Экспериментальные исследования каналирования протонов в изогнутых монокристаллах и их применение для управления пучками на ускорителе ИФВЭ

Содержание

ктуальность темы. Начинал с 60-х годов, широкое развитие получили иссле-ния, относящиеся к новому направлению в физике взаимодействия заряженных иц с веществом — каналированию частиц в монокристаллах. На основе иссле-ний различных проявлений эффекта каналирования для низкоэнергетических иц в настоящее время уже разработаны и применяются много методов изуче-структуры и степени совершенства кристаллов, а также различных физических ессов, протекающих в них. Однако в последние годы интерес сместился к изу-ю каналирования частиц высоких и сверхвысоких энергий, тимулирующее воздействие на экспериментальные исследования в этой области ала идея использования сверхсильных внутрикристаллических полей (109 В/см ше) для отклонения пучков заряженных частиц высоких энергий изогнутыми таллами, выдвинутая в 1976 году профессором Э. Н. Цыгановым из Дубны. в первых экспериментах с изогнутыми кристаллами эффективность отклоне-пучков частиц (отношение интенсивностей отклоненного пучка к падающему кристалл) была очень низкой (десятые доли процента), то в последующих ериментах она была доведена до десятков процентов. Это позволило сформули-ть предложения и начать исследования по применению изогнутых кристаллов вывода и коллимации пучка на ускорителях, формирования пучков в кана-транспортировки частиц и экспериментах с короткоживущими частицами. Во этих направлениях получены интересные результаты, вселяющие большой мизм. Углубление экспериментальных исследований в этой области приводит щественному расширению средств ускорительной техники и физики высоких гий в целом. ель диссертационной работы состояла в исследовании закономерностей ка-рования в мультигэвной области энергий, выяснении принципиальных возможей КПИГФЯ1ИА" -------------- - л——-—-—[и пучков, а также в создании реускорителе ИФВЭ для повышения

КНИГА ИМЕЕТ Научная новизна и результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований объемного захвата частиц и установленная зави мость его эффективности от радиуса изгиба кристалла, а также процессов дека лирования и реканалирования частиц в прямом кристалле и наблюдение состоя динамического равновесия. Экспериментальное подтверждение особого вида захв частиц в режим каналирования, обусловленного градиентом кривизны кристал

2. Оригинальный способ измерения длины деканалирования и полученные зультаты для протонов с энергией 70 ГэВ в изогнутых кристаллах кремния о ентации (111) и (110).

3. Исследование тепловой и радиационной стойкости кристаллов. Сделанные воды о возможности использования изогнутых кристаллов в интенсивных пуч протонных ускорителей. Разработка нескольких видов устройств изгиба и кр ления кристаллов. Достижение рекордных параметров формируемых кристалл пучков.

4. Исследование влияния дефектов реальных кристаллов на процесс отклоне пучков частиц высоких энергий: деканалирование на дислокациях кристалличес решетки- зависимость от электропроводности материала- обнаружение тонких фектов влияния поверхностных дефектов, учет которых принципиально важен оптимизации вывода частиц из ускорителей.

5. Результаты экспериментов, показывающих возможность фокусировки пу изогнутым кристаллом. Эффективное отклонение с помощью фокусирующего к сталла пучка протонов с большой угловой расходимостью (в 50 раз превышаю критический угол каналирования).

6. Создание, исследование и проверка в течение десятилетней эксплуата кристаллических станций деления выведенного пучка на части для повыше эффективности его использования (выигрыш около 30%).

7. С помощью изогнутого на гигантский угол 150 мрад кристалла создан ка транспортировки частиц нового типа, не потребляющий электроэнергии (эконом ся сотни мегаватт-часов за один сеанс работы ускорителя). На базе нового кан организована оснащенная аппаратно-программными средствами эксперименталь установка для исследования кристаллических элементов.

8. Способ измерения с помощью изогнутого кристалла в сочетании с магнитн спектрометром основных характеристик пучков частиц (профили, гало, эмитт разброс по импульсам).

9. Результаты исследования высокоэффективного вывода частиц кристаллом У-70, намного опередившие известные мировые данные, полученные этим способ

Практическая ценность. Приведенные в диссертации результаты исслед ний используются на ускорителе ИФВЭ и открывают большие возможности п менения изогнутых кристаллов как на действующих, так и на строящихся у рителях на большие энергии и кроме ИФВЭ могут быть использованы в дру научных центрах по физике высоких энергий (ИЯФ СОАН, ОИЯИ, ИЯИ, ИТ CERN, FNAL, BNL, DESY, КЕК и др.).

