Нурушев Введение в поляризационную 2007

эмиттанса. В сочетании с бустером этот метод позволяет накопить желаемую интенсивность. Разумеется, необходимо оптимальным способом осуществить “обдирание” отрицательных ионов перед инжекцией в бустер.

Источник поляризованного атомного пучка (ИПАП) ИЯИ РАН производит импульсные пучки поляризованных положительных и отрицательных ионов водорода. В этом источнике для получения поляризованных ионов водорода впервые использовалась зарядово-обменная реакция между термальными поляризованными атомами водорода и ионами дейтерия в дейтериевой плазме. Источник дает поляризованный пучок ионов H+ с

током в импульсе 6 мА и поляризацией 85 % [Belov (1987), Belov (1990)].

Чтобы получить в том же источнике поляризованный пучок H–, дейтериевая плазма была обогащена ионами D– путем применения специально сконструированного устройства с поверхностно-плазменным конвертором на парах цезия Cs.

Схема источника поляризованных ионов водорода показана на рис. 1. Пучок молекул водорода поступает слева в диссоциатор. В диссоциаторе под действием СВЧ-разряда молекулы распадаются на нейтральные атомы водорода H0. Атомы H0 через охлаждаемое азотом сопло проходят в коллиматор и поступают в разделительный шестиполюсный (секступольный) магнит, разделяющий атомы по электронному спину. После магнита расположен масс-спектрометр, определяющий состав пучка. В следующем секступольном магните происходит фокусировка атомов. После этого магнита поляризованные по электронному спину атомы поступают в область слабого магнитного поля с СВЧ-перекачкой электронной поляризации в ядерную поляризацию. Детали этого участка источника подробно описаны в работе [Belov (1987)]. После этого атомы попадают в ионизатор. Зарядово-обменная область находится внутри соленоида, создающего магнитное поле в 1,3 кГс. Слева в соленоид поступает поляризованный по ядерному спину атомарный водород, а справа – отрицательные ионы дейтерия D-. Происходит зарядово-обменная реакция

r	→ D0	r	(1)
D− + H0		+ H− .

Предложение об использовании этой реакции для получения поляризованных отрицательных ионов H– было сделано В. Хэберли в работе [Haeberli (1968)]. Сечение этой реакции при энергии D– 10 эВ составляет 10–14 см2 [Hummer (1960)]. Поляризованные ионы H– оказываются ограниченными в своем движении в радиальном направлении полем соленоида. Они вытягиваются назад электрическим полем системы вывода (на рис. 1 отмечены как электроды вывода) и ускоряются до 20 кэВ. Вместе с ними также вытягиваются ионы D– и электроны. В отклоняющем магнитном

361

поле они разделяются благодаря разнице в импульсах. Ионы H– магнитным полем отклоняются на угол 100° и выводятся из области источника наружу. Интенсивность пучка H– измерялась цилиндром Фарадея. Эмиттанс пучка измерялся методом двух щелей, описанным в работе [Belov (1994)]. Поляризация ионов H– измерялась поляриметром низкой энергии, основанном на эффекте лэмбовского сдвига. В этом методе поляризован-

ные протоны нейтрализуются и возникают метастабильные Lα и Lβ со-

стояния. Состояние Lβ имеет очень короткое время жизни, а Lα живет

долго и измеряется заселенность этого состояния. Поскольку в данном случае мы имеем дело с ионами H–, то их надо конвертировать в протоны. Это делается с помощью гелиевой ячейки, размещенной перед поляриметром (рис. 1). Плотность гелия в ячейке составляет всего 1014 см-2. При такой плотности вероятность двойной перезарядки H–→H+ составляет около 0,5 %. Но этого достаточно для проведения измерений. После получения поляризованных протонов с помощью гелиевой ячейки протоны отклонялись электростатическим дефлектором в поляриметр. Измеренная поляризация оказалась равной 87±2 %. При этом предпологается, что в процессе перезарядки потери поляризации не происходит.

