Необходимость получения достоверной и оперативной информации о параметрах пучка ионов при проведении экспериментов на различных участках современных ускорительно-накопительных комплексов стимулирует поиск невозмущающих методов диагностики. Под невозмущающими обычно подразумеваются методы, когда вносимыми при измерении возмущениями пучка можно пренебречь. Наиболее полное представление о пучке ионов дают измерения тока пучка во времени, его пространственного распределения по сечению канала транспортировки, а также информация об эмиттансных характеристиках, которые связаны с угловым распределением и энергетическим спектром ионов в пучке. Невозму-щающий характер измерений большинства этих параметров невозможно реализовать при использовании традиционных для заряженных частиц методов диагностики [1]. Дополнительное осложнение вызывает важное для пучков высоких энергий требование компактности диагностических устройств. Кроме того, разнообразие ускорителей с отличающимися на несколько порядков параметрами вызывает необходимость в создании новых диагностических систем, которые должны быть более универсальными и более быстрыми чем их предшественники. В связи с этим, актуальной задачей является разработка методов и устройств для измерения различных характеристик пучка ионов по вторичным частицам, рожденных при взаимодействии ионов с компонентами остаточного газа или практически прозрачной для пучка внутренней мишенью. Основной задачей связанных с этим исследований является выявление возможности определения необходимых параметров пучка по соответствующим характеристикам данного типа вторичных частиц, а также изучение границ использования основанных на этом методов диагностики и достигаемых при этом точностей.
Помимо этого, в современных ускорительно-накопительных комплексах и при разработке систем транспортировки энергии на большие расстояния интенсивными пучками, широко используется перезарядный метод управления потоками частиц. Формируя внутренние перезарядные мишени на различных участках канала транспортировки пучка можно существенно влиять на распределение частиц в фазовом пространстве и на характер их движения во внешних электромагнитных полях, а также осуществлять удобную для физических экспериментов разводку пучков высоких энергий [2]. Наибольшая эффективность метода достигается при использовании отрицательных ионов на начальном этапе транспортировки пучка. Это позволяет, в частности, существенно улучшить качество пучка при преобразовании ионов в нейтральные частицы перед участком с наиболее «неприятными» электромагнитными полями, при изменении знака заряда частиц на участках инжекции и вывода пучка в циклических ускорителях, а также значительно расширить возможности и диапазон энергий пучка электростатических ускорителей. Для решения этих задач важна информация об интегральных и дифференциальных сечениях обдирки ионов, коэффициентах преобразования в нужное зарядовое состояние и ресурсе используемой внутренней мишени.
Начиная с классической работы [3], внутренние мишени широко используются и незаменимы при проведении определённого класса физических экспериментов в циклических ускорителях. К нему относятся эксперименты, проведение которых на выведенном пучке невозможно или осложнено из-за значительного искажения информации каскадными процессами в мишени, существенного искажения характеристик регистрируемых частиц или их поглощения мишенью. Для оптимизации этих экспериментов актуально изучение эволюции параметров пучка при взаимодействии с внутренней мишенью ускорителя, а также роли этого процесса на фоновые условия и достигаемые значения светимости.
Таким образом, изучение и оптимизация взаимодействия ионов с внутренними мишенями, а также разработка методов и устройств для невоз-мущающей диагностики пучка на их основе, являющиеся целью диссертационной работы, представляют собой развитие нового важного направления в технике физического эксперимента с использованием пучков ускоренных частиц.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Проведенные в диссертации исследования охватывают широкий круг задач по технике физического эксперимента, связанных с взаимодействием ионов с внутренними корпускулярными и фотонными мишенями в линейных и циклических ускорителях. Рассмотрены некоторые аспекты этого взаимодействия в широком диапазоне энергий ионов от десятков килоэлектронвольт до релятивистских. Большое внимание уделено детальному теоретическому и экспериментальному изучению ряда элементарных процессов для целей оперативной и невозмущающей диагностики пучков отрицательных и некоторых молекулярных положительных ионов, а также нейтральных частиц. Важное место отведено разработке новых методов диагностики и устройств для их реализации, отдельным вопросам оптимального формирования и транспортировки пучков, а также проведения физических экспериментов с использованием внутренних мишеней и пучков ядер в синхротронах на примере нуклотрона.
Научная новизна и практическая ценность представленных результатов исследований определяется прежде всего их связью с современными разработками по использованию сильноточных пучков ионов для высокоинтенсивных импульсных источников нейтронов, решения термоядерных проблем, электроядерного способа получения энергии и трансмутации радиоактивных отходов, передачи энергии на большие расстояния пучками частиц, а также использованием полученных результатов при оптимизации работы нового сверхпроводящего ускорителя релятивистских ядер — нуклотрона, планировании и проведении на нём физических экспериментов с использованием внутренних мишеней. Разработанная станция внутренних мишеней и многофункциональная система её управления на основе персонального компьютера предоставляет возможность проведения широкого класса экпериментов не только на нуклотроне, но и в будущем на его бустере.
