Нурушев Введение в поляризационную 2007

однореджеонным обменами, чтобы получить интерференционные эффекты.

Перейдем теперь к поляриметрии конкретных пучков.

	(а)		(б)
	протон	протон	протон	протон
	фотон		реджеон
	протон	протон
			протон	протон

Рис. 2. Упругое рассеяние с фотонным (а) и с реджеонным (б) обменами

(а)	протон	(б)
протон		протон	протон
фотон	пион	реджеон	пион
протон	протон	протон	протон

Рис. 3. Неупругое рассеяние с фотонным (а) и с реджеонным (б) обменами

Список литературы

SPIN Collaboration: Acceleration of polarized protons to 120 and 150 GeV in Fermilab main injector. University of Michigan Report, UM-HE 92-05 (1992).

§49. Поляриметрия протонных пучков

Для того чтобы охватить широкий диапазон по энергии, далее рассмотрим возможные протонные поляриметры применительно к ускорителю У-70 на 70 ГэВ ИФВЭ (Институт физики высоких энергий, Протвино, Россия) и используемые в настоящее время поляриметры на RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider, БНЛ, США). На примере первого ускорителя, параметры которого доступны, мы изложим схему расчета характеристик поляриметров. На примере второго ускорителя мы проиллюстрируем справедливость этих расчетов, учитывая, что в обоих случаях основные поляриметры практически будут одинаковы.

381

Предполагается, что поляризованный протонный пучок ускоряется в комплексе У-70 от 25 кэВ до 70 ГэВ (гл. 1 второй части книги). Источник выдает поляризованные отрицательные ионы водорода с энергией 25 кэВ, которые ускоряются до 100 кэВ и инжектируются в линейный ускоритель Урал-30. Затем происходит перезарядная инжекция протонного пучка с энергией 30 МэВ в Бустер-1,5, с выхода бустера протоны с энергией 1,5 ГэВ транспортируются и инжектируются в У-70. После ускорения поляризованного пучка протонов до 70 ГэВ он выводится из ускорителя быстрыми или/и медленными системами вывода пучка и распределяется по нескольким экспериментальным установкам с фиксированными мишенями. Главная цель этого раздела состоит в том, чтобы проанализировать возможные способы измерения поляризации пучка в соответствующих местах ускоряющей или транспортной цепочки.

В 1981 г. было предложено ускорять поляризованный протонный пучок в У-70, используя технику “сибирских змеек” [Ado (1983)]. В то время предложение не было принято. Теперь представляется, что пришло время возобновить эту программу, особенно после успешного ввода в действие

поляризованного пучка на RHIC с энергией s = 200 ГэВ и многообе-

щающего продвижения к конечной энергии RHIC s = 500 ГэВ [Mackay

(2004)]. На XI Рабочем cовещании по спиновой физике высоких энергий (Дубна, 2005 г.) эта тема подробно обсуждалась. Свои соображения относительно возможности ускорения поляризованного протонного пучка в синхротроне У-70 изложил Ю.М. Шатунов [Shatunov (2005)], относительно возможной поляризационной программы с использованием этого пучка выступил А.Н. Васильев [Vasiliev (2005)] и о поляриметрии рассказал С.Б. Нурушев [Nurushev (2005)]. Общий тон выступлений и обсуждений был положительным.

Ниже на основе работы [Nurushev (2005)] обсуждаются поляриметры, необходимые для измерения поляризаций протонов в области энергии

30 МэВ – 70 ГэВ.

Список литературы

Ado Yu. M. et al. Proc. 1st Int. Workshop on Polarization Phenomena in High Energy Physics, Protvino, USSR (1983) 121.

Shatunov Yu.M. In: Proc. 11th Workshop on High Energy Spin Physics, Dubna (2005) 531.

Vasiliev A.N. In: Proc. 11th Workshop on High Energy Spin Physics, Dubna (2005) 449.

Nurushev S.B. In: Proc. 11th Workshop on High Energy Spin Physics, Dubna (2005) 517.

382

§50. Ускорительный комплекс ИФВЭ У-70

Схема ускорительного комплекса для поляризованного протонного пучка с энергией до 70 ГэВ представлена на рис. 1.

8

		7
	2	1
PIBS		I.B.S.
		U70
U	3	6
AR
L		5
3
0	4
		U1.5

Рис. 1. Комплекс У-70: 1. Неполяризованный ионный источник; 2. Поляризованный ионный источник; 3. СВЧ Линак Урал-30; 4. Бустер-1,5; 5. Транспортный канал от U1,5 до U70; 6. Ускоритель U70; 7. Вывод и транспортировка пучка; 8. Общие и локальные поляриметры

На рис. 1 перечислены все элементы ускорительного комплекса, на выходе из которых планируются измерения поляризации пучка. Начинаем последовательное обсуждение.

