Нурушев Введение в поляризационную 2007

Рис. 1. Поляризованная струйная мишень установки RHIC

ВЧ-диссоциатор с регулируемой частотой

Предварительное охлаждение газа Магниты с шестью конусными полюсами

ВЧ-генераторы с высокой однородностью градиентов магнитного поля

Магнит мишени из двух катушек Гельмгольца

Он-лайн поляриметр Брейт-Раби

Детектор калибровочного ионного пучка

ИПАВ разделен на секции для откачки: 6 секций предусмотрены для источника атомного пучка, 3 – для поляриметра Брейт–Раби и 1 – для мишени (место пересечения пучка ускорителя со струей). Каждая секция обеспечена двумя насосами, за исключением первой секции, где используются три насоса. В результате в районе ТВ вакуум достиг величины 4 10–9 Торр при отсутствии струи и 1,4 10–8 Торр – при наличии струи. Эти цифры и некоторые параметры поляризованной струйной мишени представлены в табл. 1.

Важность высокого вакуума в районе ТВ можно видеть на следующем примере. В условиях RHIC вакуум составляет 1,4 10–8 Торр ~ 2 10–11 атм. Если учесть число Лошмидта 2,7 1019 мол/см3, то находим, что в кольце RHIC содержится 5,4 108 мол/см3. Это в основном молекулы азота N2, содержащие 28 нуклонов. Следовательно, концентрация фоновых нуклонов

351

от остаточного газа составляет 1,5 1010 нуклонов/см3. Плотность поляризованных протонов в струе 1,0 1012 протонов/см3. Отсюда можно ожидать фон на уровне 1%. Если же вакуум в кольце окажется на уровне 10–6 Торр, т.е. на два порядка ниже, чем в RHIC, то соотношение фона к сигналу ожидается на уровне 1:1. Это делает практически затруднительным, может быть, и невозможным, прямое применение источника RHIC.

Таблица 1

Параметры поляризованного пучка атомарного водорода установки

RHIC

Параметр	Значение	Комментарий
Поляризация, %	92,4±2
Плотность p/см2,1012	1,3±0,2
Размер пучка, мм	5,8	Полная ширина на по-
		лувысоте
Вакуум в ТВ (источник выключен), Торр	4 10–9	ТВ – точка взаимодей-
Вакуум в ТВ (источник включен), Торр	1,4 10–8	ствия
Поток атомов, атом⁄см2	1,24 1017
Магнитное поле B, Т	0,12	Вертикальное поле
Неоднородность ∆Β / Β	5 10–3
Плотность атомов в ТВ, атом⁄см3	1,0 1012
Плотность фонового молекулярного водо-	1,5 1010	Это молекулы из диссо-
рода, молекулы⁄см3		циатора

Следующий важный элемент ИПАВ – магнитное поле. Чтобы сохранить ядерную поляризацию, атомарный водород должен на своей трассе иметь адиабатически меняющееся магнитное поле, иначе он может деполяризоваться. Количественно это формулируется так, что в системе покоя атомарного водорода направление приложенного магнитного поля долж-

но меняться с частотой меньше 10–3 ω0, где ω0 – ларморова частота (γ0B). Это условие адиабатичности нарушалось магнитным полем двух соосных катушек, установленных в районе ТВ. Их назначение состоит, с одной стороны, в том, чтобы сохранить поляризацию атомарного водорода, а с другой, в том, чтобы свести к нулю поле на трассе протонов отдачи с малой (< 10 МэВ) энергией. Однако эти катушки привели к обнулению магнитного поля в двух местах вдоль трассы атомарного водорода. Чтобы скорректировать поля в этих местах, была применена магнитная экранировка железом. В конечном результате остаточная деполяризация была уменьшена до < 0,4 %. Надо заметить, что в RHIC источник находится на прямолинейном участке достаточно далеко от магнитов кольца, и эти поля во внимание не принимались.

