|
Ebeam ≈ s/2mtarget = 2E*2/mtarget, | (14.1) |
как следует из соотношения (2.4). Таким образом, для достижения одного и того же значения s в опытах с "фиксированной" мишенью нужен в 2E*/mtarget более мощный ускоритель, чем в коллайдерных опытах. С другой стороны, для коллайдерных экспериментов фактически нужны два идентичных ускорителя (если рассматривать симметричный коллайдер). Другое обстоятельство, работающее не в пользу коллайдера, связано с понятием светимости, а именно: в опытах с "фиксированной" мишенью достаточно легко увеличивать светимость простым увеличением толщины мишени, тогда как достижение высокой светимости в коллайдерах обеспечивается за счет очень точного сведения пучков в точке встречи и уменьшения их поперечных размеров при увеличении интенсивности пучков. Техническое решение этой задачи довольно сложно. Есть и третье обстоятельство: одни области фазового пространства реакций экспериментаторам легче исследовать при выполнении коллайдерных экспериментов, другие, наоборот, в экспериментах с неподвижными мишенями. Именно поэтому неразумно ограничиваться только экспериментами одного из этих типов.
Одна из важнейших характеристик любого ускорителя - интенсивность пучка, так как она определяет частоту появления (в единицу времени) исследуемых событий. В последние десятилетия стала популярной другая характеристика "интегрального" типа, а именно − светимость. Она удобна для коллайдеров, но полезна и для ускорителей "с фиксированной мишенью". В последнем случае светимость определяется интенсивностью и "фактором заполнения" ("duty factor"), т. е. длительностью импульса излучения и толщиной мишени (см. формулу (8.7)):
L = Nnucl · I/τ · δ = l · ρ/A · I/τ ·δ · 6.022·1023 · nmol = n/σ, | (14.2) |
где Nnucl − число ядер-мишеней в одном см2 на пути пучка, I − число частиц в
импульсе излучения, δ − "фактор заполнения" ("duty factor"): δ = τ/T (здесь τ − длительность импульса излучения, T − период повторения этих импульсов (все − в секундах));
l − толщина мишени (в см), ρ − плотность вещества мишени (в г/см3), A − молекулярный вес вещества мишени (в г/моль), nmol − число атомов, содержащих
ядра-мишени в молекуле вещества мишени, n − число событий исследуемого процесса в
единицу времени (сек), σ − его поперечное сечение.
Оценка выхода исследуемых событий согласно (14.2) верна для очень тонких
мишеней, когда поглощением частиц (пучковых и/или регистрируемых) можно
пренебречь. Обычно учет мультипликативной поправки на поглощение делается
отдельно, и даже тогда, когда она заметна, формула (14.2) используется для
приближенной быстрой оценки выхода исследуемых событий, например, при
планировании эксперимента. Еще одно очевидное предположение, скрытое в формуле
(14.2), заключается в том, что мишень полностью перехватывает пучок, т. е. ее
поперечное сечение не меньше поперечного размера пучка.
Размерность светимости − 1/(см2·сек); поэтому ее обратная величина дает
значение сечения, при котором нужные события появляются с частотой 1 Гц (т. е.
один раз в секунду). В Табл. 14.1 даны характерные светимости при разных
интенсивностях пучка, падающего на мишень толщиной 1 см при факторе δ = 1.
Интенсивность пучка часто приводят в µA или mA; полезно помнить, что для
однозарядных частиц ток в 1 µA соответствует ≈ 6.25·1012 ≈ 2π·1012 частиц/сек. Наоборот: интенсивность в 1012 частиц/сек
соответствует току ≈ 0.16 рА ≈ (1/2π) µА.
Таблица 14.1. Светимости для мишеней толщиной 1 см при δ = 1.
