научная статья по теме ВЫДЕЛЕНИЕ И ТРАНСПОРТИРОВКА ЛЕГКИХ ЯДЕР КАНАЛОМ ЧАСТИЦ 22 УСКОРИТЕЛЯ У-70 (МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДОМ МОНТЕ-КАРЛО) Физика

Текст научной статьи на тему «ВЫДЕЛЕНИЕ И ТРАНСПОРТИРОВКА ЛЕГКИХ ЯДЕР КАНАЛОМ ЧАСТИЦ 22 УСКОРИТЕЛЯ У-70 (МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДОМ МОНТЕ-КАРЛО)»

ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

УДК 519.25.256

ВЫДЕЛЕНИЕ И ТРАНСПОРТИРОВКА ЛЕГКИХ ЯДЕР КАНАЛОМ ЧАСТИЦ 22 УСКОРИТЕЛЯ У-70 (МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДОМ МОНТЕ-КАРЛО)

© 2014 г. М. Ю. Боголюбский

ГНЦРФ "Институт физики высоких энергий" Россия, 142281, Протвино Московской обл., пл. Науки, 1 E-mail: Mikhail.Bogolyubsky@ihep.ru Поступила в редакцию 24.12.2013 г.

Представлены результаты моделирования канала 22 ускорителя У-70 (Протвино) для выделения и транспортировки легких ядер высоких энергий. Расчеты выполнены в среде виртуального Монте-Карло из пакета ROOT в рамках программы GEANT4. Изучалось прохождение по каналу как пучковых ядер углерода, так и вторичных ядерных фрагментов и частиц от рассеяния углерода и протонов с импульсом 24 АГэВ/с (где А — массовое число) на углеродной мишени, установленной на входе канала 22. Получены оценки сечений рождения ядерных фрагментов, вычислены величины выходов вторичных ядер и частиц на выходе канала 22 за один цикл ускорителя в диапазоне магнитной жесткости канала от 6 до 70 ГэВ/с. Для процесса с участием в рассеянии флуктона пучкового углерода оценен вклад фоновых частиц на выходе канала 22.

DOI: 10.7868/S0032816214050036

1. ВВЕДЕНИЕ

Эксперименты на ускорителях с пучками ядер высоких энергий являются перспективным направлением в исследованиях свойств ядерной материи. В ядерных пучках "на лету" образуются различные изотопы в результате реакций фрагментации, обмена зарядом, развала или деления. При этом существенно снимаются ограничения на время жизни исследуемых нуклидов. Эксперименты на ускорителях чрезвычайно удобны при изучении радиоактивных и несвязных ядер, например, таких как 3Не, 6Не, 8Ы, 9Ы, 7Ве, 8Ве, 11Ве, 9С, 11С и др. Интерес к 3Не вызван его возможностями как источника термоядерной энергии. Знание свойств таких ядер существенно для понимания эволюции звезд, работы звездных реакторов и их взрывов. Важно изучение нейтронно-избы-точных ядер, к числу которых относится, например, 6Не, которые могут выступать катализаторами в цепочке ядерных превращений. Большой интерес вызывают также эксперименты по изучению ядер с избытком протонов и находящихся вблизи границы протонной стабильности. Данный метод позволяет изучать кластерную структуру ядер и обнаруживать присутствие в них флуктонов (флуктуаций ядерной материи) [1]. Однако следует отметить, что в таких исследованиях для регистрации фрагментов пучка необходимы высокие требования к точности углового разрешения и идентификации частиц в узком переднем конусе.