Рис. 1. Схема источника поляризованного атомного пучка ИЯИ РАН

362

Особенностью импульсного источника поляризованных ионов водорода ИЯИ РАН является получение поляризованных ионов перезарядкой поляризованных атомов в плазме:

H0	↑ +D+ → H+ ↑ +D0 ;	(2)
H0	↑ +D− → H− ↑ +D0 .	(3)

Вплазме энергия сталкивающихся частиц составляет ~ 10 эВ, и для таких энергий сечение реакции (2) равно 5 10–15 см2, а сечение реакции (3)

–10–14 см2. Такие большие сечения реакции перезарядки позволяют достичь высокой эффективности перезарядки нейтральных атомов водорода и высокой интенсивности поляризованных ионов водорода.

ВИЯИ РАН в 1986 г. был разработан источник поляризованных протонов со следующими параметрами:

•импульсный ток пучка поляризованных протонов составил 6 мА со свободным атомарным пучком и 11 мА с накопительной ячейкой в ионизаторе;

•нормализованный эмиттанс составил 1,7 π мм мрад со свободным атомарным пучком и 1 π мм мрад с накопительной ячейкой в ионизаторе;

•длительность импульса составила 100 мкс;

•частота повторения импульсов – 1 – 10 Гц;

•степень поляризации 80 – 90 %.

Были получены следующие параметры пучка поляризованных атомов водорода:

•импульсная интенсивность пучка – 2 10 17 ат/ cм2 с;

•наиболее вероятная скорость атомов – 2 10 5 см/с (охлаждение жид-

ким азотом).

Поляризованные отрицательные ионы водорода очень полезны при инжекции в ускорители, так как позволяют увеличить интенсивность циркулирующего пучка в несколько раз.

Чтобы получать поляризованные отрицательные ионы, надо генерировать в плазменном перезарядном ионизаторе плазму, обогащенную отрицательными неполяризованными ионами D– [Belov (1987)].

В 1990 г. в ИЯИ РАН был разработан источник неполяризованных ионов D– с током 2 мкА из источника плазмы без конвертора. В 1993 г. ток был увеличен до 1,2 мА неполяризованных ионов D–, был создан конвертор плазмы с использованием паров Cs для “включения” поверхностноплазменного метода генерации отрицательных ионов. Затем в 1996 г. был получен ток неполяризованных ионов D– в 11 мА благодаря размещению конвертора плазмы на входе в соленоид ионизатора. Создание дугового двухступенчатого конвертора позволило достичь тока более 60 (до 90) мА

363

в 2001 г. На базе этих разработок были улучшены параметры источника отрицательных поляризованных ионов водорода:

•импульсный ток пучка ионов H–↑ – 3,8 мА;

•импульсный ток пучка неполяризованных ионов D–: – 60 мА (до

90 мА);

•степень поляризации – 85 – 90 %;

•нормализованный эмиттанс – 1,7 π мм мрад;

•длительность импульса – 170 мкс;

•частота повторения импульсов – 1 – 10 Гц.

Рис. 2. Осциллограмма импульса тока ионов H–↑ из источника поляризованных ионов ИЯИ РАН: масштаб по вертикали – 1 мА/дел; по горизонтали – 50 мкс/дел

Рис. 3. Осциллограмма импульса тока ионов H–↑ и тока неполяризованных ионов D– (нижний импульс) из источника поляризованных ионов ИЯИ РАН: масштаб по горизонтали – 50 мкс/дел

364

§45.2. Источник поляризованных ионов IUCF – CIPIOS

Источник CIPIOS (Cooler Injector Polarized IОn Source) предназначен для генерации поляризованных и неполяризованных ионов H– и D–. Он был создан в 1999 г. в сотрудничестве IUCF (Indiana University Cooling Facility) и ИЯИ РАН.

Неполяризованные ионы H– и D– генерируются в плазменном ионизаторе при подаче в источник плазмы водорода или дейтерия соответственно. Для получения поляризованных ионов D– в диссоциатор источника подается дейтерий, а в источник плазмы ионизатора – водород и используется реакция:

D0 ↑ +H− → D− ↑ +H0 .