Вещество | ρ, г/см2 | А | L(I=106 /сек) | σ(1 Гц) |
---|---|---|---|---|
H2 (жидк.) |
0.0708 | 2 | 4.2·1028 | 24 мкбн |
CH2 | 0.92-0.95 | 14 | 4.02·1028 (углерод) |
25 мкбн |
Аl | 2.7 | 27 | 6.02·1028 | 17 мкбн |
Рb | 11.35 | 207 | 3.3·1028 | 33 мкбн |
Большинство действующих ускорителей для высоких энергий находится вне России. Некоторые из них (коллайдеры) упомянуты в книге [25], в частности:
Действующие в настоящее время коллайдеры других центров:
Из циклических ускорителей, находящихся вне России, нужно также упомянуть:
Рис. 14.1. Ускорительный комплекс ЦЕРН. Общая схема. LHC: Large Hadron C'ullider, SPS: Super Proton Synchrotron, AD: Antiprolon Decelerator, ISOLDE: Isotope Separator Online DEvice, PSB: Proton Synchrotron Booster, PS: Proton Synchrotron, LINAC: LINear Accelerator, LEIR: Low Energy Ion Ring, CNOS: Cern Neutrinos to Gran Sasso
В России для физики высоких энергий пока еще работают два ускорителя:
Таблица 14.2. Основные параметры ускорителя У-70 в ИФВЭ, Протвино.
Максимальная энергия | 76 ГэВ |
Энергия инжекции | 1.32 ГэВ |
Интенсивность пучка протонов в импульсе | 1.7·1013 |
Частота повторения импульсов | 0.11 Гц |
Периметр орбиты | 1483.63 м |
Радиус кривизны орбиты в магнитном блоке | 194.12 м |
Число магнитных блоков | 120 |
Число суперпериодоа магнитной структуры | 12 |
Прирост энергии за оборот | 170 кэВ |
Частота ускоряющего напряжения | 5.5-6.1 МГц |
Длительность цикла | ~9 сек |
Индукция магнитного поля | 0.355 кГс |
Длительность плато | 2 сек |
Порядок фокусировки | FODO |
Бетатронная частота | 9.75-9.85 |
Кратность ускорения | 30 |
Критическая энергия | 8 ГэВ |
Размеры гладкой вакуумной камеры | 200×100 мм2 |
Date of CommissioningThe VEPP-4M is the updated facility of that having been operated during the period from 1979 to 1985. It's updating was undertaken for an increase in its luminosity and for the change of its detector. The booster storage ring VEPP-3 was put into operation again in 19S6 and the VEPP-4M was really commissioned in 1992. The Most Important Subjects of Work
The Main Technical Parameters of the FacilityVEPP-4M is the only one in Russia collider with the high energy beams of electrons and positrons. The VEPP-4M accelerator facility consists of the electron-positron collider VEPP-4M at an energy up to 6000 MeV, a synchrotron at an energy of 350 MeV, and linear accelerator which enables the obtaining of 7 MeV electrons or positrons. Both the storage ring VEPP-3 and the VEPP-4M collider are used in experimental studies. These installations have rooms specialty equipped for the operation with SR beams. At the VEPP-4M there is the ROKK-1M installation (Backward Scattered Compton Quanta), producing the polarized tagged gamma-quanta within the energy range from 50 to 1600 MeV, obtained with the method of the backward Compton scattering of the laser light on the VEPP-4M electron beam. |
Рис. 14.3. ВЭПП-4М: общие сведения.
