Способ генерации вторичных частиц

 

Использование: ускорительная техника. Сущность изобретения: перед наведением пучка на мишень производят его разбунчировку, с последующим перезахватом пучка ВЧ-полем более высокой частоты, более чем в ~ 2 раза повышается эффективность использования протонного пучка для физических экспериментов, уменьшается уровень наведенной активности в магнитном кольце и конструкционных деталях ускорителя.

Изобретение относится к ускорителям заряженных частиц, в частности к протонным синхротронам.

Синхротроны используются, как правило, для проведения экспериментов по исследованию взаимодействий элементарных частиц. Большая часть таких исследований проводится на пучках вторичных частиц (π-мезонов, К-мезонов, антипротонов и т.п.), получаемых в результате взаимодействия ускоренных протонов с внутренними мишенями синхротрона. Стоимость экспериментов, проводимых на пучках вторичных частиц, кроме прочих факторов, определяется эффективностью использования пучка ускоренных протонов для генерации вторичных частиц на внутренней мишени. Под эффективностью мишени здесь подразумевается отношение числа протонов, участвующих в ядерных взаимодействиях с веществом мишени, к общему числу потерянных в процессе взаимодействия с мишенью протонов [1-3] Согласно расчетам [3] максимально достижимая эффективность внутренних мишеней составляет около 0,9.

В настоящее время на протонном синхротроне ИТЭФ на энергию 10 ГэВ используется способ медленного наведения пучка протонов на внутреннюю мишень на площадке магнитного цикла при выключенном ускоряющем высокочастотном поле (далее ВЧ-поле). Эффективность мишеней при этом составляет около 0,3 [2] Столь низкий уровень эффективности мишеней определяется тем, что большая часть протонов, взаимодействующих с мишенью, теряется из-за потери энергии и пересечения резонансных частот поперечного движения в магнитном поле синхротрона до того, как при многократном прохождении мишени наберется интегральная толщина, достаточная для ядерного взаимодействия.

Как показывают расчетные оценки в работе [2] эффективность мишеней может быть повышена до значения 0,7-0,8 в случае полной компенсации потерь энергии протонами на мишени.

Известен способ генерации вторичных частиц на внутренней мишени протонного синхротрона, в котором во время взаимодействия пучка протонов с мишенью ускоряющее ВЧ-поле не выключается. Этот способ принимается за прототип [2] Способ имеет недостатки, препятствующие практической реализации теоретической возможности повышения эффективности мишеней. Эти недостатки определяются тем, что в присутствии ВЧ сохраняется бунчировка частиц, так что эффективное время взаимодействия пучка резко (в 7-10 раз) снижается и увеличиваются просчеты регистрирующей аппаратуры.

Таким образом, увеличение количества вторичных частиц не сопровождается убыстрением получения экспериментальных данных.

Целью изобретения является повышение эффективности использования пучка ускоренных протонов для физических экспериментов, использующих пучки вторичных частиц, генерируемых на внутренней мишени протонного синхротрона.

Поставленная цель достигается тем, что в предложенном способе генерации вторичных частиц, генерируемых на внутренней мишени протонного синхротрона на площадке магнитного поля в режиме медленного наведения на мишень пучок бунчируется не на той частоте, на которой проводится его ускорение ( ≈ 5 МГц), а на существенно более высокой частоте, при которой наличие (или отсутствие) бунчировки не замечается регистрирующей аппаратурой из-за недостаточности ее разрешения по времени. Для этого следует выключить штатную ускоряющую систему, дать пучку разбунчироваться и перезахватить пучок ВЧ-полем гораздо более высокой частоты ( ≈200 МГц) ВЧ-станции с напряжением 300-400 кВ. При этом обеспечивается компенсация потерь энергии протонами при взаимодействии их с мишенью и, следовательно, увеличивается эффективность мишени. Пучок, сбунчированный на частоте ≈ 200 МГц, имеет следующую временную структуру: период следования банчей 5 нс. длительность банча ≈ 1 нс. Период следования банчей в этом случае оказывается в несколько раз меньше, чем время разрешения экспериментальной установки ( ≈50 нс), и такой пучок воспринимается ЭУ как "квази-равномерный".

Таким образом, резкое повышение частоты ускоряющего ВЧ-поля снимает недостатки, присущие способу-прототипу, и позволяет существенно (в 2 раза) повысить эффективность использования протонного пучка для физических экспериментов, использующих интенсивные медленные пучки вторичных частиц, генерируемых на внутренней мишени протонного синхротрона.

Способ осуществляют следующим образом.

Ускоряют на синхротроне протоны до энергии 10 ГэВ ускоряющим ВЧ-полем частотой 1-5 МГц. Проводят разбунчировку пучка протонов для равномерного его распределения по кольцу ускорителя, выключая ВЧ-поле. Далее производят перезахват пучка равномерно распределенных по кольцу ускоренных протонов на более высокую частоту (порядка 200 МГц) с помощью дополнительной ускоряющей станции с амплитудой напряжения 300-400 кВ (подобная станция разработана в ИФВЭ г. Протвино для обеспечения инжекции пучка из синхротрона на 70 ГэВ в кольцо первой очереди УНК). При этом период следования банчей оказывается много меньше (на порядок), чем время разрешения событий в ЭУ, составляющее 30-50 нс. После этого наводят пучок на внутреннюю мишень на площадке магнитного поля; в результате ядерных взаимодействий в мишени происходит генерация вторичных частиц.

При этом эффективность мишени повышается в 2 раза за счет компенсации потерь энергии протонами на мишени. Временное распределение потока вторичных частиц становится "квазиравномерным" для экспериментальной установки из-за того, что период следования банчей при ускоряющей частоте порядка 200 МГц много меньше, чем время разрешения событий в ЭУ.

Использование предлагаемого способа генерации вторичных частиц на внутренней мишени по сравнению с действующим в настоящее время способом обеспечивает следующие преимущества: сокращение времени проведения физических исследований на протонном синхротроне; сокращение стоимости проведения экспериментов; существенное уменьшение уровня наведенной активности в магнитном кольце и других конструкционных деталях ускорителя.

Формула изобретения

СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ВТОРИЧНЫХ ЧАСТИЦ на внутренней мешени проточного синхротрона на площадке магнитного поля, использующий режим медленного наведения на мишень сбунчированного пучка протонов при включенном ускоряющем ВЧ-поле, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности использования пучков вторичных частиц в физическом эксперименте при регистрации частиц детекторами типа сцинтилляционных и черенковых счетчиков, а также многопроволочных пропорциональных и пропорционально-дрейфовых камер, перед наведением пучка на мишень проводят его разбунчировку, включая штатную ускоряющую ВЧ-систему с частотой в диапазоне единиц мегагерц, и затем снова осуществляют бунчировку путем включения дополнительной ускоряющей ВЧ-системы с частотой в диапазоне сотен мегагерц, после чего осуществляют наведение пучка на мишень.