Способ получения криогенной корпускулярной мишени и устройство для его осуществления

Изобретение относится к технологии изготовления мишеней для физики высоких энергий и может быть использовано при проведении исследовательских программ в области физики высоких энергий. В способе получения криогенной мишени криогенную мишень выполняют в виде гранулы замороженной капли криоагента. Для этого в первой сверху вакуумной камере вертикальной системы вакуумных камер поддерживают давление чуть ниже давления тройной точки и с помощью генератора монодисперсных капель разбивают струю жидкого криоагента на капли. Полученные в результате замораживания капель падающие вниз гранулы пропускают через вертикальную систему вакуумных камер и подают в рабочую камеру ускорителя для столкновения с пучком элементарных частиц с дальнейшим выведением гранул в охлаждаемую ловушку. Устройство содержит генератор монодисперсных капель с выходным соплом, установленный в нижней части криостата, вертикальную систему вакуумных камер, ускоритель и охлаждаемую ловушку. Техническим результатом заявленного изобретения является получение твердых высокоскоростных одинаковых гранул размером от единиц до сотен микрон из всех криогенных жидкостей: водорода и его изотопов, азота, аргона, криптона, кислорода, гелия и т.д. 2 н. и 7 з. п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к технологии изготовления микромишеней и может быть использовано при проведении исследовательских программ в области физики высоких энергий, таких как изучение пороговых эффектов рождения мезонов, мезонная спектроскопия в районе 1 ГЭВ, изучение странных барионных и других резонансов, поиск новых частиц и т.п.

Потребность в новых типах детекторов и мишеней вызвана тем, что криогенные мишени старых типов и способы их получения обладают рядом существенных недостатков (RU 2163837 C2, опубл. 10.03.2001, SU 1019189A, опубл. 23.05.1983 - ближайший аналог).

Во-первых, большие размеры мишеней приводят к очень большой светимости и, как результат, к большим фоновым засветкам, при которых трудно отделить от фона изучаемый процесс. Кроме того, большие размеры мишени не дают возможность точно восстановить место и характеристики произошедшего взаимодействия: энергию взаимодействия, импульс, тип вылетевших из мишени частиц и т.п. Повысить точность определения характеристик взаимодействия можно лишь в том случае, если мишень малых размеров окружить датчиками с углом захвата 4π.

Во-вторых, недостатком является и длительное время восстановления характеристик мишени. Под действием пучка мишень переходит из твердого состояния в газообразное и требуется некоторое время для перевода мишени в первоначальное состояние.

Задачей изобретения является получение твердых высокоскоростных одинаковых гранул размером от единиц до сотен микрон из всех криогенных жидкостей: водорода и его изотопов, азота, аргона, криптона, кислорода, гелия и т.д.

Поставленная задача достигается тем, что способ получения криогенной мишени, включающий ожижение газа, отличается тем, что криогенную мишень выполняют в виде гранулы замороженной капли криоагента, для этого в первой сверху вакуумной камере вертикальной системы вакуумных камер поддерживают давление чуть ниже давления тройной точки и с помощью генератора монодисперсных капель методом вынужденного капиллярного распада струй разбивают струю жидкого криоагента на капли, затем полученные в результате замораживания капель падающие вниз гранулы пропускают через вертикальную систему вакуумных камер и подают в рабочую камеру ускорителя для столкновения с пучком элементарных частиц с дальнейшим выведением гранул в охлаждаемую ловушку, при этом указанная система вакуумных камер выполнена с последовательным понижением давления в них от камеры к камере по ходу падения гранул.

Предпочтительно, чтобы в случае выполнения мишени из водорода или его изотопов во второй камере системы вакуумных камер поддерживалось бы давление порядка 10^-4 мбар, а в последней камере - порядка 10^-7 мбар, причем все указанные вакуумные камеры были бы разделены между собой вакуумными шлюзами.

Поставленная задача решается также тем, что устройство для получения криогенной мишени, содержащее криостат, отличается тем, что оно дополнительно содержит генератор монодисперсных капель с выходным соплом, установленный в нижней части криостата, вертикальную систему вакуумных камер, ускоритель и охлаждаемую ловушку, причем криостат размещен на первой сверху вакуумной камере указанной системы вакуумных камер так, что выходное сопло генератора монодисперсных капель находится внутри указанной первой вакуумной камеры, рабочая камера ускорителя размещена между последней вакуумной камерой указанной системы и охлаждаемой ловушкой и газодинамически соединена с ними, при этом указанная первая сверху вакуумная камера выполнена с возможностью поддержания в ней давления чуть ниже тройной точки.

Предпочтительно, чтобы указанная система вакуумных камер была выполнена с возможностью последовательного понижения давления в камерах по ходу от первой до последней камеры, при этом вакуумные камеры указанной системы были разделены между собой вакуумными шлюзами.

Целесообразно также, чтобы вакуумный шлюз был выполнен в виде отверстия малого диаметра.

Целесообразно, чтобы генератор монодисперсных капель был выполнен с возможностью получения капель методом вынужденного капиллярного распада струй, а указанный генератор содержал бы пьезоэлемент.

Изобретение поясняется чертежом, где в качестве примера конкретного выполнения представлена принципиальная схема устройства для получения криогенных корпускулярных мишеней водорода.