14.2 Циклические ускорители для физики переходной области В этом разделе кратко характеризуются ускорители для физики промежуточных
энергий, действующие в России; характеристика ускорителей этого класса в других
странах дана выборочно. Отобраны только те действующие машины, которые дают для
экспериментаторов первичные пучки ускоренных протонов и ядер. Ускорители
электронов или позитронов здесь не рассматриваются. 14.2.1 Действующие в России ускорителиОсновной базой ядерной физики промежуточных энергий в России остается Объединенный Институт Ядерных Исследований в Дубне (ОИЯИ), основанный в 1956 году. Ускорительный комплекс ЛФВЭ ОИЯИДо 2003 года ускорительный комплекс Лаборатории физики высоких энергий (ЛФВЭ им. Векслера-Балдина) Объединенного Института Ядерных Исследований состоял из двух ускорителей: Синхрофазотрона (старейший и единственный в мире из тех ускорителей с "мягкой" фокусировкой, которые проработали почти 50 лет) и Нуклотрона − первого в Европе действующего сверхпроводящего синхротрона с жесткой фокусировкой, построенного в самые тяжелые для российской науки годы. Можно сказать, что он был введен в строй скорее вопреки господствовавшей в те времена политике в области науки и культуры, чем "благодаря..." (см. [99] и Табл.14.3). Таблица 14.3. Технические характеристики ускорителей ЛФВЭ
Комплекс ЛФВЭ имеет довольно богатый набор ускоряемых пучков, включая
поляризованные пучки дейтронов, протонов и нейтронов. Особенностью этого
ускорительного комплекса является наличие поляризованной протонной или
дейтронной мишени, которая может быть использована для экспериментов как на
неполяризованных, так и на поляризованных пучках. Такое сочетание у нынешних
ускорительных комплексов встречается довольно редко. На рис. 14.6 представлена
упрощенная схема комплекса и его пучков, а в Табл. 14.4 приводится перечень
ускоряемых частиц и ядер. Интенсивности пучков Нуклотрона в настоящее время
соответствуют стадии I; стадия II требует создания бустера-накопителя, поэтому в таблице даны ожидаемые (расчетные) значения. В ноябре 2002 г. было успешно
осуществлено ускорение поляризованных дейтронов в Нуклотроне и на выведенном из
него пучке поляризованных дейтронов были проведены физические эксперименты. Таблица 14.4. Прежние и проектные интенсивности пучков ускорительного комплекса ЛФВЭ (частиц/цикл); знаком * отмечены квазимонохроматические выведенные пучки нуклонов, получаемые из выведенных дейтронных пучков после реакции развала d → p. Данные, помеченные знаком (*) − интенсивность, ожидаемая после ввода в эксплуатацию нового источника поляризованных ионов.
Рис. 14.4. Доступ к порогам рождения частиц в pp, pd и p12C взаимодействиях. Абсцисса: лабораторная кинетическая энергия протонного пучка (для ядер (дейтронов и т. п.) это соответствует кинетической энергии на один нуклон). Стрелки над осью абсцисс указывают положения слабых деполяризующих резонансов в Нуклотроне для поляризованного d пучка (см. работу [100]). Другие детали этого рисунка поясняются в Части II.
Рис. 14.5. Передачи 4-импульса при рождении частиц на пороге в pp взаимодействиях. Другие детали этого рисунка поясняются в Части II.
Синхроциклотрон ПИЯФ (Гатчина).Информацию о ПИЯФ - Петербургском Институте Ядерной Физики. и его протонном ускорителе (макс, кинетическая энергия протонов около 1 ГэВ) можно найти на сайте ПИЯФ (см. [101] и перечисленные там же статьи); там же приводится краткий очерк истории физики частиц в ПИЯФ. Параметры ускорителя и выведенных пучков даны в Табл.14.5 и Табл.14.6-14.8. Таблица 14.5. Важнейшие параметры синхроциклотрона ПИЯФ.
Таблица 14.6. Параметры протонных пучков в ПИЯФ.
Таблица 14.7. Параметры вторичных пучков ПИЯФ.
Таблица 14.8. Нейтронный пучок ПИЯФ.
В опытах, выполненных на этом ускорителе, было очень подробно изучено рассеяние протонов на большом числе ядер и получено много прецизионных данных об упругом и неупругом рассеянии с возбуждением ядерных уровней, структуре ядер и распределении плотности ядерного вещества в различных ядрах. Здесь существенную роль сыграл удачный выбор энергии ускорителя во время его проектирования (ускоритель запущен в 1967 г. и вышел в эксплуатационный режим в апреле 1970 г.): при кинетической энергии около 1 ГэВ для анализа данных по упругому и неупругому (с возбуждением ядерных уровней) рассеяния хорошо применима теория рассеяния Глаубера-Ситенко. Ускоритель ИТЭФ (Москва) Этот ускоритель относится к классу синхротронов с жесткой фокусировкой. Он
был построен в Москве, в ИТЭФ, как прототип-модель 70-ГэВного ускорителя ИФВЭ (Протвино) и способен ускорять протоны до энергии
10 ГэВ, т. е. работает практически в том же диапазоне, что и ускорительный
комплекс ЛФВЭ ОИЯИ. Протонный пучок используется как сам по себе, так и для
генерации пучков вторичных частиц (мезонов). Физическая программа исследований
на этом ускорителе включает в себя большое число экспериментов по ядерной физике
промежуточных энергий с акцентом на исследования кумулятивных процессов и
подпорогового рождения каонов и антипротонов. В этом направлении было получено
много интересных и важных результатов. |
14.2.2 Действующие вне России ускорителиУскоритель COSY (Юлих, Германия) Ускоритель COSY в Юлихе − современная машина с электронным охлаждением пучка.
