ГЛАВА 6

Метод обратного комптоновского рассеяния лазерных фотонов на электронах высокой энергии в сравнении с другими методами

    Впервые метод обратного комптоновского рассеяния был предложен в 1963 году Арутюняном и Туманяном, которые рассчитали основные характеристики пучка, получающегося при столкновении лазерных фотонов с электронами. Затем этот метод был экспериментально подтвержден в ФИАНе и детально изучен во Фраскати. Широкое применение метода обратного комптоновского рассеяния в фотоядерных экспериментах началось в 1994 году в Новосибирске, где был выполнен цикл работ по исследованию фотопоглощения и фотоделения ядер на установке РОКК (Рассеянные Обратные Комптоновские Кванты). В настоящее время работы по фотоядерным реакциям на комптоновских пучках активно ведутся в Брукхэвене (США) на установке LEGS (Laser Electron Gamma Source), Гренобле на накопителе ESRF (эксперимент GRAAL – GRenoble Accelerateur Anneau Laser), в Японии на SРring-8 (установка LEPS – Laser Electron Photon Source) и других. Дополнительную информацию по этим установкам можно найти в обзоре [6.1].
    Важным достоинством используемого в этих работах пучка (в дополнение к монохроматичности, обеспечиваемой системой мечения) является когерентность и высокая степень поляризации, что позволяет исследовать спиновую структуру нуклонов, различные поляризационные эффекты в рассеянии фотонов на ядрах и нуклонах. Для получения комптоновских пучков необходимы электронные накопители, где ток электронов достигает нескольких сотен mA. При этом интенсивность гамма - пучка сравнительно невысока (до 10⁷ фотон/сек). Ограничение по интенсивности связано с выбиванием лазерным лучом электронов с орбиты накопителя и уменьшением времени жизни пучка. Для фотоядерных исследований в области средних энергий существуют дополнительные ограничения на интенсивность пучка, связанные с ограниченным быстродействием используемой электроники, возможностями системы сбора и обработки данных при записи событий, и в целом все эти условия вполне согласуются между собой.
    Повышение интенсивности гамма – пучка, получаемого методом обратного комптоновского рассеяния вполне возможно, если использовать длинноволновые лазеры. В этом случае потери энергии электрона на излучение гамма-квантов сравнительно невелики, и поэтому рассеянный электрон не теряется в накопителе, а возвращается на свою равновесную орбиту. В этом случае принципиальных ограничений на интенсивность пучка нет. Первые успешные экспериментальные результаты в этом направлении получены в Японии на нескольких электронных накопителях с использованием длинноволновых СО₂ лазеров, а также в США в университете Дьюка с помощью лазера на свободных электронах. Учитывая важность этого направления, особенно для прикладных исследований, мы обсудим этот вопрос ниже в отдельной главе.
    Среди проектов для будущих установок подобного типа следует отметить станцию “ГАММА”, которая создается в Курчатовском Центре Синхротронного Излучения (КЦСИ) на накопителе электронов “Сибирь-2”. В России этот центр является первым специализированным источником СИ, и создание на нем пучка жестких гамма квантов является актуальной задачей.

6.1. Основные характеристики процесса обратного комптоновского рассеяния

    Дифференциальное сечение обратного комптоновского рассеяния лазерных фотонов на электронах в лабораторной системе (без учета поляризации) согласно расчетам [7,8] можно представить виде :

,

(6.1)

где K = 1 + n + , n = , = E_e/m_e , = 2 / E_e , - энергия лазерных фотонов, - угол вылета гамма – кванта относительно импульса электрона.

 Спектр гамма – квантов, который представлен на рис.6.1, описывается уравнением

(6.2)

Энергия комптоновских квантов однозначно связана с углом рассеяния:

(6.3)

Рис. 6.1.  Спектр d0/dEγ (левая шкала) и поляризация (3 - линейная , 2 – циркулярная (правая шкала)) для  обратного комптоновского излучения.  По оси абсцисс отложена энергия (верхняя шкала) и угол испускаемых гамма–квантов.

   Из приведенных формул видно, что большая часть интенсивности пучка фотонов сосредоточена в пределах малого угла, характеризуемого релятивистским фактором 1/ = m_e/E_e. Для большинства имеющихся установок энергия электронов составляет несколько ГэВ, следовательно характерный угол не превышает 10^-3 рад.
    Поляризация комптоновских гамма квантов определяется поляризацией лазерных фотонов. Сечение с учетом поляризации фотонов (при рассеянии на неполяризованных электронах) можно выразить через параметры Стокса ξ = {ξ₁, ξ₂ , ξ₃}, где ξ₃ = 1 означает горизонтальную (х) линейную поляризацию, ξ₃ = -1 соответствует вертикальной (y) линейной поляризации, ξ₁ характеризует линейную поляризацию под углом 45⁰, ξ₂ соответствует циркулярной поляризации :

.

(6.4)

Здесь означает азимутальный угол, x и y – переменные, определяемые начальным и конечным импульсом фотона (k, k') и электрона (p,p'), х = 2pk/m², y = 2pk'/m² , соответственно.
    Зависимость линейной и циркулярной поляризации гамма квантов от энергии вместе со спектром показана на рис.6.1. Видно, что при максимальной энергии, которая соответствует углу рассеяния 180⁰, степень поляризации равна 100 %. Следует однако отметить, что до сих пор прямых экспериментов по измерению поляризации гамма – квантов средних энергий не было сделано.