352

Поляризация атомарного водорода измерялась поляриметром БрейтРаби буквально за одну минуту. Для этого отдельно настраивались ВЧпереходы в сильном поле (ПСП) и ВЧ-переходы в слабом (низком) поле (ПНП). Эти системы размещены как до области ТВ, так и после. Аппаратура для регистрации атомарного водорода имела большое усиление сигналов при низком шуме и хорошее заземление. Она работала с 1/3 атомарного пучка, прошедшего через ТВ-область. Обозначим через κ = N2/N1 отношение числа переходов в состояния |2> и |1>. Введем эффективности переходов в секступольных магнитах до области ТВ: в

(ПНП) как (1–ε1-3), в (ПСП) как (1–ε2-4). В секступольных магнитах поля-

риметра Брейт–Раби: в (ПНП) как (1–ε1-3), в (ПСП) как (1–ε2-4). Тогда находим поляризации пучков атомарного водорода

	P+ =		1+ κcos θ− 2κε2−4 cos θ	,
			1+ κ		(1)
	P− =		−1− κcos θ+ 2κε2−4 cos θ
					,
			1+ κ

где tg θ = Bc / B. Критическое поле равно Bc = 507 Гс для атома водорода, B – удерживающее поляризацию магнитное поле (катушки Гельмгольца на рис. 1). Измеренные в 2004 г. значения составили P+ = (95,7±0,1) % и

P- = –(95,7±0,1) %.

При обычном определении эффективностей ВЧ-переходов используются измерения со всеми возможными ВЧ-переходами. Затем решением полученных уравнений находятся заселенности соответствующих уровней. В данном поляриметре использовался другой подход. До ТВ-области обычно пропускают либо одно, либо другое состояние по спину. При этом шестиполюсные магниты поляриметра могут отклонить от детектора оба состояния по ядерному спину. Если пропустить в ТВ-область оба состояния и включить магниты, то в детектор попадут только неотклоненные атомы. Частота их появления оказалась 52 Гц. Если выключить ВЧпереходы, то в детектор попадают неполяризованные атомы с частотой 20900 Гц. Следовательно, эффективность ВЧ-переходов составляет 99,7 %. Измеренная поляризация мишени оказалась равной в среднем (92±2) %. [Nass (2004)]. При этом основную поправку в поляризацию вносил молекулярный водород, прошедший через ТВ и составлявший 1,5 % по весу от атомарного водорода. В табл. 1 указана поляризация уже с этой поправкой [Zelenski (2004)].

353

§44.2. Поляризованная газовая мишень с накопительной ячейкой установки HERMES (DESY)

В предыдущем параграфе были рассмотрены струйные поляризованные мишени, которые используются в качестве внутренних мишеней в ускорителях и коллайдерах. Отмечался ряд преимуществ, которые дает струйная поляризованная мишень по сравнению с твердотельными поляризованными мишенями. Однако некоторые важные физические задачи требуют использования более плотных газовых поляризованных мишеней. Приведем пару примеров таких задач. В SLAC и эксперименте HERMES на коллайдере HERA [Coulter (1990)] при измерении структурных спиновых функций протона и нейтрона потребовались именно газовые поляризованные мишени из водорода, дейтерия и гелия-3 с плотностью на уровне ≥ 1014 частиц/см2, в то время как струйные мишени имеют плотности ниже 1012 частиц/см2. Другая задача связана с проблемой создания поляризатора антипротонов или поляризующих фильтров [Dobeling (1985)]. Здесь тоже нужны большие плотности мишеней, чтобы достичь нужной светимости за приемлемое время.

Принцип построения поляризованной газовой мишени с накопительной ячейкой практически мало отличается от принципа создания струйной поляризованной мишени, описанной выше применительно к RHIC. Основное конструктивное отличие состоит в том, что в месте встречи поляризованного атомарного пучка с внутренним пучком (область ТВ) устанавливается накопительная ячейка – трубка длиной около 40 см, в которой атомарный водород скапливается с течением времени. Основные технические проблемы состоят в том, чтобы не потерять поляризацию мишени за счет увеличения числа столкновений атомов водорода со стенками накопительной трубки. Другая проблема возникает из-за увеличения плотности атомов на два порядка по сравнению со струйной мишенью. Как следствие этого, надо осуществить хорошую откачку области ТВ, чтобы не испортить вакуум в ускорителе [Nass (2003)]. Схема поляризованной мишени (с накопительной ячейкой), применяемой в настоящее время на установке HERMES, представлена на рис. 2.

Неполяризованный атомарный водород выходит из сопла диссоциатора и, двигаясь слева направо, попадает в секступольные магниты. [Baumgarten (2002a)]. В первом магните происходит сепарация атомов по электронному спину, а второй магнит фокусирует выбранный ядернополяризованный пучок в область ТВ. ВЧ-генераторы в сочетании с магнитами обеспечивают перевод электронной поляризации в ядерную поляризацию. Поляризованный по ядерному спину атомарный водород через трубку попадает в накопительную ячейку. Она представляет собой тонкостенную алюминиевую трубку эллиптического сечения 21 × 8,9 мм2 (см.