Большинство научных результатов, представленных в диссертации, получено впервые. К ним относятся: экспериментально измеренные угловые распределения атомов водорода в элементарных актах обдирки ионов Н~ разных энергий на корпускулярных мишеняхсечения обдирки сгю и сг01 на углероде для Н~ и Н° частиц с энергией 2 и 7 МэВблизкое к трем отношение сечений возбуждения Не, Н2 и N2 быстрыми ионами Н~ и протонами в диапазоне энергий 100 кэВ ч- 2 МэВтеоретически исследованные поляризационные эффекты в дифференциальных сечениях электронов в лабораторной системе отсчета при околопороговой обдирке ионов Н~ лазерным излучением, а также при рождении электронов с параметрами угловой асимметрии (30= -1, 2- расчеты сечений двухфотонной обдирки ионов Н~ в области энергий фотонов превышающей одно фотонный порог.
К новым результатам по технике физического эксперимента относятся: исследование фактора геометрии экспериментов при изучении рассеяния ионов на малые углы с использованием ленточных пучковрасчеты влияния тока пучка отрицательных ионов на точность его диагностики по электронам обдиркипроект и расчеты управляемого детектора пространственного распределения импульсного потока релятивистских электронов с разрешением 100-^-150 мкм и высоким ресурсом работы в радиационных условиях сильноточных ускорителейизмерение пространственных характеристик циркулирующего пучка релятивистских дейтронов, оперативный контроль его структуры и светимости во времени с помощью светового излучения фольговых и нитевидных мишеней, используемых в физических экспериментах на нукло-тронерасчеты светимостей, времени жизни пучка ядер и интенсивности генерации быстрых нейтронов на нуклотроне при использовании внутренних мишеней.
Обнаружено световое излучение на выходе ненагруженных пучком ВЧ-резонаторов линейного ускорителя, изучена его природа и даны предложения по использованию в экспериментальной технике.
Результаты части проведенных исследований легли в основу разработок метода диагностики пучков отрицательных ионов по электронам фотообдирки, корреляционного метода невозмущающего определения параметров пучка ионов, а также метода диагностики пучков отрицательных и положительных ионов по электронам фото обдирки промежуточных быстрых нейтральных частиц. Новизна данных методов диагностики подтверждена тремя авторскими свидетельствами на изобретение. Предложены и разработаны новые типы компактных многофункциональных диагностических устройств, которые могут найти применение при проведении экспериментов на различных существующих и проектируемых ускорителях ионов. Некоторые из них применялись в Сухумском физико-техническом институте, а многофункциональное устройство с лазерным зондированием пучка ионов Н~ высокой энергии разработано для линейного ускорителя МЕГАН Института ядерных исследований РАН (г. Троицк). Наибольшая эффективность этих устройств, а также преимущества предложенных методов невозмущающей диагностки пучков ожидаются при их использовании на разрабатываемых в различных центрах сильноточных ускорителях ионов Н~~ для прикладных задач.
Подведем краткий итог проведенных исследований.
1) В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований решено ряд методических задач по технике физического эксперимента, позволивших получить новую информацию о взаимодействии ионов с внутренними мишенями на ускорителях, а также осуществлять оптимизацию и оперативный контроль этого взаимодействия при проведении экспериментов по ядерной физике на циркулирующем пучке нуклотрона. На основе регистрации продуктов взаимодействия ионов с различными зондирующими мишенями предложены и разработаны новые методы и многофункциональные устройства для невозмущающего контроля различных характеристик пучка с точностями, быстродействием и ресурсом работы в условиях существующих и проектируемых сильноточных ускорителей ионов, недоступных для традиционных методов диагностики.
2) В экспериментах по рассеянию ионов на малые углы (Ю-5 -г Ю-4 рад) впервые использованы ленточные пучки. Численным моделированием показано, что степень влияния данной геометрии эксперимента существенно зависит от функционального вида измеряемого углового дифференциального сечения в элементарном акте взаимодействия. При обработке полученного экспериментального материала по обдирке ионов Н~ на различных газовых мишенях учтены результаты моделирования и показано, что максимальная точность соответствия угловых распределений ионов и атомов Н° в пучке с энергией Ен- > 10 кэВ определяется выражением [рад]= 3−102/а/Ея-[кэВ]. С учетом соотношения АЕ0/Ен- = (2 -г 2,5)-(?0 для ширины на полувысоте распределения атомов Н° по энергии полученная зависимость С0(Ен~) может быть использована для задач диагностики пучков ионов Н~ по атомам Н°.
3) Теоретически изучено влияние поляризации и мощности фотонной мишени на обдирку быстрых ионов Н~ вблизи однофотонного порога. Показано, что подбором мощности, пространственной ориентации импульса и поляризации фотонов можно реализовать условия передачи необходимой информации о пучке быстрым электронам или атомам водорода с максимальной точностью. Эти точности значительно выше достигаемых на корпускулярных мишенях.