Апробация результатов и публикации. Диссертация написана на основе от [1−29], опубликованных в виде препринтов и статей в отечественных и убежных журналах, включая монографию [1] и обзор в УФН [2]. Результа-исследований докладывались на отечественных и международных конферен-х по когерентным эффектам в кристаллах и ускорителям заряженных частиц 4,16,18,22,24,25,26,28]. О нескольких полученных результатах, представляю-интерес для широкой научной общественности, сообщалось в журналах «CERN rier» (№ 10 — 1989 г., № 9 — 1991 г., № 9 — 1997 г., № 2, № 5 — 1998 г.) и «Наука в сии» (№ 4 — 1997 г.). За выполненный цикл работ автор диссертации (с коллек-ом соавторов) удостоен звания лауреата Государственной премии Российской ерации в области науки и техники за 1996 год.

Объем и структура диссертации. Диссертация в форме научного доклада жена на 51 странице, состоит из четырех глав и заключения, содержит 30 унков, 3 таблицы и

список цитируемой литературы из 29 наименований.

Содержание работы

1. Исследование особенностей каналирования в мультигэвной области энергий

Сравнение эффективностей торцевого и объемного захватов частиц в режим каналирования кристаллами кремния ак известно, в изогнутом кристалле существуют два механизма захвата частиц жим каналирования. В «стандартном» торцевом захвате участвуют частицы ка с угловой расходимостью меньше критического угла каналирования относи-но кристаллографических плоскостей на торце кристалла. Объемный захват икает в глубине изогнутого монокристалла, в области, где траектории частиц адают с касательными к изогнутым кристаллографическим плоскостям. проведенном эксперименте [17] наблюдались оба вида захвата. Применение сталла, с переменной кривизной позволило детально исследовать закономерности много захвата, что проделано впервые. Эксперимент был проведен на магни-тическом канале № 21 ускорителя ИФВЭ. Схема расположения оборудования ставлена на рис. 1. Пучок протонов магнитом М1 наводился на ориентиро-ый изогнутый на угол 21 мрад монокристалл кремния Si, расположенный в ометрйческом устройстве. Пучок отклоненных кристаллом частиц с помощью ектирующего магнита М2 пропускался сквозь 6-метровый стальной коллима-С1 вдоль геодезической оси канала № 21 и двумя последующими магнитами и М4 очищался от фона. Интенсивность отклоненных частиц измерялась двумя тилляционными счетчиками 51 и S2 размером 100×100 мм2, включенными на адения. Мониторирование падающего пучка осуществлялось пропорциональной камерой ?>1, камеры И2, БЗ (апертурой 100×100 мм2), работающие в аналогово режиме, контролировали положение и размеры отклоненного кристаллом пучка.

Суть опыта заключалась в том, чтобы выявить зависимость числа отклоне ных каналированных частиц от угла поворота кристалла относительно направл ния падающего пучка. При повороте кристалла в сторону его изгиба на угол превышающий расходимость падающего пучка, возникают условия выхода пуч в глубине кристалла на касательные к изогнутым плоскостям, т. е. реализуют условия объемного захвата (рис. 2).

Рис. 2. Условия объемного захвата.

Счетчики 51, 52 находились на значительном удалении ~ 100 м от кристалла, вязи с чем угловой аксептанс системы регистрации частиц составил ±0,5 мрад оризонтальной и вертикальной плоскостях, Этот угловой интервал позволял истрировать без потерь все каналированные частицы, выходящие из заднего ца кристалла. В то же время частицы, деканалировавшие в изогнутой части сталла, практически не попадали на счетчики. Фон вторичных частиц из-за ичия трех магнитов, настроенных на импульс первичного протонного пучка 70 ГэВ/с, отсутствовал полностью. Фон упругорассеянных на кристалле и ма-иале держателя протонов был зафиксирован только при больших углах поворота сталла ip > 15 мрад и вычитался как ориентационно-независимый сигнал на тчиках. При углах поворота <�р < 15 мрад наблюдался 100%-ый ориентационный ект, т. е. выделение каналированных частиц было идеальным. В опыте использовалась пластина, вырезанная из бездислокационного кремния, ентации (111) с размерами: H х V х L = 0,5×15×100 мм3 (толщина, высота, на по пучку). Точность изготовления менее одной угловой минуты. Кристалл изогнут с переменной кривизной, как показано на рис. 3. Один из его концов закреплен между плоскими зеркалами, другой нагружен с помощью неболь-го усилия. При таком способе изгиба форма кристалла описывается кубической вой, а радиус кривизны и угол касательной к плоскостям меняются по закону:

R (l) = L2J (2a0l), a (l) = a0{l/L0)2, (1)

I — расстояние, отсчитываемое от места

приложения усилия- Lq = 92 мм — на изогнутой части кристалла- а0 — полный угол изгиба кристалла. Измерение зависимости числа отклоненных частиц от угла поворота было лро-ено дважды. Сначала пучок падал на кристалл со стороны нагруженного конца, что по мере вращения кристалла в области объемного захвата кривизна на-тала. Затем кристалл был перевернут так, что частицы налетали со стороны репленного конца (в этом случае в месте объемного захвата кривизна спадала), фики зависимости числа отклоненных частиц от угла поворота в первом и вто-случаях приводятся на рис. 4а. Острые пики слева соответствуют торцевому вату частиц в режим каналирования, пологая часть — объемному захвату. Наблюдаемое в опыте количество отклоненных частиц определяется вероятною захвата и последующим процессом деканалирования. Число частиц, откло-мых оптимально-ориентированным (ср = 0) кристаллом при торцевом захвате, еделяется выражением [1]

7V (0) = Iai х ^ х А. х Аь х exp, (2)

Isi обозначает количество частиц пучка, попадающих в сечение кристал-0С/Ф — отношение критического угла каналирования к расходимости лучка- ~ 0, 7 — аксептанс прямого кристалла- Аь ~ (1 — Rc/R)2 — уменьшение ак-танса в изогнутой с радиусом R части кристалла- Rc — критический радиус алирования- LbD — длина деканалирования в изогнутом кристалле.

Количество частиц, отклоненных в результате объемного захвата при повороте кристалла на угол равно

N{f) = Isi х W{R{

<�р) х exp где l{ip) — длина пути каналированных частиц в кристалле от точки захват до выхода из него, определяемая соотношениями (1) — R{) — радиус кривизн кристалла в точке захвата частиц в режим каналирования- W{R (

При анализе экспериментальных кривых 1, 2 на рис. 4а, проведенном с помо щью соотношений (2) и (3), рассчитано значение вероятности объемного захват частиц W® при различных радиусах изгиба кристалла R, показанное на рис. 46. Зависимость W® близка к линейной. Линейное нарастание расхождения в зна чении W® ~ 20% для двух случаев измерения, соответствующих спадающе" и нарастающей кривизне кристалла, является экспериментальным подтверждени ем существования эффекта «градиентного» захвата, обоснованного в известны теоретических работах. Этот эффект является обратным центробежному декана лированию, подобно тому как объемный захват за счет рассеяния есть процесс обратный к обычному деканалированию.

В гармоническом приближении для нашего случая величина «градиентной до бавки» [1] есть щ (1) = ^ = {aoX/Ll) х R, (где Л ~ 15 мкм — длина осцилляции траектории каналированной частицы пр 70 ГэВ в кремнии. Скорректированные значения W® с учетом этого эффект показаны на рис. 46 штриховыми линиями.

Измеренная величина вероятности объемного захвата оказалась невысокой. Так например, для радиуса изгиба кристалла 10 м она равна (0,9 ±0,15)% с учето статистических и систематических погрешностей измерения. Сопоставляя наш данные с результатом ПИЯФ для энергии протонов 1 ГэВ, мы сконструировал эмпирическую формулу: W (jpv, R) = A5R/(pv)^ где W (Vo), pv (ГэВ), R (m). Суще ствует простое объяснение зависимости W ~ R/(pv)3/2. Объемный захват можн рассматривать как частный случай реканалирования в изогнутом кристалле, когд внутри канала ничего нет, а вне его функция распределения определяется плот ностью падающего пучка. Каждая квазиканалированная частица ориентирован вблизи канала на протяжении длины порядка R х вс (вс ~ 1 /Ра — критически" угол каналирования). По правилу обратимости Линдхарда вероятность частиц оказаться внутри канала равна вероятности деканалирования на этой длине:

R вс где Ьц ~ ру — длина деканалирования. В. М. Бирюковым в [1] в результате строгого рассмотрения получена аналитическая формула для вероятности объемног

РОССИЙСКАЯ' ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

2. Исследование динамики каналирования в прямом кристалле.