354

вставку на рис. 2) и длиной 40 см. Внутренняя поверхность трубки покрыта специальным составом (Drifilm), чтобы уменьшить эффект столкновения атомов со стенкой и тем самым уменьшить эффект деполяризации (∆PWD, WD – wall depolarization). Другими источниками деполяризации являются спин-обменные взаимодействия между атомами (∆PSE) и взаимодействие магнитного момента атома (электрона) с индуцированным полем пучка (∆PBI). Ячейка находится в продольном или поперечном магнитном поле. В сеансах 1997 – 2000 гг. было приложено продольное магнитное поле величиной 3,3 кГс, и создавалось оно сверхпроводящим соленоидом. В сеансах, начиная с 2001 г., использовалось удерживающее поперечное поле, создаваемое стандартным теплым диполем. Сверху (см. рис. 2) в ячейку накопления попадает электронный пучок с энергией ≈ 27 ГэВ и поляризацией около 60 %, описанный подробно в разделе “Поляризованные электронные пучки” (§41). Продукты взаимодействия двух пучков, электронного и водорода, регистрируются детекторами, расположенными по пучку. Основная задача эксперимента HERMES состоит в исследовании структурных спиновых функций нуклонов. Для этой цели регистрируются одновременно с глубоко неупруго рассеянными электронами и другие заряженные частицы, например, пара заряженных адронов. Такие реакции называются полу-инклюзивными. Все зарегистрированные частицы идентифицируются по сорту, энергии и углу вылета.

Справа к накопительной ячейке присоединена небольшого диаметра трубка (см. вставку на рисунке). Эта трубка позволяет отбирать часть поляризованного атомного пучка для анализа его массового состава с помощью анализатора газовой мишени (TAG на рисунке) [Baumgarten (2003)]. В другой раз отбирается такая же порция пучка для измерения его поляризации с помощью поляриметра Брейт–Раби (BRP на рис. 2) [Baumgarten (2002b)].

Есть несколько параметров, которые связывают среднюю поляризацию мишени PT с поляризацией Pa атомарного водорода [Lenisa (2004)]. Это – следующие параметры: αa – доля впрыснутого в ячейку атомарного водорода, αr – доля выживших атомов после столкновений со стенками

накопительной ячейки и β – доля поляризации молекул водорода от поляризации атомного пучка. Недавно было определено это число на основании данных сеанса 1997 г. с продольно-поляризованной мишенью. Оно

оказалось равным β = 0,64±0,19 [Airapetrian (2004)]. Итак, напишем соот-

ношение

PT = αa[αr + (1−αrβ)]Pa .

(2)

В табл. 2 просуммированы параметры мишеней разных сеансов на установке HERMES (FoM – фактор качества).

355

Рис. 2. Поляризованная газовая мишень с накопительной ячейкой установки HERMES. Показаны слева направо по направлению движения атомов водорода: сопло, секступоли с коническими полюсами, ВЧ-генераторы; они составляют элементы источника атомного пучка (на рисунке обозначен как ABS), Т-образную накопительную ячейку; сверху входит поляризованный электронный пучок с энергией около 27 ГэВ; видны катушки магнита, создающего удерживающее поляризацию магнитное поле; указан магнитный экран вокруг катушки; изображены масс-спектрометр (TGA), поляриметр Брейт–Раби (BRP), прерыватель пучка

Сравнение продольно-поляризованных водородных и дейтериевых мишеней приводит к следующим заключениям. При одинаковых удерживающих магнитных полях спиново-обменные процессы и процессы соударения со стенками накопительной ячейки для дейтерия подавлены по

отношению к водороду в соотношении (BcH / BcD )≈ 20 . Второй вывод со-

стоит в том, что положительные и отрицательные поляризации Pz для водорода практически совпадают, в то время как для дейтерия они заметно различаются. Это происходит потому, что в случае дейтерия больше спиновых степеней свободы и больше, соответственно, параметров.