Устройство содержит вертикальную систему вакуумных камер 1. На первой сверху вакуумной камере 2 размещен криостат 3 для получения жидкого криоагента (например, водорода). В нижней части криостата 3 установлен генератор монодисперсных капель 4, выходное сопло которого выходит в указанную первую вакуумную камеру 2. Вакуумные камеры разделены между собой вакуумными шлюзами 5, представляющими собой отверстие малого диаметра. В основании указанной системы 1 (после последней вакуумной камеры 6) размещена рабочая камера (протонного) ускорителя 7 элементарных частиц, сообщенная с охлаждаемой ловушкой 8 для вывода гранул из ускорителя.

Рассмотрим получение криогенной корпускулярной мишени на примере жидкого водорода, который (или его изотопы) чаще всего используется для получения мишеней, представляющих собой твердую гранулу малых размеров.

Для этого используется известный метод вынужденного капиллярного распада струй (ВКРС).

Струя жидкого водорода вытекает из сопла генератора монодисперсных капель 4 в первую вакуумную камеру 2. Под действием специального возмущения (например, с помощью пьезоэлемента, создающего механические возмущения в струе, в результате которых образуются капиллярные волны с амплитудой, примерно равной толщине струи, разрывающие струю на капли) струя распадается на капли. Давление в первой камере 2 поддерживается чуть ниже давления тройной точки.

Поскольку указанное давление в вакуумной камере 2 ниже давления около поверхности капель, то происходит интенсивное испарение жидкости, в результате чего капли охлаждаются и в конце концов замерзают. Продолжая падение вниз, замерзшие водородные гранулы через систему вакуумных камер 1 поступают в рабочую камеру протонного ускорителя 7.

Как было указано выше, шлюз представляет собой отверстие малого диаметра. Размеры шлюза должны быть таковы, чтобы, с одной стороны, обеспечить прохождение потока гранул, а с другой, обеспечить минимальное натекание газа в объем рабочей камеры ускорителя 7.

Взаимодействуя в шлюзе с газом, водородные гранулы увеличивают свою скорость. Это достигается за счет перепада давления между соседними вакуумными камерами. Каждая последующая камера системы 1 по мере движения гранул сверху вниз имеет меньшее давление газа внутри нее, чем в предыдущей камере. Особенно большой перепад давления необходим между первой 2 (камерой с давлением чуть ниже тройной точки) и второй 9 (следующей по ходу вниз) камерами для создания необходимого ускорения гранулам. В случае водорода во второй камере 9 поддерживается давление порядка 10^-4 мбар, а в последней вакуумной камере 6 давление достигает величины порядка 10^-7 мбар.

В рабочей камере ускорителя 7 мишень в виде твердой гранулы водорода сталкивается с инжектируемым пучком протонов. Мишень должна возобновляться, поэтому необходимо, чтобы она с определенной скоростью (до 100 м/с) проходила через сечение пучка в течение небольшого временного интервала. Только в этом случае можно обеспечить нужную скорость срабатывания детекторов.

Для поддержания высокого вакуума в ускорителе после взаимодействия с пучком мишень выводится из вакуумной камеры ускорителя в охлаждаемую ловушку 8.

Одним из преимуществ заявленных способа и устройства является возможность получения мишеней с диаметром до 100 мкм, что необходимо для обеспечения высокой светимости (˜10³² см^-2 с^-1) и возможности регистрирования разлета частиц в угле 4π для наблюдения наиболее интересных эффектов.

1. Способ получения криогенной мишени, включающий ожижение газа, отличающийся тем, что криогенную мишень выполняют в виде гранулы замороженной капли криоагента, для этого в первой сверху вакуумной камере вертикальной системы вакуумных камер поддерживают давление чуть ниже давления тройной точки и с помощью генератора монодисперсных капель методом вынужденного капиллярного распада струй разбивают струю жидкого криоагента на капли, затем полученные в результате замораживания капель падающие вниз гранулы пропускают через вертикальную систему вакуумных камер и подают в рабочую камеру ускорителя для столкновения с пучком элементарных частиц с дальнейшим выведением гранул в охлаждаемую ловушку, при этом указанная система вакуумных камер выполнена с последовательным понижением давления в них от камеры к камере по ходу падения гранул.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае выполнения мишени из водорода или его изотопов во второй камере системы вакуумных камер поддерживают давление порядка 10^-4 мбар, а в последней камере - порядка 10^-7 мбар.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что все указанные вакуумные камеры разделены между собой вакуумными шлюзами.

4. Устройство для получения криогенной мишени, содержащее криостат, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит генератор монодисперсных капель с выходным соплом, установленный в нижней части криостата, вертикальную систему вакуумных камер, ускоритель и охлаждаемую ловушку, причем криостат размещен на первой сверху вакуумной камере указанной системы вакуумных камер так, что выходное сопло генератора монодисперсных капель находится внутри указанной первой вакуумной камеры, рабочая камера ускорителя размещена между последней вакуумной камерой указанной системы и охлаждаемой ловушкой и газодинамически соединена с ними, при этом указанная первая сверху вакуумная камера выполнена с возможностью поддержания в ней давления чуть ниже тройной точки.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что указанная система вакуумных камер выполнена с возможностью последовательного понижения давления в камерах по ходу от первой до последней камеры.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что вакуумные камеры указанной системы разделены между собой вакуумными шлюзами.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что вакуумный шлюз выполнен в виде отверстия малого диаметра.

8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что генератор монодисперсных капель выполнен с возможностью получения капель методом вынужденного капиллярного распада струй.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что указанный генератор содержит пьезоэлемент.