Наблюдение состояния динамического равновесия

В опыте [20] наблюдались некоторые закономерности каналирования частиц в рямом кристалле в зависимости от расходимости падающего пучка протонов, ультигэвные энергии предоставляют уникальную возможность провести прямое аблюдение состояния динамического равновесия, когда число каналированных ча-иц на входе и на выходе кристалла одинаково. Этот опыт также проводился в канале № 21 ускорителя ИФВЭ. Схема опыта алогична предыдущей, но магнит М2 был выключен. Кристалл был вырезан оль кристаллографической плоскости (111). Он изгибался специальным образом форме, напоминающей хоккейную клюшку. При общей длине 100 мм он имел ямую часть длиной Ь = 65 мм, другая часть длиной ?2 = 35 мм изгибалась вномерно на угол 20 мрад. На кристалл с помощью начальной части магнито-тической системы канала № 21 наводился пучок протонов с энергией 70 ГэВ. еотклоненный пучок гасился в поглотителе С1. Отклоненные кристаллом части, попадающие в аксептанс конечной части магнитооптической системы, освобо-ались ею от фона вторичных частиц и регистрировались детекторами (состав гистрирующей аппаратуры и все подробности измерения уже обсуждались рае). Измерение числа отклоненных частиц проводилось дважды. Сначала пучок дал на кристалл со стороны прямой части, как это показано на рис. 5а ввер-. Затем кристалл переворачивался в вертикальной плоскости так, что частицы ©-тали со стороны изогнутой его части (см. рис. 5а внизу).

Ф (мраЗ) 5. Положения кристалла при двух измерениях интенсивности отклоненного пучка — (а). Зависимость N1/N2 от угловой расходимости падающего на кристалл пучка (сплошная кривая — расчетная, точки — результаты измерений) — (б).

Во втором случае наличие прямой части в кристалле было несущественным так как частицы были уже повернуты кристаллом и обязательно регистрировалис детекторами (как каналированные, так и деканалировавшие на этом участке), первом же случае частицы, деканалировав в прямом участке, не отклонялись и по этому не регистрировались вовсе. Таким образом, измеряя отношение количеств отклоненных частиц в первом и во втором случаях N^/N2, мы получали информа цию о деканалировании протонов на прямом участке длиной Ь с учетом обратног процесса подзахвата из неканалированной фракции.

Угловая расходимость падающего пучка протонов могла варьироваться магни тооптической системой. Для пучка с малой угловой расходимостью Ф = 0,1 мра (стандартное отклонение) было получено отношение А^/АГ2 = 0, 72 ±0,03. При рас ходимости $ = 0,2 мрад отношение составило N±/N2 — 0,91 ±0,05. Для пучка широкой угловой расходимостью Ф = 1 мрад оказалось, что N^/N2 = 1 ±0,05, т. е роль процессов реканалирования усиливается с ростом угловой расходимости пада ющего пучка, приводя в последнем случае к состоянию динамического равновеси

Такое поведение соотношения N^/N2 представляется вполне логичным. На протяжении прямого участка из-за многократного рассеяния расходимость неканалированной фракции пучка увеличивается: + (в) где Ф — начальная расходимость пучка- р — импульс частиц- Ьц — радиационная длина. Многократное рассеяние на длине Ь в нашем случае составляет величину ФтпиИ — 0,2 мрад. Если начальная расходимость пучка много больше этой величины, фазовая плотность неканалированной фракции пучка не меняется сколь-либо заметно на длине Ь. Значит, скорость «подпитки» сохраняется на всей длине, обеспечивая N1 ~ N2- Если же Ф < Фтии, фазовая плотность частиц вблизи канала и, соответственно, скорость реканалирования быстро падают, частицы из канала убывают за счет деканалирования, поэтому < N2 заметно.

Измеренные в эксперименте отношения (N±/N2) приведены на рис. 56 в сравнении с расчетной кривой [20], учитывающей процессы обмена между каналированной и неканалированной фракциями пучка. Проведенный опыт демонстрирует, как важен в прямом кристалле объемный захват, когда в экспериментальных условиях доля каналированных частиц с глубиной кристалла отнюдь не убывает экспоненциально.

1.3. Измерение длины деканалирования 70-ГэВ протонов в кристаллах кремния ориентации (110) и (111), изогнутых с постоянным радиусом кривизны

Для практических целей особый интерес представляет измерение длины деканалирования в изогнутых кристаллах. В опыте [21] длина деканалирования протонов энергией 70 ГэВ была прецизионно измерена в кристаллах кремния нетради-онным методом, основанным на использовании явления объемного захвата. Это инственный опыт, в котором прецизионное измерение осуществлялось для двух оскостных каналов (111) и (110).