Табл. 2 также показывает, что оптимальное условие работы мишени соблюдалось при работе с дейтериевой мишенью в 2000 г., когда выпол-

нялись условия ∆PWD (деполяризация за счет соударений со стенкой) =

= ∆PSE (спин-обменная деполяризация) = ∆PBI (деполяризация за счет пучка) = 0. Такой результат был обусловлен двумя причинами. Во-

356

первых, малым критическим магнитным полем, равным BcD = 117 Гс, в

отличие от случая протона, где BcH = 507 Гс. Во-вторых, благодаря лучшему покрытию поверхности накопительной ячейки. Эта процедура привела также к лучшей работе мишени H в сеансе 2002 г. по сравнению с

сеансом с H в 1997 г., как можно убедиться, сравнивая в табл. 2 эффекты деполяризации в этих двух сеансах.

Таблица 2

Параметры поляризованных газовых мишеней с накопительными ячейками установки HERMES, использованных в сеансах 1997, 2000 и 2002 гг.

Параметры	H (1997)	H (2002)	D (2000)
αa	0,960±0,010	0,918±0,032	0,919±0,026
αr	0,945±0,035	0,979±0,023	0,997±0,017
Pz+	0,908±0,016	0,859±0,032	0,927±0,017
–Pz-	0,908±0,016	0,859±0,032	0,915±0,010
–∆PSE	0,035	0,055	≤0,001
–∆PWD	0,02	0,055	Нет
–∆PBI	нет	0,015	Нет
P+	0,851±0,031	0,783±0,041	0,851±0,029
–P–	0,851±0,031	0,783±0,041	0,840±0,026
T (1014 нукл./cм2)	0,7	1,1	2,1
FoM (P2t), 1014 нукл.⁄ см2	0,5	0,67	1,5

Вто же время наметилась проблема. Если сравнить факторы качества,

атакже поляризации, то можно увидеть из табл. 2, что по обоим этим параметрам мишень сеанса 2002 г. уступает мишени сеанса 1997 г. Причина этой проблемы тоже понятна: это связано с тем, что плотность мишени в сеансе 2002 г. была выше, и, соответственно, усилились эффекты деполяризации за счет большего числа столкновений со стенками и за счет спи- ново-обменных процессов. Решение проблемы видится в том, чтобы с ростом плотности мишени увеличивать пропорционально удерживающее магнитное поле.

357

Заключение

Из изложенного материала можно заметить, что за последние 10 лет был сделан колоссальный скачок в деле создания газовых поляризованных мишеней. В сочетании с газовыми мишенями сегодня любой коллайдер может обеспечить параллельную работу двух типов экспериментов: коллайдерный эксперимент и эксперимент с фиксированной мишенью (ЭФМ). Это позволяет расширить доступный для экспериментов энергетический диапазон на коллайдерах. Другой важный результат этих разработок состоит в том, что благодаря чистоте (по содержанию поляризованных протонов) становятся доступными практически все одно- и двухспиновые инклюзивные эксперименты в моде фиксированной мишени. Эти два главных достижения в разработке поляризованных газовых мишеней (не говоря о других успехах) дают право сказать о замечательном достижении в поляризационой физике.

Список литературы

Ackerstaff K. et al. Nucl. Inst. Meth. A417 (1998) 230. Airapetrian A. et al. Eur. Phys. J. D29 (2004) 21. Akchurin N. et al. Phys. Rev. D48 (1993) 3026. Baumgarten C. Et al. Nucl. Inst. Meth. A496 (2002a) 263. Baumgarten C. et al. Nucl. Inst. Meth. A482 (2002b) 606. Baumgarten C. et al. Nucl. Inst. Meth. A508 (2003) 265.

Bravar A. In: Proc. 16th Int. Spin Physics Symp., Trieste, Italy (2004) 700. Coulter et al. Proposal DESY PRC-90/01 (1990).

Dobeling H. et al. Proposal cernpssc/85/80 (1985).

Lenisa P. In: Proc. 16th Int. Spin Physics Symp., Trieste, Italy (2004) 808. Nass A. et al. Nucl. Inst. Meth. A505 (2003) 633.

Nass A. et al. In: Proc. 16th Intern. Spin Physics Symp., Trieste, Italy (2004) 776.

Wise T. In: Proc. 16th Intern. Spin Physics Symp., Trieste, Italy (2004) 757. Zelenski A. et al. In: Proc. 16th Int. Spin Physics Symp., Trieste, Italy

(2004) 761.

