ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 4, с. 89-93
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
ИЗМЕРЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПОЛЯ, ВОЗНИКАЮЩЕГО ПРИ ТОРМОЖЕНИИ ПУЧКА ПРОТОНОВ В ВОДЕ
© 2004 г. |В. И. Албул*, В. Б. Бычков*, С. С. Васильев*, К. Е. Гусев, В. С. Демидов, Е. В. Демидова, Н. К. Краснов, А. Ф. Курчанов*, В. Е. Лукьяшин, А. Ю. Соколов
ГНЦ РФ "Институт теоретической и экспериментальной физики" Россия, 117259, Москва, ул. Б. Черемушкинская, 25 * ГНЦ РФ "ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений" Россия, 141570, п/о Менделеево Солнечногорского р-на Московской области Поступила в редакцию 05.01.2004 г.
На пучке протонов ускорителя ИТЭФ методом сканирующего приемника впервые наблюдалась пространственно-временная структура ультразвукового поля, генерируемого при торможении и остановке пучка протонов с энергией 200 МэВ и интенсивностью 4 ■ 10 в водной среде. Измерения выполнены в ближней зоне, в 120 точках, расположенных в плоскости, проходящей через ось пучка, которая совпадает с осью возникающей акустической антенны. Выделены вклады от трех частей антенны: от протяженной средней части, от области максимальной плотности выделения энергии в конце пробега протонов (пика Брэгга) и от заглушки в области входа пучка в воду.
Эффект излучения акустических волн при распространении ионизирующих частиц через вещество предсказан в работе [1] и в течение последних десятилетий исследуется экспериментально и теоретически [2-6], главным образом, с целью практического применения, например, в задаче регистрации космических нейтрино ультра- и сверхвысоких энергий в естественных водных бассейнах [7-10]. Несмотря на значительные успехи в исследовании этого эффекта, некоторые проблемы остаются пока нерешенными. Так, результаты теоретических расчетов амплитуды сигналов звуковых волн для одних и тех же энергий нейтрино отличаются друг от друга более чем на порядок [7, 11-13]. Результаты экспериментов также неоднозначны: некоторые экспериментаторы наблюдают одиночный биполярный сигнал [3], в других экспериментах наблюдается несколько волновых пакетов, зарегистрированных акустическими преобразователями [2, 4, 14]. В связи с этим важное значение имеет продолжение исследований акустического излучения на интенсивных пучках заряженных частиц на ускорителях.
Целью настоящего эксперимента являлось измерение в ближней зоне акустического поля, сопровождающего торможение пучка протонов с энергией 200 МэВ в воде. Применение в эксперименте сканирующего высокочувствительного широкополосного гидрофона с малыми размерами рабочей области позволило зарегистрировать пространственно-временную картину ультразвукового поля и впервые выделить и наблюдать сигналы от трех источников звука: от ближайше-
го к приемнику участка излучающей антенны, сигналов от области максимальной плотности выделения энергии в конце пробега протонов (пика Брэгга) и от заглушки в области входа пучка в воду.
Эксперимент проводился на внешнем пучке протонов ускорителя ИТЭФ, аналогичном тому, который использовался в работе [4]. Энергия протонов равна 200 МэВ, длительность импульса пучка - 70 нс, пространственная форма пучка в поперечном направлении близка к распределению Гаусса, диаметр пучка - 2 см (ширина на полувысоте). Интенсивность пучка поддерживалась ~4 ■ 1010 протонов в импульсе и контролировалась индукционным датчиком. В качестве мишени, в которой происходило торможение пучка протонов, служила соленая вода (концентрация соли ~3%) в бассейне (параллелепипед 50.8 х 52.3 х 94.5 см) (рис. 1), выполненном из оргстекла, армированного и герметизированного на стыках граней. Вода заполняла сосуд на 90% его объема. Размеры и оборудование мишени позволили исключить при измерениях отражение от границ и получить подробную структуру гидроакустического поля протонного пучка. Температура воды составляла 13.5°С и не изменялась в течение эксперимента. Пучок протонов вводился в центр измерительного объема через трубу 059 мм, длиной 46 см и толщиной стенки 1.5 мм, вставляемую в боковую грань бассейна и закрытую заглушкой из тефлона толщиной 2 мм. Средний пробег протонов в воде составлял 25.2 см.
Преобразование акустических сигналов в электрические проводилось с помощью гидрофо-
Пучок
Г
945 мм
Г
Y
¿ i
508 мм
Рис. 1. Схема эксперимента. Г - гидрофон ГИ-14.
Y, см 15.0
12.5
10.0
7.5
5.0 2.5 0 2.5 5.0
III
5 10 15 20
25 30 35 40 Номер точки
II
b i c
0
10 15 20 25 30
35 40 X, см
Рис. 2. Схематическое изображение пучка (моделирование) и расположение точек, в которых производились измерения.
на ГИ-14 на основе пьезокерамики ЦТС-19 цилиндрической формы с тангенциальной поляризацией (диаметр преобразователя 4 мм, высота 6 мм). ГИ-14 обладает линейной а.ч.х. в диапазоне 0.1-100 кГц, неравномерность а.ч.х. в этом диапазоне <5 дБ. Уровень сигнала в эксперименте превышал уровень собственных шумов гидрофонов на >12-15 дБ.