(4)

В отличие от источника ИЯИ РАН в CIPIOS используются шестиполюсные магниты (секступоли), изготовленные из постоянных магнитов с индукцией магнитного поля 1,4 Тл. Это позволило добиться лучшей фокусировки атомарного пучка и уменьшить эмиттанс поляризованного пучка, что было важно для инжекции поляризованных ионов в RFQ (Radio Frequency Quadrupole). Для охлаждения атомов в диссоциаторе используется криогенератор. В CIPIOS используется схема поляризации дейтронов с двумя шестиполюсными магнитами и тремя ВЧ-переходами, которая позволяет получать векторную поляризацию ± 1 и тензорную поляризацию +1, –2. Направление поляризации в пучке, извлеченном из источника, ориентировано по вертикали и для ионов H−↑, и для ионов D−↑.

Были получены следующие характеристики источника отрицательных поляризованных ионов водорода IUCF (CIPIOS):

•импульсный ток пучка поляризованных ионов H–↑ (D–↑) – 1,8 (2) мА.

•импульсный ток пучка неполяризованных ионов H– (D–) – 40 (30) мА.

•степень поляризации H–↑ – 80 – 85 %;

•степень поляризации D– см. табл. 1;

•нормализованный эмиттанс H–↑ (D–↑): 1,2 π мм мрад;

•длительность импульса – до 500 мкс;

•частота повторения импульсов: 1 – 4 Гц;

•в CIPIOS была получена долговременная стабильность интенсивности

иполяризации. Поляризация была постоянна в течение сеансов работы ускорителя длительностью ~ 1000 ч;

•высокая надежность работы CIPIOS. Он работал без персонала с автоматизированной системой управления в течение ~ 1000 ч.

365

						Таблица 1
	Результаты измерения поляризации D– в IUCF
Состояние		Ожид. Pz	Измер. Pz	Ожид. Pzz		Измер. Pzz
+ вектор		+1	0,909	+1		0,891
– вектор		–1	–0,684	+1		0,695
+ тензор		0	0,003	+1		0, 875
– тензор		0	–0,020	–2		–1,591

Список литературы

Belov A.S. et al. Nucl. Instr. Meth. A255 (1987) 442.

Belov A.S. et al. Proc. Of Int. Workshop on Polarized Ion Sources and Polarized Gaz Jets. KEK Report 90-15, (1990) 69.

Belov A.S. et al. Instr. and Experimental Techniques 37 (1994) 131.

Belov A.S. et al. Труды VI Рабочего совещания по спиновым явлениям в физике высоких энергий, Протвино, т. 2 (1995) 115.

Derenchuk V.P. In: Proc. of 15th Int. Spin Physics Symp., Upton, New York, AIP 675 (2002) 887.

Haeberli W. Nucl. Instr. Meth. 62 (1968) 355. Hummer D.G. et al. Phys. Rev. 119 (1960) 668.

§46. Поляризованный ионный источник с оптической накачкой (OPPIS)

В 2000 г. в Брукхейвенской Национальной Лаборатории (США) заработал крупнейший в мире и пока единственный поляризованный протон-

ный коллайдер RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) с плановой энергией в с.ц.м. s = 500 ГэВ. При этой энергии коллайдер должен иметь свети-

мость L = 2 1032 см–2 с–1 и поляризацию 70 %. При проектных параметрах коллайдер должен иметь 120 сгустков (банчей). При этом поляризация каждого банча задается по определенной программе. В качестве инжектора поляризованных частиц используется источник ПИИОН, разработанный сотрудничеством физиков из БНЛ, ИЯИ РАН, LAMPF, TRIUMF, KEK. [Zelenski (2002)]. Для достижения необходимой светимости каждый банч должен содержать 2 1011 поляризованных протонов. Для этого с учетом потерь пучка при его транспортировке источник должен производить не менее 1012 поляризованных ионов H–, что соответствует интегралу импульса тока 150 мА мксек. Этому условию удовлетворяют параметры источника с током 0,5 мА и длительностью 300 мкс.