§50.1. Поляриметр на 25 кэВ для источника атомного пучка

Источник поляризованного атомного пучка (ИПАП) (PABS) и поляризованный ионный источник с оптической накачкой (ПИИОН, OPPIS) были описаны в деталях в главе 3 второй части книги. В обоих случаях для измерения поляризации атомных пучков с энергиями 10 – 30 кэВ применялись поляриметры, основанные на лэмбовском сдвиге уровня атома водорода. Поляриметр работает следующим образом (см. рис. 2) [Belov (1987)].

Пучок поляризованных протонов фокусируется электростатической линзой /1/ на ячейку, заполненную парами натрия /4/. Положение пучка в вертикальной плоскости регулируется электростатическим корректором /2/. Вакуумные клапаны /3/ регулируют поток протонов. Внутри ячейки с натрием часть поляризованных протонов преобразуется в метастабильные

атомы водорода H0 в состояниях α и β (2S1/2). Тогда перекрещенные по-

383

стоянные магнитные поля соленоида /5/ и электрическое поле конденсатора /6/ гасят β-состояние атома. Пучок метастабильных атомов, главным образом в α-состоянии, регистрируется специальным фотонным детектором /7/ с умножителем вторичных электронов. Пучок, проходящий через поляриметр, регистрируется цилиндром Фарадея /8/. Регистрируя темпы счета с различной начальной поляризацией протонного пучка, можно определить величину поляризации пучка. Она оказалась равной 76 ± 2 %. Время, необходимое для достижения этой точности, составляло приблизительно 1 мин. Поэтому такое устройство может использоваться как абсолютный поляриметр в режиме он-лайн. В нынешней конфигурации этот поляриметр является деструктивным, так как на время своей работы (1 мин) требует отвести поляризованный ионный пучок в сторону от трассы инжекции, т.е. прерывает эксперимент.

Рис. 2. Лэмбовский поляриметр для измерения поляризации положительных и отрицательных ионов водорода

§50.2. Относительный поляриметр для энергии 30 МэВ

При создании относительного поляриметра для измерения поляризации пучка на выходе из линейного ускорителя Урал-30 можно было использовать богатый опыт, полученный физиками во всем мире. При этой энергии анализирующая способность для упругого протон-углеродного (рC) рассеяния была измерена с точностью порядка 1 %. Согласно этим результатам, относительный рC-поляриметр может быть построен для энергии 30 MэВ, используя рассеяние протонов на угол в 65° в лабораторной системе координат. В этом случае анализирующая способность, как ожидается, будет равна AN = (57,4 ± 0,9) %. Предположим, что мы непосредственно применяем эту технику в масштабе 1:1. Так как Урал-30 обеспечивает ток I = 3 мA и длительность банча 40 мкс, мы имеем число протонов в каждом банче, равное 7,5 1011. Предположим, что толщина мишени составляет 106,9 мг/см2 и ширина – 3 мм (размер пучка составляет приблизительно 30 мм). Для полезного телесного угла телескопа сцинтилляционных счетчиков Ω = 10-5 ср ожидается 60 событий на банч. При-

384

нимая во внимание 16 банчей и 6 циклов в минуту получим 6 104 событий за 10 мин. Такая статистика будет достаточна для достижения точности в 5 % при измерении поляризации пучка.

Возможный вариант поляриметра для энергии 30 МэВ, показанный на рис. 3, успешно использовался в Аргоннской Национальной Лаборатории для измерения поляризации протонов с энергией 50 МэВ в инжекторе [Ratner (1974)]. Поляриметр работал на процессе упругого рассеяния протонов на углеродной мишени на угол 55º, где анализирующая способность составляет около 85 %, а дифференциальное сечение равно 10 мбарнам. Размеры мишени составляли 0,05 см (ширина), 7,5 см (высота) и толщиной 0,08 г/см2. Два симметрично расположенных телескопа состояли каждый из трех сцинтилляционных счетчиков. Толщины первых двух сцинтилляторов подбираются так, чтобы рассеянные протоны оставляли в них основную долю энергии. Затем с помощью тонких полиэтиленовых пластин перед третьим сцинтиллятором подавляется счет от неупругих процессов. Размер третьего сцинтиллятора был 4,04 см (ширина), 8,08 см (высота) и 1,6 мм (толщина). Этот счетчик был определяющим и находился на расстоянии 66 см от мишени. Он охватывал телесный угол 6,7 мср. Измерения пробега, ионизационных потерь и времени пролета обеспечивали достаточно чистое выделение упругого процесса.

Для энергии 30 МэВ может быть использован тот же метод, только надо подобрать толщину фильтров перед последним счетчиком и переместиться к углу 65°.

