^^^^^^^^^^^^^^^^ ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ^^^^^^^^^^^^^^^^
ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.05
ИЗМЕРЕНИЕ ИМПУЛЬСНОГО РАЗБРОСА ПРОТОННОГО ПУЧКА, ВЫВЕДЕННОГО ИЗ УСКОРИТЕЛЯ У-70 МЕТОДОМ КАНАЛИРОВАНИЯ
© 2010 г. В. В. Мочалов, А. Н. Васильев, А. В. Рязанцев, П. А. Семенов, Ю. М. Гончаренко, А. А. Деревщиков, А. С. Константинов, В. А. Маишеев, Ю. А. Матуленко, Ю. М. Мельник, А. В. Минченко, А. П. Мещанин, Д. А. Морозов, Л. Ф. Соловьев, А. Е. Якутин, Ю. А. Чесноков
ГНЦ РФ "Институт физики высоких энергий" Россия,142281, Протвино Московской обл., ул. Победы, 1 E-mail: Vasily.Mochalov@ihep.ru Поступила в редакцию 15.01.2010 г.
Впервые измерен импульсный разброс пучка протонов, выведенного из вакуумной камеры ускорителя У-70 методом каналирования. При угле изгиба монокристалла кремния 80 мрад достигнуты следующие параметры пучка: интенсивность 107 протонов/с при сбросе на кристалл 1012 протонов/с, импульсный разброс пучка Ap/p = 0.13%, количество фоновых частиц не превышает 0.03%.
ВВЕДЕНИЕ
Начиная с 1989 г. в ГНЦ ИФВЭ проводились работы по выводу протонного пучка непосредственно из вакуумной камеры ускорителя методом каналирования с использованием изогнутого монокристалла кремния [1, 2]. Этот метод был специально разработан для проведения исследований на поляризованной протонной мишени экспериментальной установки ПРОЗА-М [3].
Одним из основных требований к пучку является его стабильность. Требуемая стабильность точности наведения протонного пучка на мишень на уровне долей миллиметра была достигнута после проведения специальных исследований и модернизации системы наведения пучка на кристалл [4].
Несмотря на то что размер и интенсивность полученного пучка протонов в канале косвенно указывали на его чистоту, измерение импульсного разрешения и определение состава пучка ранее не проводили из-за отсутствия необходимого оборудования в канале 14. По оценкам, с учетом характеристик пучка внутри кольца ускорителя У-70 импульсный разброс пучка составляет ~10-3.
Основная цель проведенных измерений — оценить правильность теоретических расчетов параметров протонного пучка, выводимого в зону каналов 2Б/14. Исходя из этой цели, решались следующие основные задачи:
— обеспечение вывода протонного пучка через изогнутый кристалл кремния в канале частиц 2Б/14 с низкой интенсивностью (от 103 до 3 • 105) протонов за сброс (требование достаточно низкой интенсивности пучка обусловлено использованием в магнитном спектрометре дрейфовых ка-
мер с относительно большим дрейфовым промежутком);
— измерение характеристик протонного пучка, а именно импульсного разброса пучка протонов, и оценка примеси фоновых частиц в пучке.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Исследования проводились на канале 2Б, имеющем общую с каналом 14 магнитную систему в головной части канала и общие кристаллические дефлекторы, т.е. одинаковые условия вывода пучка. Выбор канала определялся наличием трековой системы для прецизионного измерения энергетического разрешения [5], позволяющей проводить измерения импульса с разрешением 0.13% при энергии 45 ГэВ [6].
Схема экспериментальной установки для исследования характеристик пучка приведена на рис. 1. В состав установки входят: триггерные сцинтилляционные счетчики S3; два пучковых годоскопа Н1 и Н2, расположенные на расстоянии 12 м друг от друга; спектрометр, состоящий из дрейфовых камер БС1 и БС2, удаленных на расстояние 4.6 м друг от друга и установленных до магнита, спектрометрического магнита длиной 4 м с полем ~15 кГс и двух дрейфовых камер БС3 и БС4, установленных после магнита, расстояние между которыми составило 6 м.
Второе плечо спектрометрического тракта, состоящее из камер БС3 и БСА, было повернуто на угол ~52 мрад относительно оси пучка. Для измерения импульсного разброса пучка использовались только дрейфовые камеры. Пучковые годо-скопы на основе оптических волокон, создание которых планировалось для нового поляризаци-
Рис. 1. Схема экспериментальной установки. — сцинтилляционные счетчики; Щ — волоконные годоскопы;
ВС 1— ВС4 — станции дрейфовых камер.
онного эксперимента [7, 8] на канале 14, в данном эксперименте использовались для независимой калибровки дрейфовых камер. Характеристики основных приборов приведены в табл. 1.
Для регистрации направления частицы пучка и определения ее импульса использовался спектрометр на основе дрейфовых камер. Каждая координатная станция камер (рис. 2) имела две плоскости, сдвинутые друг относительно друга на 12 мм. Всего использовалось 96 каналов дрейфовых камер. Подробное описание камер и результаты исследования их параметров приведены в работе [6].
На рис. 3 приведена зависимость времени дрейфа от координаты. Координатное разрешение дрейфовых камер ожидалось не хуже 0.16 мм, эффективность вне зоны нечувствительности была 90% (рис. 4). Эффективность каждой станции составила 75%, прежде всего, из-за зон неэффективности около полевых проволочек.