На ускорителе У-70 (Протвино) проводятся работы по ускорению легких ядер, таких как углерод, с возможностью применения этих пучков для радиационной медицины и физических исследований. В последнем случае пучок углерода с импульсом 24 АГэВ/с (где А — массовое число)

Таблица 1. Каналы фрагментации ядра 12C

Номер канала Канал Вес канала, %

1 11C + n 22.67

2 10C + 2n 1.06

3 9C + 3n 0.12

4 11B + p 27.4

5 10B + d 18.4

6 8B + 3H + n 0.84

7 10Be + 2p 2.97

8 9Be + 3He 5.00

9 7Be + 5He 5.96

10 9Li + 3p 0.30

11 8Li + 4Li 1.40

12 7 Li + 3He + d 4.05

13 26Li 2.06

14 8He + 4p 0.03

15 6He + 23He 1.21

16 34He 3.91

17 9B + 3H 2.50

Рис. 1. Распределение по энергии сгенерированных частиц (включая ядерные фрагменты) в реакции углерод-углеродного рассеяния; серым фоном показан энергетический спектр частиц на выходе канала при его магнитной жесткости 48 ГэВ/с.

вводится в канал 22 [2], обычно применяемый для транспортировки протонов.

В конце канала 22 расположены экспериментальные установки ФОДС [3, 4] и СВД-2 [5]. Установка ФОДС является двухплечевым магнитным спектрометром с широкими возможностями по идентификации частиц с помощью черенковских счетчиков (в том числе счетчика колец черенков-ского излучения), измерению ионизирующей способности треков и времяпролетным измерениям. Трековая система установки после модификации оснащена дрейфовыми камерами и наборами плоскостей дрейфовых трубок, обеспечивающих высокую точность реконструкции треков. В состав установки входят также адронный калориметр и мюонный фильтр.

Особенностью установки СВД-2 является вершинный детектор (в.д.) на полупроводниковых стриповых детекторах, обеспечивающих прецизионное измерение координат, что позволяет регистрировать распады короткоживущих объектов. Сам в.д. установлен перед широкоапертур-ным магнитом, на входе которого размещен блок минидрейфовых камер, а внутри него находится система пропорциональных камер. За магнитом следуют газовый черенковский счетчик и большой сцинтилляционный годоскоп. В состав установки входит также ячеистый черенковский электромагнитный калориметр на основе свинцового стекла.

Целью данной работы является моделирование канала 22 ускорителя У-70 методом Монте-Карло для анализа его свойств по выделению и

транспортировке легких ядер. Работа выполнена в рамках опубликованной в препринте ИФВЭ [6] программы подготовки эксперимента на установке ФОДС по изучению рождения легких ядер и адронов в переднем направлении на ускорителе У-70.

2. УСЛОВИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Моделирование проводилось в среде виртуального Монте-Карло пакета ЯООТ (ЦЕРН) [7], в которую интегрированы программы ОБЛМТЗ [8] и ОБЛМТ4 [9]. Трассировка треков через магнитные элементы канала 22 осуществлялась программой еИ22 [10], написанной в рамках рассматриваемой программной среды и модифицированной нами для целей данной работы. Учитывались все элементы канала 22 [2] и их взаимное расположение, включая 3 дипольных магнита, 10 квад-руполей, коллиматоры, а также вещество канала — 5 м воздуха и железные мембраны вакуумных ионопроводов общей толщиной 200 мкм. Токи магнитов задавались в режимах выделения протонов/антипротонов с импульсом от 6 до 70 ГэВ/с, что определяло магнитную жесткость канала.

Результаты моделирования получены для следующих условий:

а) начальный пучок протонов или ядер 12С с энергией 24 ^ГэВ, разброс импульса 0.5%, угловой разброс относительно оси входа в канал 0.5 мрад;

N 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0

700 600 500 400 300 200 100 0

600 500 400 300 200 100 0

50

100

150 200

Б, ГэВ

250

(а)

(б)

(в)

300

Рис. 2. Энергетические спектры частиц на выходе канала при последовательно увеличивающейся магнитной жестко-емь пиков при энергиях 48.5, 96.5, 144, 172, 242, 266, 286 ГэВ, соответствующих ё, 4Не, 6Ц, 7Ве, Р = 60 ГэВ/с, девять пиков при энергиях 55.5, 112, 170, 194, 220, 242, 264, 272, 293 ГэВ, соответству-9Ве, 10Ве, 11Ве, 11В соответствующих 3Н, 6Не, 8Ы, 9Ц, 11Ве.