Использовалась та же схема эксперимента, чтс и на рис. 1, но кристаллы гибались с постоянным радиусом кривизны. Кристаллы разной ориентации, вы-занные из одного материала, были изогнуты по цилиндру радиусом R = 3 м длине L = 60 мм. Отклонение от среднего радиуса было ~ 1%. На кристал-поочередно наводился пучок 70 ГэВ протонов с малой угловой расходимостью = 0,1 мрад. Экспериментально измерялась зависимость количества отклоненных стиц от угла поворота кристалла. Наблюдались только частицы, вылетающие заднего торца кристалла- деканалировавшие в изогнутой части кристалла ча-ицы не регистрировались. Так же, как и в предыдущих опытах, они гибли на глотителе С1 (см. рис. 1). В начале измерений кристалл с помощью гониометра настраивался на торцевой ват по максимуму отклоненных частиц и поворачивал пучок на полный угол = Lo/R = 20 мрад. Затем происходило вращение кристалла в сторону его изгиба угол (р, превышающий расходимость падающего пучка — возникали условия ъемного захвата. с. 6. Схема наведения протонного пучка на кристалл — (а). Экспериментальные зависимости количества отклоненных частиц N (e) для кристаллов Si (lll) и Si (110) в логарифмическом масштабе — (б).

Так как кривизна кристалла постоянна, то при его вращении в режим канали-вания при объемном механизме захватывается одно и то же количество частиц W® — const, где I обозначает интенсивность падающего на кристалл пучка, пучок

0 4.0 8.0 12.0 16.0 20.0 9, мраЭ a W® — вероятность объемного захвата. Однако путь каналированных части I от точки захвата и до заднего торца кристалла уменьшается линейно с росто угла вращения кристалла (рис. 6а): 1(<�р) = Lq — R-

Эти результаты интересно сравнить с предсказанием теории. Диффузионная те ория предсказывает, что в глубине кристалла доля каналированных частиц убывав экспоненциально ~ exp (—z/Li)), с длиной деканалирования

4 Ес -02дА>: которая не зависит от начального распределения частиц. Здесь Ес — критическа энергия поперечного движения- — 1-й корень функции Бесселя- величина -коэффициент трения, определяемый средним квадратом угла рассеяния на электро нах и ядрах. Из соотношения (7) В. М. Бирюковым в [21] получено аналитическо выражение для Ьв (при расчёте коэффициента трения Б о использовался потенции Линдхарда для атомной плоскости): axF^p

9тг2 ln (2mec27/7) — 1 Z-remec2'

Здесь ге — классический радиус электрона- те — масса покоя электрона- I -потенциал ионизации (172 эВ в кремнии). = 0,8853 a^Z-1/3- а в=0,529 А -параметр экранирования Томаса-Ферми- Zi = (Q/e) — заряд каналированной ча стицы в единицах е- 7 — релятивистский фактор.

Согласно модели (8), длина деканалирования пропорциональна межплоскостном расстоянию dp. Кристалл кремния ориентации (110) представляет собой регуляр ную структуру с одинаковым расстоянием dp между плоскостями. В кристалле ориентацией (111) периодически большое расстояние dpl между атомными плоско стями сменяется малым dps, при этом dps = (1/3)dpi,. В протяжённых кристалле Si (111) можно не учитывать частицы, движущиеся в малом межплоскостном ин тервале dps- Для случая Е = 70 ГэВ выражение (8) приводит к величинам: L1¹ 53,5 мм, 1/]р10 = 43,7 мм, обеспечивая удовлетворительное согласие с экспериментом Отношение L^/L⁰, согласно (8), должно равняться /dp — 1,23 для кремния Экспериментальное отношение составляет 1,4±0,2.

На рис. 7 результаты измерения длин деканалирования при 70 ГэВ сравнивают ся с теоретическими величинами (8) и известными экспериментальными данным для других энергий. с: 7. Расчетные зависимости LD от энергии частиц в каналах Si (lll) и Si (llO) совместно с экспериментальными данными: — ОИЯИ- о — CERN- ~к — FNAL- ® — ИФВЭ.

Исследования принципиальных возможностей применения изогнутых кристаллов для формирования пучков

Для практического использования монокристаллов на ускорителях необходимо учить ответы на следующие вопросы. Пучки какой предельной интенсивности и какие углы можно отклонить кристаллом. Каков запас прочности механической, иационной- не будет ли разгибаться кристалл от температуры и радиации, кой длины могут быть совершенные кристаллы- как влияет качество изгиба сталла и обработки его поверхности на характеристики отклоняемых пучков?. Для прояснения этих вопросов был проведен большой обьем исследований. В цессе работы были изогнуты и испытаны в пучках десятки (если не сотни) сталлов. Приготовление монокристаллических пластин и изгибающих устройств

Для эффективного отклонения пучков частиц высоких энергий необходимо обес-ить высокое качество ориентации и обработки граней монокристаллических стин. В проведенных опытах с пучками 70-ГэВ протонов кристаллы, имею-е длину около 100 мм и толщину ~ 1 мм должны были иметь эффективно лоняющий слой, близкий по размерам к полному сечению кристалла. Это до-гается, если выдерживается точность ориентации пластин ~ 1 угловой минуты, непараллельность и неплоскостность боковых граней около 10 мкм по всей длин кристалла. Глубина нарушенного кристаллического слоя при полировке боковы граней должна быть на том же уровне. Эти требования, в принципе, обеспечиваются существующим уровнем технологии.