6.2. Параметры установок

    Основные параметры имеющихся в мире установок с пучками комптоновских фотонов средних энергий приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1. Параметры установок с пучками обратных комптоновских фотонов

Название установки и накопителя	Ladon	Taladon		РОКК					LEGS	GRAAL	LEPS
				1	2		1М
	Фраскати Adone			Новосибирск ВЭПП 4, 3, 4М					Брукхэвен NSLS	Гренобль ESRF	Осака SP- ring 8
Энергия электронов Ее, ГэВ	1.5		1.5	1.8-5.5		.35 - 2.0		1.4-5.3	2.5	6.04	8.0
Ток электронов Ie, A	0.1		0.1	0.2		0.1		0.2	0.2	0.1	0.2
Энергия лазерных фотонов W, эВ	2.45		2.45	2.34 -2.41		2.41 – 2.53		1.17 – 3.51	3.53	3.53	3.5
Энергия комптоновских квантов Eγ, МэВ	5-80		35-80	100-960		140 – 220		100 –1200	180 -320	550 –1470	150-2400
Разрешение по энергии (FWHM), MэВ	0.07- 8		4 –2	1.5 – 2		4			6	16	30
Интенсивность Nγ,сек	105		5.105	2.105		2.106		2.106	4.105	2.106	107

    Видно, что имеющиеся установки перекрывают широкий диапазон энергий вплоть до 3.5 ГэВ. Интенсивность пучка не превышает 10⁷ фотонов/сек, что определяется временем жизни пучка в накопителе. Для получения высокой степени монохроматичности комптоновского пучка по энергии дополнительно используется метод мечения, то есть регистрация на совпадение рассеянных электронов с продуктами ядерной реакции. Для этого предпочтителен непрерывный во времени пучок, или пучок с большим коэффициентом заполнения.
    На современных накопителях, используемых как специализированные источники синхротронного излучения, расстояние между банчами (электронными сгустками) может составлять величину порядка одной наносекунды при длительности сгустка несколько десятков пикосекунд, а длина орбиты достигает километра и более. Поэтому такой пучок с точки зрения регистрирующей системы (с учетом разрешающей временной способности при регистрации на совпадение электронов с продуктами ядерной реакции) можно считать непрерывным. Однако, даже в односгустковом режиме, используемом для работы на встречных пучках, частота повторения достаточна для работы системы мечения при ограниченной интенсивности.

Рис. 6.2. Схема установки РОКК-2 на накопителе электронов ВЭПП-3. TS - система мечения фотонов по энергии,М1 – M2 - магниты, L1 - L4 - квадрупольные линзы, w - кварцевое окно), L – лазер, АОМ - акусто-оптический модулятор, РС - ячейка Поккельса, FD - детектор ядерных фрагментов, CМ – очищающий магнит, SC, Х, Y, PC – мониторы пучка, TD – детектор полного поглощения фотонов.

    Варианты систем мечения различны на разных установках и отличаются как типом детекторов для регистрации рассеянных электронов, так и элементами накопителя, которые требуют специальной доработки. В Брукхэвене на установке LEGS используется длинный канал для проводки рассеянных электронов к пластиковым сцинтилляторам через специально сконструированную линзу.
    На всех остальных установках, отмеченных выше в табл. 1, детектор рассеянных электронов устанавливается за магнитом накопителя в непосредственной близости от оси пучка электронов. При этом, чтобы иметь максимальный диапазон системы мечения, на время инжекции, когда колебания орбиты велики, детектор на несколько сантиметров отодвигается от пучка, в рабочем режиме приближается к нему. В качестве примера на рис. 2 показана схема, используемая в Новосибирске на установке РОКК-2.
    Следует отметить, что гамма – установки, приведенные в таблице 1, имеются на всех центрах синхротронного излучения, на которых работает одновременно большое число пользователей пучков СИ. Это обусловлено не только интересом к изучению взаимодействия гамма квантов с ядрами, но и тем, что создание комптоновских установок на накопителях полезно для диагностики работы самого накопителя, что включает в себя прецизионный контроль вакуума, диагностику накопления ионов в накопителе, измерение положения и стабильности орбиты электронов, измерение динамической поляризации пучка электронов в накопителе.
    Установлено, что вакуум в накопителе неоднороден; вблизи орбиты за счет накопления ионов он значительно отличается от среднего. Обычными методами изучать такие параметры, которые очень важны для оптимальной настройки пучка, практически невозможно. В этой связи большой интерес представляет проект создания комптоновского пучка на накопителе электронов “Сибирь-2” в Курчатовском центре синхротронного излучения КЦСИ, который является первым специализированным источником СИ в России.

Дополнительная литература:

1. В.Г.Недорезов, А.А.Туринге, Ю.М.Шатунов. Фотоядерные эксперименты на пучках гамма-квантов, получаемых методом обратного комптоновского рассеяния. УФН 174, 4 (2004) 354-370.

_24.04.2014