Процедура независимой калибровки (геометрической привязки) дрейфовых камер проводилась при помощи двух двухкоординатных годо-скопов, созданных на основе оптических волокон аналогично детекторам эксперимента COMPASS (CERN) [9].
Сцинтилляционные волокна SCSF-38 фирмы Kuraray диаметром 0.5 мм образуют 32 колонки с шагом 0.44 мм, как показано на рис. 5. Каждая колонка имеет пять волокон в направлении движе-
ния частиц. Соседние колонки слегка перекрываются, что позволяет устранить "мертвые" зоны из-за наличия нечувствительных оболочек волокон и повысить эффективность регистрации. Белая водно-дисперсионная краска, используемая для фиксации волокон в кассете, препятствует распространению сцинтилляционного света в поперечном направлении. Свет с двух соседних колонок волокон регистрируется одним фотоэлектронным умножителем ФЭУ-84/3. Сигнал с фотодетектора через дискриминатор с э.с.л.-вы-ходом направляется на времяцифровой преобразователь (в.ц.п.). Чувствительная область каждой связки волокон составляет 14 х 130 мм. Рабочая область годоскопа, т.е. область, где перекрываются рабочие области горизонтальной и вертикальной связок волокон, составляет 14 х 14 мм. Эффективность работы годоскопов 96%. Разрешение детектора а х у = 0.88/л/12 = 0.254 мм.
Для выработки триггерного сигнала установки необходимо одновременное срабатывание сцин-тилляционных счетчиков S1, 52, 53 диаметром 10 см каждый.
Архитектура системы сбора данных описываемой установки проста (рис. 6), так как для регистрации данных с камер и годоскопов использовалась однородная электроника. Для получения трековой информации сигналы с дрейфовых камер и годоскопов формировались и преобразовывались в стандарт э.с.л. усилителями-форми-
Таблица 1. Характеристики использовавшихся трековых детекторов
№ п/п Детектор Тип детектора Станции Расстояние от центра магнита, мм Шаг, мм Число каналов в плоскости Размер детек-2 тора, мм2
1 #1 Волоконный годоскоп X, y -21287 0.88 16 14 х 130*
2 h2 Волоконный годоскоп X, y -8587 0.88 16 14х130*
3 DQ Дрейфовая камера x, y -8060 12.0 16 192 х 192
4 dc2 Дрейфовая камера x -3440 12.0 16 192 х 192
5 dc3 Дрейфовая камера x +3100 12.0 16 192 х 192
6 dc4 Дрейфовая камера x, y +9100 12.0 16 192 х 192
* Размер чувствительной области для каждой связки волокон.
о
24 мм
о Сигнальный провод
• Полевой провод
Рис. 2. Структура дрейфовой станции.
рователями. Использовались усилители-формирователи УПД-16 производства ИФВЭ с порогом регистрации 3 мкА для камер и 20 мкА для волоконного годоскопа. Ширина формирования выходного сигнала УПД-16 составляла 150 нс. Сигналы трековой системы регистрировались с помощью в.ц.п. LeCroy TDC 3377 в стандарте КАМАК и использовались для определения факта и времени срабатывания каждого канала. Информация о времени срабатывания волоконного годоскопа использовалась только для отбора событий, при этом ширина окна для полезных событий с волоконного годоскопа составляла 30 нс. Точность регистрации времени срабатывания составляла 1 нс в диапазоне 1 мкс. Времяциф-ровые преобразователи использовались в режиме COMMON STOP, когда измеряется время от момента регистрации сигнала с детектора до момента прихода триггера, задержанного на известное время. Если в течение 1 мкс до прихода задержанного триггера канал срабатывает несколько раз, регистрируются все (но не более 16-ти) срабатывания.
Программирование заданных режимов в.ц.п. и чтение поступающей из модулей информации осуществлялось по параллельной ветви КАМАК через драйвер ветви в стандарте VME (CES CBD8210). Связь с компьютером системы сбора данных выполнялась через мост PCI-VME BIT3, который также транслировал в компьютер прерывания из VME-модуля для синхронизации процессов системы сбора данных с работой У-70.
Для восстановления трека частицы первоначально необходимо определить зависимость координаты частицы от времени в дрейфовой камере. Также надо подобрать правильную задержку для каждой проволочки (с точностью до общей постоянной) и определить зависимость скорости дрейфа от расстояния для каждой станции. В идеальном (но не нашем) случае эта зависимость линейна.
Мы выбрали способ, при котором координата в каждой плоскости определялась через разность времен At срабатываний двух соседних, находя-
Координата, мм
Рис. 3. Зависимость времени дрейфа от координаты в
дрейфовых промежутках.
щихся в разных плоскостях проволочек. При таком подходе нулевая координата соответствует центру промежутка между проволочками (А/ = 0). Выбор такого алгоритма обусловлен тем, что при квадратичной зависимости от времени дрейфа пути пролета частицы от проволочки зависимость разности времени от координаты будет линейной. Для восстановления координаты мы использовали функцию хгес = с0 + с{А/ + с2(А/)3, так как зависимость должна быть нечетной функцией относительно разности времен. Здесь с0 определяет удаление центра данного дрейфового промежутка от оси пучка, с1 — скорость дрейфа, а коэффициент с2 учитывает непостоянство этой скорости в ячейке из-за неоднородности поля.
Так как ширина протонного пучка и размер волоконного годоскопа практически совпадали с шириной одного дрейфового промежутка, то для калибровки и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.