В планируемых применениях кристаллов на ускорителях тэвных энергий, особенности для вывода пучков из сверхпроводящих коллайдеров, требования качеству ориентации и обработки граней ужесточаются. Так, ожидается, что параметр наведения пучка на кристалл при выводе его из ускорителя LHC будет составлять доли микрона [1], что, по-видимому, потребует создания новых средст контроля и обработки кристаллической поверхности для захвата с первого оборота. С ростом энергии отклоняемых частиц до тэвного диапазона ужесточаются также требования к качеству материала монокристаллических пластин. Мозаичность кристаллов не должна превышать величину ~ 1 мкрад, определяемую критически углом каналирования.

Согласно известному эмпирическому правилу, кремниевую пластину толщиной Н можно изогнуть упруго по цилиндру радиуса R при условии R > 1000 X Н. В то же время для эффективного поворота пучков существует оптимальный радиус изгиба Ronm j Для значительных углов поворота равный нескольким критически: радиусам Rc ([2]): Ronm ~ (3 -f- 5) х Rc. Для кремния RC[M] = 0,0018 х Е [ГэВ]. Поэтому этот прочностной критерий приводит к ограничению толщины используемых пластин Н [мм] < 0, 007 х Е [ГэВ]. Так, в случае энергии отклоняемых частиц Е = 70 ГэВ оптимальный поворот осуществляет пластина толщиной Н < 0,5 мм. Но для строящихся ускорителей на тэвные энергии толщина пластин может составлять десятки миллиметров, что, как правило, много больше характерных размеров пучка.

Изгиб кристалла по заданной поверхности в общем случае является непростой задачей. Исторически изогнутые кристаллы широко применялись для фокусировки рентгеновских и гамма-лучей в кристалл-дифракционных приборах для нужд ядерной спектроскопии. В решении проблемы применялись два общих подхода: 1) изгиб с помощью цилиндрических зеркал- 2) метод моментов.

Особенности требований к изогнутым кристаллам, применяемым для отклонения пучков частиц высоких энергий по сравнению с их использованием для фокусировки гамма-лучей связаны с различными направлениями траекторий движения частиц: гамма-лучи пересекают пластины поперек больших граней, заряженные частицы движутся вдоль вырезанных пластин. Поэтому требования постоянства радиуса изгиба по продольной координате, как правило, не очень жесткие (точность, А R/R ~ 1% вполне достаточна). Однако возникают специфические требования на краях изогнутых пластин. Необходимо выдержать полный угол изгиба 0 в пределах углового аксептанса существующих магнитооптических каналов транспортировки частиц, куда необходимо отклонять пучки. Обычно эта величина А0 ~ 0,1 мрад. Такая точность может контролироваться по отраженному лазерному лучу при прямолинейном движении кристалла на микрометрическом столике.

Как показал опыт, большой проблемой является устранение неравномерности згиба по поперечной координате. В неответственных случаях, при использовании исталлов для деления выведенного пучка, можно было ограничиться все той же чностью A0j. ~ 0,1 мрад, что, как правило, значительно меньше расходимости адающего пучка 1 мрад). Для вывода пучка из ускорителя или для иссле-вания эффективности захвата частиц в режим каналирования такая точность ляется неприемлемой и определяется величиной критического угла каналирова-я. В этом случае края кристалла приходится оставлять плоскими, либо приметь для проверки качества изгиба лазерную интерферометрию, и корректировать верхности изгибающих зеркал.