366

С целью увеличения фазовой плотности пучка сейчас используется многооборотная инжекция пучка в бустер. При этом удается сжать в один банч 5 1011 протонов, ускорить в бустере до 1,5 ГэВ и затем инжектиро-

вать в ускоритель AGS (Alternating Gradient Synchrotron). Цикл AGS со-

ставляет 3 – 5 с, источник же работает с частотой 1 Гц, и дополнительные циклы используются для диагностических целей, например, для измерения поляризации пучка.

Схема источника с оптической накачкой поляризации, используемого на RHIC, показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема источника поляризованных H– с оптической накачкой установки

RHIC. ECR (Electron Cyclotron Resonance) – плазменный источник протонов, ла-

зерный пробник служит для измерения толщины и поляризации паров Rb по фарадеевскому вращению плоскости поляризации (луч вводится слева через окно в ECR); внутри сверхпроводящего соленоида находятся ECR, ячейка Rb, зона Sonaперехода; струйный ионизатор на парах Na находится в поле; LP – лазер для оптической накачки отдельного соленоида

Сверхпроводящий соленоид состоит из трех обмоток, имеющих независимые источники питания. Это сделано с целью создания необходимой конфигурации продольного магнитного поля вдоль трассы пучка. Ионизатор на базе электронного циклотронного резонанса (ЭЦР или ECR) работает на частоте 29,2 Ггц и требует магнитного поля 10 кГс. Водородная плазма, образованная в ЭЦР-разряде, содержит высокий процент протонов ( 90 %). Вытягивание протонов из области ЭЦР и их формирование происходит с помощью трехсеточной многоапертурной ионно-оптической системы (ИОС). ИОС находится в начале стола с максимальным магнитным полем 27 кГс. Длина этого магнитного стола составляет около 30 см.

367

Как раз весь этот стол занимает ячейка с оптически ориентированными парами рубидия. Расстояние между сетками ИОС и началом рубидиевой Rb-ячейки составляет около 3 см. Сверхпроводящий соленоид может перемещаться по отношению к ЭЦР и Rb-ячейке с целью оптимизации параметров источника, так же как и для ремонтно-профилактических работ. На выходе Rb-ячейки установлены отклоняющие пластины из четырех трубок из нержавеющей стали диаметром 5 мм. Это улучшило вакуумную откачку и позволило отказаться от водяного охлаждения, так как теперь протоны сквозь отклоняющую систему попадают прямо на охлаждаемый водой экран.

После отклоняющих пластин нейтральный поляризованный по спину электрона атомарный водород попадает в так называемую область Sоnaперехода (по фамилии изобретателя метода). В этой зоне происходит передача поляризации от электрона к протону. При тщательной настройке положения точки перехода и градиента магнитного поля в этой зоне можно достичь 100 % эффективности передачи поляризации. Смену знака поля необходимо проводить при малых градиентах поля. Для этого область Sona-перехода заключается в экран в виде трубки из мягкого железа диаметром 50 мм и длиной 155 мм. Снаружи экрана устанавливается катушка диаметром 600 мм. Поле катушки направлено противоположно полю сверхпроводящего соленоида. Это сделано по двум причинам. Вопервых, можно немного смещать точку перехода магнитного поля через нуль. Во-вторых, можно с помощью поля катушки уменьшить градиент магнитного поля в месте Sona-перехода. Например, при токе катушки 100 А положение точки перехода переместилось на 8 см против движения атомного пучка и уменьшился градиент магнитного поля (с учетом эффекта магнитного экрана) до величины dz ⁄ dz < 0,2 Гс⁄см. Именно такие условия позволяют достичь теоретически 100 % передачи поляризации от электрона протону. Катушка коррекции одновременно подавила остаточное поле сверхпроводящего соленоида в месте расположения ионизатора, что позволило значительно уменьшить ток разряда в высоковольтном поле экстрактора.