Его максимальная проектная энергия протонов (кинетическая ) была 2.5 ГэВ. В
настоящее время она доведена до 2.83 ГэВ, что немного выше порога рождения
Таблица 14.9. Основные параметры ускорителя COSY
Ускорительный комплекс GSI/FAIRЭтот ускорительный комплекс находится вблизи Дармштадта (Германия); он предназначен для исследований реакций взаимодействия тяжелых ионов релятивистских энергий. Его нынешняя программа исследований сформировалась под заметным влиянием научной программы ОИЯИ, чему способствовало давнее сотрудничество Германии с ОИЯИ. Таблица 14.10. Проектные параметры пучков комплекса SIS100/300.
Комплекс состоит из двух ускорителей и накопительного кольца (UNILAC, SIS и
ESR), предназначенных для ускорения тяжелых ионов, создания пучков нестабильных
(радиоактивных) ядер и исследований их взаимодействий. О проектных параметрах
нынешнего комплекса можно найти информацию в работах [103].
Рис. 14.9. Ускорительный комплекс GSI (показан синим цветом) включает линейный ускоритель UNILAC, тяжелоионный синхротрон SIS18, сепаратор фрагментов FRS и накопительное кольцо для экспериментов ESR. Красным цветом показаны будущие элементы (FAIR): синхротрон для тяжелых ионов (двойное кольцо) SIS100/300, накопительные кольца (для высоких энергий HESR, кольцо собирания CR, кольцо для ядерных фрагментов NESR), сверхпроводящий сепаратор фрагментов Super-FRS и детекторные станции (PANDA, CBM) для экспериментов. Комплекс UNILAC/SIS18 выступает в роли инжектора для SIS100/300. В 2002 г. начато проектирование и строительство нового крупного ускорительно-инструментального комплекса FAIR. В нем активно участвуют физики и инженеры России и ОИЯИ. Таблица 14.11. Важнейшие параметры синхротронов и накопителей с охлаждением пучка будущего нового комплекса FAIR.
Таблица 14.12. Важнейшие параметры синхротронов и накопителей с охлаждением пучка будущего комплекса FAIR (продолжение).
Циклотрон Института им. Пауля Шеррера (Швейцария) В Институте им. Пауля Шеррера (PSI) есть несколько машин, которые
используются для прикладных исследований или ядерной физики низких энергий, но
секторный сильноточный циклотрон в основном был нацелен на задачи физики частиц
и ядерной физики промежуточных энергий (вблизи нижней границы этой области). Это
протонный ускоритель с возможностью ускорения поляризованных протонов. Высокая
интенсивность протонного пучка (большой ток) позволяет получать достаточно
интенсивные нейтронные и пионные пучки (поэтому его относят также к "мезонным
фабрикам"). В настоящее время работы на этой машине ориентированы, главным
образом, на прикладные исследования. Таблица 14.13. Важнейшие параметры ускорителя PSI.
* * * Перечисленные в этом разделе ускорители для адронной физики промежуточных
энергий расположены в европейской части Евразийского континента. В этом списке
нет появившихся недавно в Китае аналогичных ускорителей; не охарактеризованы также и машины. существующие
(или вступающие в число действующих) в Японии (кроме циклотрона Университета г.
Осаки, см. далее). Кольцевой циклотрон в RCNP (Университет Осаки). Этот ускоритель [105] похож на секторный циклотрон в Виллигене (Институт им.
Пауля Шеррера, Швейцария), но отличается более высокой степенью
монохроматичности пучка из-за более современной ускоряющей ВЧ системы. Он
способен ускорять протоны, дейтроны, ядра 3He и α-частицы, а также другие легкие
ионы до энергий (кинетических) 400, 200, 510, 400 и 400·Q2/A МэВ соответственно.