Рис. 3. Возможный вариант поляриметра на выходе ускорителя Урал-30

385

§50.3. Поляриметр для Бустер-1.5

Известны измерения анализирующей способности pp -рассеяния в

широком диапазоне энергий. Самый близкий к высшей энергии бустера эксперимент был выполнен в CERN на ускорителе PS [Albrow (1970)]. Для кинетической энергии протонов T = 1,34 ГэВ анализирующая способ-

ность под лабораторным углом ΘL = 12° составляет AN = (37±2) % (рис. 4). Было найдено, что дифференциальное сечение равно 66 мб/ср с точностью около 5 %. Предположим, что два сцинтилляционных телескопа будут совместно использоваться с телесным углом 0,7 мср каждый. Бустер может обеспечивать приблизительно 30 банчей с количеством протонов на банч 2 1011. Длительность банча очень мала, примерно 80 – 100 нс. Это условие накладывает серьезные ограничения на скорость сбора данных. В целях безопасности предполагается, что при проходе каждого банча через мишень мы можем считывать только одно событие. Это можно сделать, используя полиэтиленовую мишень толщиной около 50 – 100 мкм. Предполагая, что поляризация пучка составляет 70 %, можно ожидать, что

точность в 5 % будет достигнута в течение пары часов.

Рис. 4. Анализирующая способность упругого рр-рассеяния при лабораторном угле 17° в зависимости от начальной кинетической энергии протона (это наиболее точные измерения, выполненные в Лос-Аламосе); покрывает нижний интервал энергии бустера У-70; кривая вычислена по фазовому набору Арндта

Возможный вариант поляриметра для Бустера-1,5, представленный на рис. 5, успешно используется в Дубне на синхрофазотроне для измерения поляризации протонных и дейтронных пучков как раз в области энергии бустера [Ажгирей (1992)]. Измеряется асимметрия в упругом протон-

386

протонном рассеянии с использованием полиэтиленовой мишени. Для вычета фона от квазиупругого рр-рассеяния используется углеродная мишень. Статистически более обеспечены данные при угле рассеяния в лабораторной системе 14°. Для лучшего отбора полезных событий нужно в переднем плече добавить еще по одному сцинтилляционному счетчику. Предпологается рассчитать и установить защиту вокруг аппаратуры.

Рис. 5. Возможный вариант поляриметра для бустера: Т – мишень (CH2 или C), S1-8

– сцинтилляционные счетчики, IC – ионизационная камера; базовый процесс поляриметра – упругое рр–рассеяние

Результаты измерений анализирующей способности полиэтиленовой мишени, полученные на установке рис. 5, представлены на рис. 6. Там же указаны результаты предыдущих измерений. Из этого рисунка видно, что при наибольшей энергии бустера анализирующая способность полиэтиленовой мишени близка к 35 %.

Рис. 6. Зависимость эффективной анализирующей способности AN(CH2) при рассеянии на угол 14° в л.с. от кинетической энергии протонов

387

§50.4. Поляриметры на энергию 70 ГэВ

Абсолютный и относительный поляриметры, которые создаются для основного ускорителя, должны работать от энергии инжекции 1,3 ГэВ до наивысшей энергии 70 ГэВ. Поляриметры должны контролировать поляризацию внутреннего пучка на всех стадиях его циркуляции.

Прежде чем переходить к обсуждению конкретных поляриметров, надо зафиксировать основные параметры У-70, которые окажутся существенными при выборе поляриметра. В табл. 1 представлено большинство этих параметров [Тарасов (1964)].

Используя эти данные и привлекая дополнительные, можно оценить нужные характеристики пучка. Прежде всего, оценим поперечные размеры пучка. Зная из табл. 1 эмиттанс пучка и из дополнительных источников – амплитудную функцию, можно найти поперечные размеры пучка при 70 ГэВ из соотношений

	σi =	εiβi	,	&	εi	.	(1)
		6π		σi =	6πβi
Здесь σi ,	где i = x, y, представляет поперечный размер пучка в соот-
ветствующих	направлениях,	&		– угловая		расходимость	пучка;
		σi

εi , βi , i = x, y обозначают эмиттанс (содержит 95 % пучка) и амплитуд-

ную функцию соответственно. Струйная мишень располагается на прямолинейном участке кольца между укороченными блоками D и F . Здесь амплитудные функции равны βx , βy = 25 м. Отсюда находим для пучка с

энергией 70	ГэВ, что его поперечные размеры равны		σx = 2,4 мм и
σy = 2,1	мм,	а угловые расходимости равны	соответственно
σx ≈ 0,1 мрад,		σy ≈ 0,1 мрад. Те же параметры при энергии инжекции
&		&

составляют σx = 17,6 мм и σx = 15,4 мм, а угловые расходимости равны соответственно σ& x ≈ 0,7 мрад, σ& y ≈ 0,7 мрад. Забегая вперед, заметим,

что струя (полная ширина на полувысоте – 6 мм) перекрывает пучок полностью при 70 ГэВ и только 1/6 часть его – при энергии инжекции. В результате сможем измерить среднюю по всему пучку поляризацию при 70 ГэВ. Что касается поляризации пучка при 1,3 ГэВ, то за один раз мы измеряем поляризацию только 1/6 части пучка. Этого недостаточно, и надо думать о возможности сканирования пучка или мишени с целью измерения поляризации всего пучка.