После Sona-области уже в основном поляризованные по ядерному спину атомы водорода попадают в ионизатор, где они, рассеиваясь на парах натрия, преобразуются в ионы H–. Ионизатор находится в магнитном поле 0,15 Тл с тем, чтобы избежать деполяризации атомов из-за сверхтонкого взаимодействия. При выбранном поле такая деполяризация должна быть меньше 2,5 %. Однако такое поле приводит к увеличению эмиттанса поляризованного пучка H– на выходе из ионизатора. Приращение эмиттанса можно оценить из соотношения

∆εn ≈1,6πBR2 ,	(1)
368

где B – магнитное поле в Тл, R – радиус ячейки ионизатора в см. Ненормализованный эмиттанс сосчитан для энергии атомного пучка 3 кэВ. Подставляя численные значения параметров в формулу (1), находим

∆εn ≈ 0,2π см мрад.

(2)

Эмиттанс пучка поляризованных атомов водорода, поступающих в

ячейку ионизатора с диаметром 2 см, составляет всего 0,02π см мрад и практически не влияет на конечный эмиттанс, определяемый формулой

(2). После ионизатора пучок H– попадает в СВЧ-квадруполь, имеющий аксептанс 0,2π см мрад (рис. 2).

Рис. 2. Схема инжекции поляризованных ионов H– в линейный ускоритель LINAC на 200 МэВ: OPPIS – поляризованный ионный источник с оптической накачкой (ПИИОН), SCS – сверхпроводящий соленоид, M1 и M2 – отклоняющие магниты, LSP – поляриметр на основе лэмбовского сдвига, optics box – помещение для лазерной установки, обеспечивающей накачку паров Rb; лазерный луч отсюда юстируется на ось пучка; SP – соленоид для поворота поляризации из горизонтального в вертикальное положение; H-source – сильноточный источник неполяризованных ионов H–, RFQ – СВЧ-квадруполь, Na-Jet – струйный Na-ионизатор

Следовательно, эти параметры практически согласованы.

Отметим при этом, что значительная часть нейтрального пучка (около 70 %) на входе в ионизатор теряется из-за его большого размера.

Для повышения надежности при длительной работе геометрия струйной мишени-ионизатора была изменена из горизонтальной в вертикальную (рис. 3).

369

Рис. 3. Na-ионизатор с вертикальной геометрией. К ионизатору приложено напряжение 35 кВ для ускорения ионов H– до 35 кэВ и их последующей инжекции в СВЧ-квадруполь

При этом сопло размещалось на крышке коллектора. Были применены новые нагреватели из инконеля (специальный сплав) диаметром 2,5 мм. Этот нагреватель в нижней части соединяется с втулкой через никелевую проволоку большого диаметра и длиной 25 см. В результате рабочая температура инконелевых нагревателей понизилась до 120 °С, и соответственно их можно было просто обмотать медной фольгой вместо пайки, как было раньше. Так удалось увеличить их надежность в работе. При рабочей температуре 500 °С наиболее горячие точки нагревателей не превышали допустимой температуры 120 °С. Температура коллектора поддерживалась в пределах 140±10 °С путем охлаждения обычной водой из системы циркуляционного водоохлаждения источника. Специальные меры по уплотнению соединений возвратной транспортной трубки с коллектором с одной стороны и с резервуаром для Na с другой сильно уменьшили нагрев этой трубки. Были выполнены измерения выхода ионов H– из ячейки в зависимости от температуры ионизатора для Na и Rb. Эти измерения показали, что выход H– достигает насыщения при достижении температуры в 350 °С для Rb и 500 °С для Na. Для Rb выход H– увеличивается с уменьшением энергии атомного пучка и при энергии в 1 кэВ составляет 16 %.

Измерение поляризации пучка на выходе из источника выполняется с помощью поляриметра лэмбовского типа (рис. 4).

370