В проведенных опытах с откло-нием пучков частиц присутству-т те или иные разновидности ука-нных методов изгиба кристалла редложено и испытано около десят-конструкций, часть из них опи-на в соответствующих парагра-ах). На рис. 8 показан разработан-ш и широко применяемый [10,13, ] вариант конструкции изгибающе-устройства на основе металличе-ого зеркала, получивший в лите-туре название «bridge» (мост). В ой конструкции центральная часть вобождена от вещества, чтобы све-и к минимуму потери частиц. Кри-алл крепится к изогнутой металли- Рис g Разработанное устройство для изгиба и ской поверхности с помощью упру- крепления кристаллов, х шайб, действующих по принципу вестной в технике подпружиненной опоры, снимающей механические напряжения, торые возникают при взаимодействии интенсивного пучка с кристаллом. ниометричёские устройства

Необходимой частью экспериментального оборудования являются гониометри-ские устройства для ориентации кристаллов относительно пучка. Обычно для иентации кристаллов требуется минимальный шаг углового перемещения, срав-мый с критическим углом каналирования (~ 20 мкрад при 70 ГэВ). Такие чности обеспечивает известная компактная конструкция, содержащая коромысло, иводимое в движение микрометрическим винтом, расположенным на оси шагово-двигателя. В зависимости от величины коромысла и шага резьбы микрометри-ского винта в конструкциях достигался шаг углового перемещения 8−30 мкрад.

Для управления использовались шаговые двигатели марки ШДР-711, ШДР-7 Управляющие импульсы на двигатели поступали от модулей управления МУ. выполненных в стандарте КАМАК. Число и частота управляющих импуль могли задаваться от ЭВМ и вручную с передней панели модулей. Указан конструкции легко размещались внутри стандартных вакуумных боксов и уста вливались на устройства, обеспечивающие координатные перемещения (на рис в качестве примера показано устройство кристаллической станции деления пуч установленной в канале № 8).

Рис. 9. Кристаллическая станция деления пучка. 1 — изогнутый монокристалл- 2 — криста держатель- Показан также одноосевой гониометр с горизонтальным перемещением.

2.2. Влияние дефектов кристалла

Приведенная формула (8) для величины длины деканалирования дает след щую зависимость от свойств вещества: ¿д ~ атг что для изоморфных к сталлов приводит к зависимости ~ (слабое убывание с ростом Z). поскольку критический радиус изгиба Яс ~ (величина, обратная критическ полю), то «сила» дефлектора 0?> ~ ~ 22|/3 — заметно растет с ростом

Кроме того, критический угол захвата вс ~ у/иё ~

1/3 также возрастает. Поэт тяжелые материалы, в принципе, предпочтительнее для поворотов лучка.

Практика, однако, показывает, что главным фактором в использовании кристал-в в области высоких энергий пока является совершенство кристаллической струк-ры. В этом отношении кремний — истинный рекордсмен. О высоком качестве ого материала говорят данные по измерению длин деканалирования, приведенные азделе 1, а также ряд результатов опытов по отклонению пучка протяженными исталлами [25], в разное время устанавливаемыми в магнитооптических каналах стиц, позволивших продвинуть исследования «вширь».

Так, в одном из них был испытан в пучке изогнутый на угол 20 мрад кристалл емния (110) длиной 150 мм. Метод введения в режим каналирования и анализ нных аналогичны рассмотренным в разделе

1.1. Соответствие доли отклоненных стиц расчетным величинам, полученным из соотношения (2), свидетельствует о ершенстве кристалла.

В опытах сравнивались отклоняющие свойства протяженных (до 100 мм) кри-шов кремния, полученных из разных источников. Обнаружена устойчивая по-ряемость результатов от кристалла к кристаллу 5%, соответствующая точности ерений.

Интересные

выводы были сделаны из внения эффективности отклонения пуч-кристаллами кремния с различной элек-проводностью (этот параметр зависит концентрации примесной добавки и яется определяющим в микроэлектро-е). Ранее частицы высоких энергий отняли только высокоомными материала-(р > 5 КОм-см). Испытания в пуч-протонов с энергией 70 ГэВ показали, кремний с удельным сопротивлением 100 Ом-см обладает столь же высокими лоняющими свойствами. Таким обра, подтверждаются предсказания теории уменьшении с ростом энергии влияния каналирование концентраций одиноч-х примесных атомов. Даже кремниевые пластины массово-производства, вырезанные из слитков ьшого диаметра для приготовления микросхем, обнаруживают хорошие откло-щие свойства. В одном из опытов из пластины диаметром 100 мм (ориентация 1) — п — тип проводимости- не более 100/см2 — плотность дислокаций) был при-овлен дефлектор длиной 30 мм. По сравнению с бездислокационным «эталоном» отклонял (90 ± 5)% частиц.

Именно дислокации при высоких энергиях представляют наибольшую опасность, как сечение деканалирования на остальных типах дефектов с ростом энергии ает, либо остается постоянным. На рис. 10 показана теоретическая кривая

Рис. 10. Зависимость длины деканалирования Щ) при 70 ГэВ от количества дислокаций в кристалле. Точки — эксперимент- кривая — теория. уменьшения длины деканалирования с ростом количества дислокаций в кристал ле при 70 ГэВ [1]. На график нанесена экспериментальная точка, отражающа уменьшение длины деканалирования в несовершенном кремниевом кристалле.