сти: а — Р = 48 ГэВ/с, семь пиков при энергиях 48.5, 96.5, 144, 172, 242, 266, 286 ГэВ, соответствующих ё, 4Не, 6Ц, 7Ве, 10Ве, 11С, 12С; б

ющих ё, 4Не, 7П, 8П, 9Ве, 10Ве, 11Ве, 11В, 12В; в - Р = 70 ГэВ/с, пять пиков при энергиях 71.5, 146, 194, 218, 268 ГэВ,

N 105

104

103

102

101

100

N

105

104 103 102 101

10^

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Б, ГэВ

Рис. 3. Энергетические спектры сгенерированных нуклонов и мезонов в реакции углерод-углеродного рассеяния: а — протоны (светлый фон) и антипротоны (серый фон); б — я+/—-мезоны (светлый фон) и -мезоны (серый фон). Продолжение спектров в область энергий Б > 25 ГэВ обусловлено каналами фрагментации углерода и учетом эффекта перерассеяния в модели ищш.

N 103 140

120

100

80

60

40

20

25 30 35 40 45 50 55 60

Е, ГэВ

8

0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05

(б)

4 • *

■4л

25 30 35 40 45

50 55 60 Р, ГэВ/с

Рис. 4. а — энергетический спектр сгенерированных вторичных протонов в реакции рассеяния флуктона (из двух нуклонов) на протоне ядра мишени с вылетом протона вперед; б — рассчитанная по формуле (3) величина эффективности канала 8 для этого протона в зависимости от магнитной жесткости канала Р при учете условия дополнительного отбора (5).

0

0

б) мишень 12С на входе в канал 22, толщина мишени 3 г/см2 (0.07 рад. длины, 87% пучка проходит через мишень без взаимодействия).

2.1. Программные генераторы

Для моделирования реакций использовались следующие программные генераторы.

1. Генератор ищшё-3.3р1 [11—13] адрон-ядер-ных и ядро-ядерных взаимодействий, основанный на ультрарелятивистской квантовой молекулярной динамике в рамках теории цветных струн. Генератор работает в пространстве прицельного

параметра, пользователь задает при запуске генератора установочную величину максимального значения прицельного параметра, превышающего суммарный поперечный размер сталкивающихся объектов. Модель включает фрагментацию и учитывает перерассеяние нуклонов в процессе взаимодействия. Оба указанных эффекта вызывают затягивание спектров частиц в кумулятивные области кинематических переменных и рассматриваются для оценки фона в эксперименте по поиску флуктона. Модель генератора ищшё позволяет оценить выходы как ядерных фрагментов, так и нуклонов, п-, ^-мезонов и др., а также определить полное сечение рассеяния. Для этих целей

Рис. 5. Лего-график количества сгенерированных ядерных фрагментов в углерод-углеродном рассеянии в зависимости от заряда Z и числа нейтронов во вторичном ядре N = А—Z.

Рис. 6. Гистограмма количества сгенерированных ядерных фрагментов Щ в углерод-углеродном рассеянии, серым фоном выделены фрагменты с А > 1.

N 9

8

7

6

5

4

3

2

1

(а)

1-35000 N 9 8

-30000 7

-25000 6

-20000 5

-15000 4 3

(б)

-10000

5000

12345678 Z

12345678 Z

8000 |-7000 6000 5000 -4000 -3000

U000

И000

L-U

Рис. 7. Двумерные диаграммы количества ядерных фрагментов в углерод-углеродном рассеянии на выходе канала при его магнитной жесткости 48 ГэБ/с в зависимости от заряда Z и числа нейтронов N во вторичном ядре: а — все фрагменты в конце канала, максимум распределения соответствует 4Не ^ = N = 2); б — фрагменты из событий, удовлетворяющих условию дополнительного отбора (5), максимум в этом случае соответствует дейтрону (X = N = 1).

0

0

0

модель генератора уже использовалась в экспериментах при исследовании ядро-ядерных взаимодействий [13].

2. Электромагнитный генератор RELDIS [14], основанный на модели [15—17] электромагнитной фрагментации ядра в потоке эквивалентных фотонов от сталкивающихся ядер, использовался для оценки сечения ядерной элект

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»