358

Глава 3. Источники поляризованных ионов водорода для ускорителей/коллайдеров

Здесь мы рассматриваем общепринятые сегодня два типа источников поляризованных ионов водорода. Первый источник называется “источник поляризованных атомных пучков” (ИПАП) (английская аббревиатура –

PABS, Polarized Atomic Beam Source). В этом источнике сначала получа-

ются атомы, поляризованные по электронному спину способом ШтернаГерлаха с последующей СВЧ-накачкой ядерной поляризации. Другой источник называется “поляризованный ионный источник с оптической накачкой” (ПИИОН) (английская аббревиатура OPPIS – Optically Pumped Polarized Ion Source). Этот метод использует захват протонами поляризованных электронов из оптически ориентированных ядер и последующие применения спин-обменных и зарядово-обменных процессов с целью получения поляризованных протонов или отрицательно заряженных поляризованных ионов водорода.

Существенным этапом в развитии этих источников явились два предложения Е.К. Завойского [Завойский (1957а), Завойский (1957b)]. Первая идея, основанная на переносе поляризации электрона при его захвате протоном в перезарядной мишени, привела к созданию современных источников типа ПИИОН. Вторая его идея об использовании лэмбовского сдвига привела к созданию первых источников поляризованных ионов H- и D- типа ИПАП для большинства тандемных ускорителей. Вначале они также использовались как источники и на мезонных фабриках, но затем были заменены источниками типа ПИИОН [Зеленский (2003)].

Оба источника, ИПАП и ПИИОН, имеют три одинаковые по назначению устройства для получения поляризованного пучка. Первое устройство обеспечивает создание поляризованных по спину электрона атомов. Второе устройство необходимо для передачи поляризации электрона ядру, в данном случае протону. И, наконец, третье устройство обеспечивает ионизацию поляризованного по ядерному спину атома – для получения поляризованного протонного пучка или перезарядку – для создания пучка поляризованных отрицательных ионов водорода. Затем поляризованные протоны или ионы инжектируются в ускоритель. Очевидно, конечный результат по получению поляризованного пучка зависит от эффективной работы каждого из трех устройств.

Существенное отличие двух источников состоит в том, что источник ИПАП работает практически с тепловыми атомами (скорости 105 см/с), в то время как ПИИОН работает с относительно быстрыми пучками (энергии 3 – 8 кэВ, скорости 108 см/с). Эти различия могут привести к

359

отличным конечным результатам, как по интенсивности, так и по поляризации ионного пучка.

Перейдем к описанию источников ИПАП и ПИИОН последовательно. Эти два источника дают лучшие результаты по параметрам поляризованных пучков и являются конкурирующими.

Список литературы

Завойский Е.К. ЖЭТФ 32 (1957а) 408. Завойский Е.К. ЖЭТФ 32 (1957b) 731.

Зеленский А.Н. Диссертация на соискание ученой степени д.ф.-м.н., ИЯИ РАН, Москва, (2003).

§45. Источники поляризованных атомных пучков

Для инжекции в ускоритель в настоящее время используются либо поляризованные протоны, либо поляризованные отрицательные ионы водорода Н–. Соответственно, в источниках предусматриваются дополнительные узлы, как, например, секции для перезарядок. Ниже мы рассмотрим вкратце параметры новейших разработок:

1.Источник поляризованных ионов ИЯИ РАН [Belov (1995)].

2.Источник IUCF – CIPIOS [Derenchuk (2002)].

§45.1. Источник поляризованных ионов ИЯИ РАН

В середине 90-х гг. прошлого столетия в Московском институте ядерных исследований РАН был разработан поляризованный источник отрицательных атомов водорода с импульсным током до 1 мА, длительностью тока 180 мкс, поляризацией 87±2 % и с нормализованным эмиттансом

1,8π мм мрад, содержащим 90 % пучка. Такое достижение базировалось на ряде важных технических разработок, нашедших в дальнейшем широкое применение. Этот источник представляется весьма перспективным, и ниже опишем вкратце его особенности, следуя в основном работе [Belov (1995)].

Долгожданной мечтой специалистов по поляризационной физике было получение на ускорителях высоко поляризованных протонных пучков, не уступающих в то же время по интенсивности неполяризованным пучкам на тех же ускорителях. Оценки показывали, что для достижения этой цели нужно создать поляризованный импульсный источник отрицательных ионов водорода с током порядка 10 мА и длительностью импульса в пределах ~ 200 мкс в зависимости от ускорителя. Необходимость поляризованных ионов H– обусловлена возможностью применения многооборотной инжекции для увеличения интенсивности пучка и улучшения его

360