Интенсивность выведенных пучков − до 1 µА − ограничена требованиями радиационной
безопасности. Система инжекторов обеспечивает возможность ускорения
поляризованных протонов, дейтронов и ядер 3He с варьируемой ориентацией
поляризации выведенного пучка. Эта машина хорошо приспособлена для проведения
экспериментов по ядерой физике, равно как и опытов по рождению пионов вблизи
порога, включая кумулятивную (для пионообразования) область. Особенность
ускорительно-инструментального комплекса, привлекающая экспериментаторов:
высокое качество выведенных пучков и отличные спектрометры. Таблица 14.14. Важнейшие параметры кольцевого циклотрона университета Осаки
Ядро инструментальной базы этого комплекса состоит из время-пролетного нейтронного спектрометра и двух высококачественных спектрометров заряженных частиц (Grand Raiden и Спектрометр с Большим Аксептансом − LAS), которые могут работать вместе как двухплечевая установка. Основные характеристики машины и спектрометров приведены в Табл. 14.14, 14.15. Спектрометр Grand Raiden имеет в своем составе также дипольный магнит для вращения спина, что позволяет измерять параметры вращения спина вторичных частиц. Каждый из спектрометров имеет в фокальной плоскости детектор с дрейфовыми камерами и поляриметром для измерения поляризации вторичных частиц. Таблица 14.15. Важнейшие параметры спектрометрического комплекса Grand Raiden-LAS.
14.2.3 Ускорители недавнего прошлого.Комплекс CELSIUS (Уппсала, Швеция).Этот ускоритель, как и COSY, имел систему электронного охлаждения пучка. Сведения о его основных параметрах можно найти в работах [106] и в Табл.14.16. Ускоритель был рассчитан на работу исключительно с внутренними мишенями. В настоящее время его работа закончена, ускоритель и его установки демонтированы; одна из них (WASA) перебазирована в Германию, на комплекс COSY и продолжает эксплуатироваться там. Таблица 14.16. Важнейшие физические параметры ускорителя CELSIUS
Ускоритель Национальной Лаборатории САТУРН (Сакле) В 1958 г. в ядерно-физическом центре Сакле (вблизи Парижа) было завершено
строительство и началась регулярная работа протонного ускорителя, ставшего
базовой установкой образованной к тому времени Национальной Лаборатории САТУРН
(LNS). Таблица 14.17. Диапазон энергий пучков ускорителя САТУРН-II
Кроме пучков неполяризованных частиц и ядер (см. Табл. 14.17, 14.18),
ускоритель позволял проводить эксперименты с пучками поляризованных протонов (с
поляризацией до 90%), поляризованных дейтронов (причем их векторная поляризация
была до 60%, а тензорная - до 90%) и поляризованных ядер лития-6 (с
интенсивностью до 1010 частиц/цикл). Длительность импульса излучения могла
выбираться от 100 миллисекунд до 1 секунды, период повторения импульсов
излучения был (при максимальной энергии пучка) около 4.5 секунд. Таблица 14.18. Интенсивности пучков ускорителя САТУРН-II (частиц/цикл)
14.3 Проект коллайдера НИКА в ОИЯИИсследовательскую программу ОИЯИ в области физики частиц и атомных ядер промежуточных энергий на 2010-2017 годы планируется сосредоточить вокруг следующих проблем:
Для осуществления этой программы необходимы новые инструменты, и в ближайшие
5-6 лет в ОИЯИ планируется создать новый ускорительный комплекс для физики
релятивистских тяжелых ионов, включающий в себя Нуклотрон, накопитель-коллайдер
тяжелых ионов НИКА и соответствующие современные многоцелевые детекторы. Комплекс Нуклотрон-НИКА должен обеспечить:
Предусматривается сохранение возможности проведения экспериментов с пучками,
выведенными из Нуклотрона в экспериментальный зал на неподвижные (в лаб.
системе) мишени, равно как и с внутренними мишенями в кольцах Нуклотрона и
коллайдера. (1) Здесь термин "циклический" является калькой с английского cycle. (2) В англоязычной литературе используется термин "fixed target experiments". |