Из известных поляриметров слабой зависимостью от энергии обладает только поляриметр на кулон-ядерной интерференции (ПКЯИ). Этот поля-

388

ddtσ (−t ≈ 3 10−3 (ГэВ/ с)2 )≈100 мб/(ГэВ/ с)2 .

риметр удовлетворяет и другому важному критерию – он обладает самым высоким фактором качества (FoM). И третий немаловажный факт – ПКЯИ был успешно реализован при энергии 100 ГэВ на RHIC. Эти обсуждения приводят нас к выбору pp- и рC-поляриметров в области кулон-ядерной интерференции (CNI), таким, как они были реализованы на RHIC [Bravar (2004), Jinnouchi (2004)].

Поэтому в дальнейшем мы кратко описываем два внутренних абсолютных поляриметра типа ПКЯИ и два возможных внешних поляриметра, а именно, один – относительный инклюзивный поляриметр на заряженных пионах, а второй – абсолютный поляриметр, основанный на упругом pp-рассеянии.

1. CNI pp-поляриметр на поляризованной струйной мишени с регистрацией протона отдачи

pp-поляриметр, основанный на эффекте кулон-ядерной интерференции (CNI), при 70 ГэВ имеет большое дифференциальное сечение в области пика CNI:

(2)

Его средняя анализирующая способность составляет около 2 %. Поэтому фактор качества – около значения FoM ≈ 4 10-2 (мб/(ГэВ/с)2). Схема этого поляриметра представлена на рис. 7.

Рис. 7. Схема абсолютного CNI-поляриметра на RHIC, основанного на упругом pp-рассеянии; разрешение по энергии протонов отдачи < 50 кэВ, по времени пролета < 2 нс, по углу ~ 5 мрад; индексы b и t обозначают пучок и мишень

389

Возможно, такой же поляриметр будет использоваться на синхротроне У-70. Поляризованная струйная мишень (ПСМ) имеет поверхностную плотность струи 1012 p см-2, поляризацию PT = (92 ± 1,8) %, размер струи 5 мм (ПШПВ – полная ширина на половине высоты) и работает в режиме постоянного тока. Два блока силиконовых стриповых детекторов с габаритными размерами 72 × 64 мм2 каждый помещены слева и справа от пучка на расстоянии около 80 см от ПСМ. Во-первых, чтобы измерить анализирующую способность реакции упругого рр-рассеяния, надо неполяризованный протонный пучок с энергией 70 ГэВ рассеивать на ПСМ. Оценим ожидаемую интенсивность в секунду для неполяризованного пучка ускорителя У-70, принимая следующие параметры. Внутренний поток пучка в секунду составляет I = 5 1012 f, где f = 200 кГц, так что I = 1018 протонов/с. Так как фактор скважности для У-70 равен 0,2, получаем эффективную интенсивность пучка как 2 1017 протонов/с. Для сравнения можем оценить тот же самый параметр для RHIC. RHIC в настоящее время использует 55 банчей с 5 1010 протонов в банче. Частота циркуляции пучка равна 78 кГц. Таким образом, для RHIC интенсивность пучка тоже составляет 2 1017 протонов/с. Как видим, ситуация на текущий мо-

мент по интенсивности пучков на У-70 и на RHIC ( s = 200 ГэВ) одина-

кова. Мы знаем, что в ближайшие пару или тройку лет RHIC увеличит энергию до 250 ГэВ в каждом кольце, а интенсивность увеличится минимум на порядок, тоже в каждом кольце.

Для дальнейших оценок берем параметры ПСМ на RHIC как базовые также и для У-70. Так что мы должны ожидать ту же самую светимость и приблизательно такой же темп счета, как и на RHIC. Чтобы оценить скорость счета, можно выбрать один (или оба) из следующих путей. Если

dσ

имеются достоверные данные по дифференциальным сечениям dΩ в

случае упругого рассеяния [Кузнецов (1981)] или dΩdσdE в случае инклю-

зивного процесса [Божко (1980)], ожидаемую скорость счета поляриметра можно оценить из соотношения

Ne = L ∆σ

(3)

Здесь L – светимость, а ∆σ – эффективное сечение, соответствующее полезному аксептансу поляриметра. В случае упругого рассеяния

∆σ =

dσ

∆Ω κ

(4)

dΩ

и для инклюзивной реакции

390