Измерения акустического поля выполнялись в 120 точках в плоскости, проходящей через ось пучка, и расположенных на трех прямых линиях, параллельных оси пучка и отстоящих от нее на 2.2, 6.2 и 13.6 см. Так как эти расстояния меньше или порядка длины пробега протонов, можно считать, что измерения проводились в ближней зоне ультразвуковой акустической антенны. Перемещение гидрофона по линейным трассам осуществлялось с помощью специально разработанного электромеханического сканера с дистанционным управлением, позволяющего устанавливать гидрофон дискретно с шагом h = 8.9 мм в пределах линейной апертуры длиной 0.4 м.
На рис. 2 показана карта расположения точек относительно пучка (вид сверху) в координатах X (вдоль пучка) - Y (в горизонтальном направлении). Трассы сканирования обозначены на рисунке символами I, II и III. Начало координат (X = 0) совпадает с координатами начальных точек измерения для каждой линии. Шкала, изображенная внутри рисунка, представляет номера точек, в которых производились измерения. Область прохождения пучка изображена в виде эквидистантных контуров двухмерного распределения средних потерь энергии протонами в воде, полученного в результате моделирования по программе GEANT-3.21 [15]. По-видимому, аналогичную пространственную форму имеет и возникающая в момент прохождения пучка антенна, создающая акустическое поле в среде.
Считывание информации производилось с помощью 2-лучевого осциллоскопа TEKTRONIX TDS 3032 с максимальной частотой оцифровки 10 МГц. Синхроимпульс на считывание подавался на синхронизующий вход осциллоскопа одновременно с приходом пучка на мишень. На сигнальные входы подавались сигналы от гидрофона и индукционного датчика, измеряющего интенсивность пучка. Время наблюдения сигнала составляло 2 мс (104 точек по 0.2 мкс). За это время звук успевает удалиться от источника на 1.5 м.
Было выполнено три серии измерений, каждая из которых соответствовала определенной трассе сканирования. В каждой серии произведены измерения в 40 точках, отстоящих друг от друга на величину шага h. В каждой точке сделано от 4 до 10 измерений. При статистической обработке осциллограммы усреднялись по числу измерений.
5
На рис. 3 сплошной линией показана часть осциллограммы, полученной в точке 12 на трассе I (рис. 2). Координата г = 0 соответствует моменту прихода синхроимпульса. Осциллограмма рассматривается в интервале времени 200 мкс, так как в него попадают акустические сигналы от всей возникающей антенны, а отражения от стенок бассейна появляются позже и в рассмотрении не участвуют. Отклик гидрофона на прохождение пучка имеет сложную конфигурацию и представляет собой ряд импульсов различной формы и длительности, особенно на трассе I, где в некоторых точках гидрофон находился в периферийной области воздействия пучка. При этом положительная полярность электрического импульса соответствует сжатию воды, отрицательная -расширению. Выделяются три сигнала. Сигнал а, который достигает максимума при г = 14.1 мкс, соответствует времени распространения звука от центра пучка до гидрофона (для данной трассы оно равно 2.1 см). Он формируется под воздействием акустического поля от ближайшего к гидрофону участка цилиндрической антенны и представляет собой затухающую волну с периодом ~70 мкс. На отрицательном полупериоде волны заметны два импульса в и у длительностью 5-10 мкс. Источником сигнала в отрицательной полярности является заглушка на входе пучка. Минимум сигнала достигается при времени г = 72.4 мкс, что соответствует расстоянию 10.9 см от заглушки до гидрофона. Откликом гидрофона на акустический импульс, возникающий в пике Брэгга, является отрицательный сигнал у. Соответствующие время прихода сигнала и расстояние до источника ультразвука равны 93.4 мкс и 14 см.
На рис. 4 представлены пространственно-временные изображения профилей сигналов, зарегистрированных соответственно для первой, второй и третьей серий измерений. Цифры по оси ординат обозначают номер точки, который однозначно связан с координатой X вдоль пучка (см. рис. 2). По оси абсцисс отложена временная развертка осциллоскопа, выраженная в единицах расстояния Я = V от гидрофона до источника звука, где г, с - время развертки, V = 1500 м/с - скорость звука в воде. Представлена часть сигнала, ограниченная областью наблюдения Я < 0.3 м, которая перекрывает размеры возникающей антенны, но в которой отсутствует эхо от стенок бассейна. На рисунках видны траектории, на которых располагаются сигналы от трех указанных выше источников. Траекториям в виде протяженных гребней (волн сжатия) в направлении А-С соответствует акустический сигнал а от ближайшей точки излучающей антенны (первый источник). При этом приемник перемещается от начальной точки а (рис. 2) до точки с. На рис. 4 буквой В обозначена область окончания пучка и, соответственно, акустической антенны. Соответствующее по ложе-
Величина сигнала, В
мкс
Рис. 3. Осциллограммы отклика гидрофона на прохождение пучка в точке № 12 трассы I.
ние приемника на рис. 2 обозначено буквой Ь. На начальных участках (до области В) траектории проходят параллельно оси ординат на расстояниях X, равных расстояниям трасс I, II и III от оси пучка, так как ги
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.