Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Введение
1.1 Поляризационные эксперименты на ускорителях. 6
1.2 Методы получения пучков поляризованных протонов и ионов. 14
1.3 Поляризованные пучки на действующих ускорителях и перспективы создания новых установок . 21
Глава 2. Исследование оптической накачки паров щелочных металлов высокой плотности
2.1 Метод оптической накачки. 26
2.2 Ограничения на максимальную плотность паров щелочных металлов при оптической накачке вследствие пленения резонансного излучения. 33
2.3 Ограничения на плотность паров щелочных металлов вследствие ассоциативной ионизации . 40
2.4. Измерение толщины и степени фарадеевского вращения плоскости поляризации пробного лазерного луча. 44
2.5 Лазерные системы для оптической накачки. 5 1
2.6 Оптическая накачка смесей паров щелочных металлов К- Na, Rb-Cs. 54
2.7 Заключение. 59
Глава 3. Непрерывные источники поляризованных ионов Н~ на основе эцр-источников первичных протонных пучков
3.1 Процесс поляризации ионов Н~ в источниках с оптической накачкой. 61
3.2 ЭЦР-источник первичного протонного пучка. Повышение тока ионов Н в непрерывном источнике TRIUMF . 67
3.3 Измерения поляризации в лэмбовском поляриметре. 73
3.4 Измерение поляризации протонов при энергии 300 кэВ. 79
3.5 Исследования факторов деполяризации в источниках с оптической накачкой. 83
3.6 Заключение. 90
Глава 4. Исследования спин-обменной поляризации ионов Н~ разработка импульсных источников поляризованных ионов Н~ с током 10-20 ма на основе инжекторов пучков атомарного водорода .
4.1 Импульсный источник ионов Н со спин-обменной поляризацией. 92
4.2 Инжектор пучка атомарного водорода высокой яркости. 95
4.3 Исследование спин-обменной поляризации в Н - Na и Но - Rb атомных столкновениях. 100
4.4 Исследования "комбинированной"спин-обменной и зарядово-обменной поляризации . 105
4.5 Предложение импульсного источника поляризованных ионов Н с током 20-50 мА на основе спин-обменной поляризации. 111
4.6 Заключение. 115
Глава 5. Эксперимент по исследованию несохранения пространственной четности в рассеянии поляризованных протонов на жидководородной мишени при энергии 221 МэВ в triumf .
5.1 Введение.
5.2 Описание экспериментальной установки. 121
5.3 Статистические и систематические ошибки измерения Az 127
5.4 Остаточная поперечная поляризация пучка. Моменты поляризации. 131
5.5 Система контроля параметров лазерного излучения при быстром перевороте спина. 137
5.6 Модуляции интенсивности пучка коррелированные с переворотом спина 149
5.8 Модуляции энергии и положения пучка коррелированные с переворотом спина. 175
5.8 Результаты измерений. 175
5.9 Заключение. 177
Глава 6. Источник поляризованных ионов Н~для ускорительно-накопительного комплекса RHIC .
6.1 Поляризованные пучки в RHIC. 179
6.2 Инжектор поляризованных ионов Н для RHIC. 183
6.3 Струйная натриевая мишень-ионизатор. 189
6.4 Измерение поляризации при энергии 2-35 кэВ в поляриметре лэмбовского типа. 197
6.5 Измерение поляризации на выходе линейного ускорителя при энергии 200 МэВ. Калибровочный эксперимент для инклюзивного рС поляриметра. 203
6.6 Исследование эффекта смешивания ионов Н2+, образованных в ЭЦР источнике первичных протонов, на поляризацию пучка. 210
6.7 Параметры пучка поляризованных ионов Н~ из источника с оптической накачкой для RHIC. 217
6.8 Поляризация протонов в AGS и RHIC. 222
Глава 7. Заключение 231
Список литературы 233
Список опубликованных работ по теме диссертации. 243
- Поляризованные пучки на действующих ускорителях и перспективы создания новых установок
- Ограничения на плотность паров щелочных металлов вследствие ассоциативной ионизации
- ЭЦР-источник первичного протонного пучка. Повышение тока ионов Н в непрерывном источнике TRIUMF
- Исследования "комбинированной"спин-обменной и зарядово-обменной поляризации
Введение к работе
В диссертации представлены результаты исследований по разработке спин обменных методов поляризации протонов и ионов Н , выполненных автором в 1978-2002 гг. На основе этих исследований были созданы источники поляризованных ионов Н нового типа для прецизионных экспериментов на ускорителях и ускорительно накопительных комплексах высоких энергий .
Увеличение интенсивности источников поляризованных протонов и ионов Н" вызывает в настоящее время повышенный интерес в связи с проектами поляризационных исследований на ускорителях высоких энергий и коллайдерах. Получение высокой светимости требует создания источников поляризованных ионов Н для получения максимальной интенсивности при перезарядной инжекции в ускоритель. Интенсивность современных инжекторов ионов Н составляет 20-100 мА с нормализованным эмиттансом -2.0 к мммрад, близкие параметры должны быть получены для пучков поляризованных ионов.
До последнего времени главным препятствием для получения поляризованных пучков протонов высоких энергий была сильная резонансная деполяризация существующая в кольцевых ускорителях. Метод "сибирской змейки", предложенный Я.С.Дербеневым и А.М.Кондратенко /1.1.1/ позволяет предотвратить деполяризацию при ускорении поляризованных протонов в релятивистском коллайдере RHIC. Успешное ускорение поляризованных протонов до энергии 100 ГэВ в RHIC и первые эксперименты на встречных поляризованных пучках являются замечательным экспериментальным подтверждением метода "сибирской змейки", что не оставляет сомнений в возможности сохранения поляризации при ускорении до полной энергии 250 ГэВ /1.1.2/.