Было испытано несколько кристаллов германия длиной до 45 мм. На рис. 1 показаны данные рентгенографического анализа фрагмента одного из германие вых кристаллов, с помощью которых определена концентрация дислокаций: пд (1000±-100)/см2 (под микроскопом на фотопластинке подсчитывалась суммарна длина дислокаций на единицу объема). При тестировании кристаллов германия пучке 70-ГэВ протонов по доле отклоненных частиц из соотношения (2) в [10] а также из сравнения с кристаллами кремния в идентичных условиях [25] бы ла определена величина Ьр = (5 ± 1) мм (это составляет 15% от характеристи ки для совершенного материала). Измеренная величина концентрации дислокаци около 1000/см2 объясняет аномальное деканалирование в образце германия и ко личественно хорошо согласуется с теорией (экспериментальная точка нанесена н график рис. 10).

Рис. 11. Результаты рентгенографической съемки образца германия по методу Бормана В этом методе дислокации отображаются в рентгеновских лучах на нижней граь кристалла черными линиями, что зафиксировано на фотографии.

Установлено также влияние дефектов кристаллической поверхности, вносимы при обработке пластин, на характеристики пучка частиц высоких энергий, откло ненного изогнутым монокристаллом [24]. Эта задача актуальна при оптимизаци ристаллических септумов, предназначенных для эффективного вывода циркули-ующего пучка из ускорителя, где пучок имеет малую угловую расходимость и собо чувствителен к дефектам кристалла на его поверхности, соприкасающейся с учком.

В опыте прецизионно с точностью менее 1 мкм измерены профили отклоненного ристаллом пучка частиц с помощью ядерных фотоэмульсий. Путем сравнения зображений пучка на ближних эмульсиях с размерами кристаллов было выяснено, то испытанные кристаллы имеют заметный неканалирующий слой (см. табл. 1), ирина которого колеблется в пределах ~ 40 — 60 мкм.

Таблица 1. Характеристики кристаллов и размеры отклоненных пучков.

Тип кристалла Длина, мм Толщина, мкм Размер пучка, мкм Неэффективный слой, мкм

81(110)

81(111)

Ое (1Ю)

81(111)

81(111)

81(111)

Наблюдалась также специфическая мозаичность кристаллов вблизи торцов, при-одящая к угловым искажениям отклоненного пучка, превосходящем критический гол каналирования. Так, на рис. 12а показано изображение отклоненного пучка, труктура которого отражает характер поверхностных дефектов на торце кристал-а. Фотография этого торца, увеличенная под микроскопом, приведена на рис. 126. а расстоянии ~ 1 м от кристалла наблюдается фрагментирование пучка на отельные зоны с разрывом между ними ~ 100 мкм. Соответствующие этому на-людаемые искажения углов вылета частиц пучка, а ~ 100 мкрад в этом случае бусловлены деформациями решетки на глубину к ~ (ЗЛС) X, а = 50 мкм на торце ристалла. Здесь принято, что (3Лс) — радиус изгиба плоскостей, равный трем ритическим радиусам Ес ~ 15 см, при котором возможно эффективное каналиро-ание (при меньших радиусах деформации плоскостей частицы просто выходили ы из режима каналирования, не давая такой скоррелированной картины, как это идно из рисунка). Обнаруженные глубокие угловые деформации кристаллической ешетки, образующиеся из-за мельчайших микронных дефектов на поверхности, и огут быть причиной возникновения существенного приповерхностного слоя, неэф-ективного для каналирования мультигэвных частиц. Последующие опыты показа-и, что качество отклоненного пучка заметно улучшается при тонкой химической олировке торцов кристалла.

Проведенные исследования таким образом помогли уточнить требования к кри-аллам и усовершенствовать технологии изготовления монокристаллических пла-ин, пригодных для отклонения и вывода пучков на ускорителях.

3. Тепловая и радиационная стойкость кристаллов

В экспериментальной работе Э. Н. Цыганова и др. (1979 г.), где впервые провеялась идея отклонения частиц изогнутым монокристаллом, интенсивность откло-енного пучка едва достигала нескольких частиц в секунду. В дальнейшем из-за евысокой эффективности отклонения частиц кристаллами (главным образом, из-несоответствия эмиттанса пучка аксептансу кристалла), а также радиационных вреждений полупроводниковых кристаллов сложилось мнение об ограниченных зможностях этого метода формирования пучков.