4) Обоснована возможность экспериментального моделирования взаимодействия высокоэнергетических ионов Н~ с фольговыми мишенями на пучках более доступных низких энергий, при том же безразмерном параметре взаимодействия и аналогичных токовых характеристиках. В экспериментах с углеродной фольгой при энергиях 2 и 7 МэВ измерены сечения обдирки ионов и ионизации атомов водорода.
5) Предложен и разработан метод невозмущающей диагностики пучка отрицательных ионов по электронам фотообдирки (ФЭДП) и исследованы его предельные возможности. С ориентацией на ионы Н~ разработаны устройства для реализации метода в линейных ускорителях с энергией пучка от порядка десяти МэВ до релятивистской. Рассмотрено влияние поля пучка отрицательных ионов на достигаемую точность измерений. Показано, что предложенный метод ФЭДП может быть с успехом использован для релятивистских пучков ионов Н~ с током в сотни миллиампер, например, в проектируемых источниках нейтронов на основе линейных ускорителей. Предложен проект и проведены расчеты детектора пространственного распределения импульсного потока быстрых электронов с разрешением 100^-150 мкм для разработанных диагностических устройств и высоким ресурсом работы в радиационных условиях сильноточного пучка ионов.
6) Предложены и теоретически обоснованы метод диагностики пучка ионов по электронам фотоионизации промежуточных быстрых нейтральных частиц, рождающихся на зондирующей внутренней мишени в различных квантовых состояниях, и устройство для реализации метода на участке перезарядной инжекции или поворотах канала транспортировки ионов Н~ высокой энергии.
7) Предложены метод и устройство для невозмущающей диагностики сильноточного пучка нейтральных частиц малой энергии (десятки-^сотни кэВ на нуклон) по электронам избирательной фотоионизации определенного квантового состояния.
8) Экспериментально изучено световое излучение газовых мишеней под воздействием ионов Н~. Показано, что в диапазоне энергий 100 кэВ ч-2 МэВ отношение сечений излучения Не, Н2 и Ы2 при взаимодействии с ионами Н~ и протонами близко к трем. Разработано устройство и продемонстрированы его возможности при диагностике пучка ионов Н~ с энергией 2 МэВ по световому излучению в канале транспортировки. Предложен профиллометр пучка с регистрацией светового излучения остаточного газа или пространственно локализованной газовой мишени.
9) Предложены и теоретически обоснованы корреляционный метод невозмущающей диагностики пучка ионов и устройство для его реализации в источниках Н~, других отрицательных и некоторых положительных молекулярных ионов.
10) Изучена природа светового излучения на выходе ненагруженных пучком ВЧ-резонаторов линейного ускорителя. Показана сильная зависимость интенсивности излучения от величины ВЧ-поля в них, материала вакузгмной камеры за апертурой резонаторов и независимость этой интенсивности от вакуумных условий в широком диапазоне изменения давления. Данное излучение генерируется электронами автоэмиссии на электродах, выходящими через апертуру резонатора, и может быть использовано для невозмущающего контроля ВЧ-мощности в нем в реальном масштабе времени, а также периодического тестирования стабильности параметров пучка.
11) Теоретически исследована эволюция параметров пучка ядер и проведен расчет светимостей при его взаимодействии с различными внутренними мишенями на нуклотроне.
12) Разработана и изготовлена станция внутренних мишеней, позволяющая проводить широкий класс экспериментов на циркулирующем пучке в области прикладной и релятивистской ядерной физики. Конструкция станции, метод контроля взаимодействия пучка с мишенью по её световому излучению, а также система управления на основе персонального компьютера IBM PC хорошо зарекомендовали себя в первых физических экспериментах на нуклотроне.
13) В физических экспериментах на циркулирующем пучке нуклотрона показано, что световое излучение фольговых и нитевидных мишеней может быть с успехом использовано для оперативного контроля относительной светимости во времени, высокочастотной структуры и пространственных характеристик пучка.
14) Проведен анализ перспективности экспериментов по генерации быстрых нейтронов с использованием внутренних мишеней и циркулирующих пучков ядер нуклотрона в диапазоне энергий 0,1 -г- 1 ГэВ/нуклон. Показано, что имеющиеся в настоящее время возможности нуклотрона, станции внутренних мишеней и различных детекторов нейтронов позволяют получить недостающую для ряда прикладных задач экспериментальную информацию по энергетическим и угловым распределениям, а также средней множественности нейтронов, генерируемых при внутриядерных каскадах и послекаскадной эволюции ядер мишени.
В заключение автор выражает глубокую благодарность всем коллегам из Сухумского физико-технического института, Института ядерных исследований РАН (г.Троицк), Института физики САН (г.Братислава) и Лаборатории высоких энергий ОИЯИ, которые своим творческим трудом способствовали выполнению данной работы на различных её этапах, вдохновляли на новые изыскания и решение возникающих проблем, а также оказывали поддержку в тяжелых жизненных обстоятельствах.
