meth. A 327, 277 (1993).

33. Дж. Андерсон, P. Андрее и Дж.Фен. В кн. Исследования с молекулярными пучками. Под ред. А.М.Бродского и В.Б.Леонаса. Издательство "Мир", 1969, стр.299.

34. Norbert Koch, A study on the Production of Intense Cold Atomic Beams for Polarized Hydrogen and Deuterium Targets, DESY-THESIS-1999-015, Hamburg, Germany (1999).

35. Lemonick A., Pipkin F.M. and Hamilton D.R., Focusing Atomic Beam Apparatus, The Review of Scientific Instruments v.26, No 12 (1955) p.1112.

36. Н.И.Троцюк, Фокусировка атомного пучка в поле шестиполюсной магнитной системы с учетом сферической аберрации, Журнал технической физики, том 39, No 4, (1969) 704.

37. Haeberli W., Sources of Polarized Ions, Annual Review of Nuclear Science v.17 (1967) 373.

38. L.G.Isaeva,.Yu.V.Shestakov et al, High field superconducting sextupole magnets, Nucl. Instr. and Meth. A 411 (1998) 201.

39. Н.И.Заика, А.В.Махнач, П.Л.Шмарин. Физика и техника поляризованных пучков ионов. Киев, 1987г., с.22.

40. Н.Рамзей. Молекулярные пучки. Москва, 1960г., с.128.

41. J.Stenger, K.Rith, Rate Equation Modelling of the optically pumped spin-exchange source, Nucl. Instr. and Meth. A 361 (1995) 60.

42. H.Hasuyama et al., Characteristics of cr-transitions in an atomic-beam polarized deuteron source, Nucl. Instr. and Meth. A207 (1983) 475.

43. H.C.Бахвалов. Численные методы. Часть 1. "Наука", Москва, 1975г., с.450.

44. A.N.Dubrovin. MERMAID, User Guide.

45. H.G.Robinson et al., RF cavity design and performacce for the tunl polarized ion source, Nucl. Instr. and Meth. A 278 (1989) 655.

46. Ю.В.Шестаков и др., Поляризованная газовая дейтериевая/водородная мишень для поляриметрии и экспериментов на накопителях, Препринт ИЯФ 2001-76, Новосибирск, 2001.

47. M.V.Dyug,.Yu.V.Shestakov et al, Status of the VEPP-3 polarized deuterium target, Proc. of the 8-th Int. Workshop "Polarized sources and targets". Editors: Andreas Gute, Stefan Lorenz, Erhard Steffens. Erlangen, Germany, 1999, p.188.

48. F. Stock et al., The FILTEX/HERMES polarized hydrogen atomic beam source, Nucl. Instr. and Meth. A 343 (1994) 334.

49. В.С.Троицкий. Длина свободного пробега молекул в молекулярном пучке, ЖЭТФ, Т.41, вып. 2(8), стр. 389.

50. D.Abbott et al., Measurement of Tensor Polarization in Elastic Electron-Deuteron Scattering at Large Momentum Transfer, Phys. Rev. Lett. 84 (2000) 5053.

51. V.F.Dmitriev et al., First measurement of the asymmetry in electron scattering by a jet target of polarized deuterium atoms, Phys. Lett. В 157 (1985) 143.

52. J.A.P.Theunissen et al., Design and performance of two CsI/NaI(Tl) calorimeters in an internal target detector setup, Nucl. Instr. and Meth. A 348 (1994) 61.

53. C.Baumgarten, The HERMES deuterium gas target, SPIN 2000, Osaka, Japan, 2000. Abstract book, p. 333.

54. D.M.Nikolenko,.Yu.V.Shestakov et al, Measurement of polarization observables in elastic and inelastic electron-deuteron scattering at the VEPP-3 storage ring, Nucl.Phys. A 684 (2001) 525c.

55. M.I.Haftel, L.Mathelitsch and H.F.K.Zingl, Electron-deuteron tensor polarization and the two-nucleon force, Phys. Rev. C22 (1980) 1285.

56. H.Arenhovel, F.Ritz and T.Wilbois, Elastic Electron Deuteron Scattering with Consistent Meson Exchange and Relativistic Contributions of Leading Order, Phys. Rev. C61 (2000) 034002.

57. R.B.Wiringa, V.G.J.Stoks and R.Schiavilla, Accurate nucleon-nucleon potential with charge-independence breaking, Phys. Rev. C51 (1995) 38.

58. D.R.Phillips, S.J.Wallace, and N.K.Devine, Electron deuteron scattering in a current conserving description of relativistic bound states, Phys. Rev. C58 (1998) 2261.

59. A.F.Krutov and V.E.Troitsky, private communication.

60. D.M.Nikolenko,.Yu.V.Shestakov et al., Measurement tensor analyzing power in elastic electron-deuteron scattering at momentum transfer range 8.4-21.6 fm~2, Phys. Rev. Lett. 90 (2003) 072501.

61. D.Abbott et al., Phenomenology of the Deuteron Electromagnetic Form Factors, Eur. Phys. J. A7 (2000) 421.

62. M.Gargon et al., Tensor polarization in elastic electron-deuteron scattering in the momentum transfer range 3.8-4.6 /га""1, Phys. Rev. C49 (1994) 2516.

63. Р.Хефер, Криовакуумная техника, Энергоатомиздат, (1983) стр. 114.