Исследование отражения протонов с энергией 400 ГЭВ изогнутым монокристаллом кремния с помощью плоскопараллельного позиционно чувствительного детектора

В 2002 году, в совместном эксперименте ПИЯФ-ИФВЭ, исследовался процесс каналирования протонов с энергией 70 ГэВ в изогнутом монокристалле кремния [1]. Изучалась возможность отклонения пучка протонов этим методом. Детектором частиц, прошедших через кристалл, служила фотоэмульсия. В том же эксперименте наблюдалось странное явление: на фотоэмульсии, помимо протонов, отклоненных на ожидаемый угол за счёт процесса каналирования, наблюдались также светлая область и темная с противоположенным углом отклонения. В течение некоторого времени, авторы не придавали этому наблюдению серьёзного значения, относя его к возможным дефектам в кристалле или трудностям метода фотоэмульсии. Однако позднее было высказано предположение, что наблюдаемое странное явление, возможно, является процессом объёмного отражения, предсказанного ещё в 1987 году А. М. Таратиным и С. А. Воробьёвым [2].

Для проверки этого предположения было решено провести специальный эксперимент на синхроциклотроне ПИЯФ при энергии протонов 1 ГэВ. Отличительной особенностью этого эксперимента являлось использование электронического метода регистрации, основным элементом которого был современный позиционно чувствительного детектора с высоким пространственным разрешением, позволяющего провести надёжное детектирование процессов каналирования и объёмного отражения с их количественной оценкой. Эксперимент ПИЯФ был выполнен в 2006 году. В этом эксперименте было показано, что эффективность объёмного отражения протонов с энергией 1 ГэВ составляет 70% [3].

В этом же году, международным коллективом с участием ПИЯФ был поставлен эксперимент в CERN на ускорителе SPS с энергией протонов 400 ГэВ. Цели эксперимента были наблюдение и количественная оценка процесса объёмного отражения протонов при этой энергии и исследование возможности применения этого явления для устранения гало протонного пучка в создаваемом ускорителе LHC.

Автор диссертации деятельно участвовал в обоих экспериментах, где проектировал и создавал позиционно чувствительную детектирующую систему, в роли которой использовался разработанный в ПИЯФ плоскопараллельный позиционно чувствительный детектор (3-ПЧД) и систему съёма и обработки данных. Детектор оказался адекватным для решения поставленной задачи. Его достоинства — высокое пространственное разрешение, быстродействие, простота конструкции, возможность работы без внешнего триггера, возможность быстрой обработки данных практически в режиме реального времени.

Эксперимент в CERN успешно завершён в сентябре 2006 года. Явление отражения было надёжно зарегистрировано. При этом было показано, что эффективность отражения растёт с ростом энергии протонов, приближаясь к 100% [4, 5]. Полученный результат позволяет надеяться на успешное применение кристаллов для уменьшения гало циркулирующих протонных пучков ускорителя LHC. В настоящее время администрацией CERN принято решение о проведении специального эксперимента (эксперимент UA9) для исследования этих возможностей на циркулирующем протонном пучке ускорителя SPS.

В данной диссертации представлено описание разработанного 3-ПЧД, а также результаты анализа экспериментальных данных, полученных с помощью этого детектора при исследовании процесса отражения протонов энергией 400 ГэВ изогнутыми атомными плоскостями монокристалла кремния.

Заключение

.

В диссертации представлены результаты по обнаружению и исследованию объёмного отражения ультрарелятивистских протонов изогнутыми монокристаллами кремния при помощи плоскопараллельного позиционно чувствительного детектора (3-ПЧД).

1. В эксперименте по обнаружению и исследованию отражения ультрарелятивистских протонов с энергией 400 ГэВ на ускорителе SPS CERN изогнутыми атомными плоскостями монокристалла кремния с помощью измерительной системы на базе 3-ПЧД получены следующие результаты:

• измеренная эффективность отражения протонов с энергией 400 ГэВ одиночным изогнутым кристаллом составляет (98,0±0,6) %;

• угол отражения равен 12 мкрад.

2. В CERN с помощью измерительной системы на базе 3-ПЧД измерено объёмное отражение протонов с энергией 400 ГэВ сборкой из двух монокристаллов кремния и получены следующие результаты:

• эффективность отражения сборкой из двух изогнутых кристаллов составляет (96,6±0,7) %;

• суммарный угол отражения 23 мкрад.

3. Разработаны и исследованы 3-ПЧД с пространственным разрешением (шагом стрипов) 500 мкм, 200 мкм, 100 мкм и 50 мкм. Решены конструктивные и технологические проблемы детектора, оптимизирована электроника параллельной передачи данных.

Показано, что измерительная система на базе 3-ПЧД может работать при загрузках до ~108 частиц/см2 с без внешнего триггера в счётном режиме. Детектор позволяет измерять профили пучков заряженных частиц и мягкого рентгеновского излучения с высоким пространственным разрешением.

В процессе апробации 3-ПЧД обнаружено объёмное отражение протонов с энергией 1 ГэВ изогнутым монокристаллом кремния на ускорителе ПИЯФ РАН.

4. Создана система сбора, передачи, обработки и представления экспериментальных данных, поступающих с 3-ПЧД Результаты по исследованию объёмного отражения протонов, представленные в диссертации, согласуются с теоретическими предсказаниями [2,12].

Явление объёмного отражения может быть использовано для управления пучками протонов высоких энергий, так как эффективность этого процесса близка к 100%. Например, для отклонения пучков или для чистки гало ускорителя LHC. Для увеличения угла отражения протонов следует использовать сборку из нескольких изогнутых кристаллов, ориентированных оптимальным образом как относительно пучка, так и относительно друг друга.

Разработанный и созданный в ПИЯФ 3-ПЧД обладает высокой загрузочной способностью и хорошим пространственным разрешением, что в сочетании с простотой конструкции позволяют использовать его для решения различных задач в области физики высоких энергий, медицине и дефектоскопии.

Автор благодарен заведующему лабораторией мезоатомов Ю. М. Иванову за поставленную задачу и плодотворную совместную работу в экспериментах на ускорителях ПИЯФ и CERN, В. А. Гордееву и В. Г. Ивочкину за возможность развить методику и технологию плоскопараллельного позиционно чувствительного детектора, А. А. Петрунину и В. М. Суворову за ценные и полезные научные обсуждения.