Светимость партонных пучков и их поляризация определяется из партонных функций распределения, которые характеризуются структурой протона. Сечения рассеяния партонов и спиновые корреляции вычисляются непосредственно в первом порядке партурбативной КХД. Электрослабые процессы (например образование W+/" базонов) определяются в "Стандартной Модели" /1.1.4/.
В поляризованных протонах кварки и глюоны должны быть также поляризованы. Спиновые эффекты являются чувствительным пробником сложной структуры нуклонов проявляющейся, например, в относительно малом вкладе валентных кварков в полный спин протона. В экспериментах по рассеянию поляризованных электронов и мюонов на протонной мишени обнаружено, что валентные кварки вносят малый вклад в полный спин протона. Этот результат противоречит наивной квартовой модели и получил название спинового кризиса. Протоны, одни из самых доступных и распространенных строительных блоков материи, имеют сложную внутреннюю структуру и являются примером существенно релятивистского связанного состояния, т.к. энергия связи много больше масс составляющих валентных кварков. Возможно, что глюоны также дают значительный вклад в полный спин, как и в массу протонов. Поэтому измерение вклада глюонов AG в спин протона рассматривается в качестве наиболее важных экспериментов требующих поляризованные пучки в коллайдере RHIC /1.1.4/.
Традиционно исследования поляризационных явлений приводили к фундаментальным открытиям в ядерной физике. Открытие несохранения пространственной четности в бета-распаде и других процессах слабого взаимодействия элементарных частиц до сих пор не нашло однозначного понимания - является ли эта ассиметрия законов природы фундаментальной, или только низкоэнергетическим пределом. В стандартной модели электрослабого взаимодействия несохранение пространственной четности закладывается феноменологически и является свидетельством неполноты этого описания.
Спиновые эффекты в протон-протонных столкновениях средних энергий могут также оказаться чувствительным пробником структуры протонов. Одним из возможных экспериментов является исследование эффектов электрослабого взаимодействия в рассеянии протонов. Сигнатурой этих взаимодействий является несохранение зарядовой или пространственной четности. Расчеты показывают, что продольная анализирующая способность Az- величина характеризующая слабую несохраняющую пространственную четность в протон-протонном рассеянии при энергии порядка 200 МэВ чувствительна к механизму взаимодействия кварков на расстояниях —0,5 - 1,0 фм, т.е. конфайнменту кварков /1.1.51.
Спиновые эффекты могут оказаться полезными для обнаружения и идентификации новых частиц за пределами Стандартной Модели электрослабого и сильного взаимодействий. Например, в суперсимметричных расширениях Стандартной Модели появляются новые частицы-партнеры существующих частиц, отличающиеся в частности, другой величиной спина, что также приводит к характерным спиновым эффектам /1.1.6/.
Использование поляризованных пучков позволяет выполнить полный анализ спиновых корреляций в экспериментах на поляризованных мишенях, а тоже выполнить прецизионные эксперименты по исследованию, например, слабого нес охраняющего пространственную четность протон протонного взаимодействия.
Эксперимент HERMES по рассеянию продольно-поляризованных электронов с энергией 30 ГэВ на поляризованной внутренней мишени (протонной, дейтронной, гелия-3) ведутся в коллайдере HERA /1.1.7/. Цель эксперимента - измерение вклада кварковых компонент в полный спин протонов. Однако, чувствительность этого эксперимента к глюонной компоненте спина AG весьма ограничена.
Эксперименты по измерению AG проводятся в коллайдере RH1C со встречными продольно-поляризованными пучками протонов при энергии 200 - 500 ГэВ в с.ц.м. В RHIC AG может быть измерена в процессах прямого рождения гамма-квантов с Рт 10 ГэВ/ с (комптоновское рассеяние глюонов: q + g— q + у ), а также в процессах кварк-глюонного и глюон-глюонного рассеяния, которое приводит к характерному коррелированному образованию двойных струй /1.1.7/.
При энергиях 500 ГэВ в с.ц.м. возможно прямое рождение промежуточных W+, W" и Z-бозонов в процессах кварк-антикварковых аннигиляции ( u+d — W+, d + u — W"). Образование промежуточных бозонов происходит в процессах электро-слабого взаимодействия нарушающего пространственную Р-четность. Нарушение Р-четности позволяет разделить вклады в рассеяние поляризованных кварков и антикварков и, таким образом, определить вклад антикварков в полный спин протонов (см. Рис. 1.1.2) /1.1.8/.
Эксперименты с пучками частиц высоких энергий поляризованных в источниках являются основным инструментом в поляризационных исследованиях. Наиболее важное применение имеют пучки поляризованных электронов и протонов. Поляризация электронов в источниках требуется только для линейных ускорителей, т.к. в кольцевых ускорителях и накопителях высоких энергий поляризация происходит за счет синхротронного излучения и проблема состоит в осуществлении переворота спина и получении продольной поляризации. Для линейных ускорителей необходимо поляризовать электроны в источнике. Поскольку создание встречных линейных ускорителей признано единственным реальным способом увеличения энергии электронных пучков, развитие методов поляризации электронов представляет повышенный интерес. Отметим, что наиболее перспективные методы поляризации электронов основаны на фотоэмиссии с поверхностей полупроводниковых кристаллов и хемоионизации оптически ориентированных метастабильных состояний атомов гелия.
Возможности постановки поляризационных экспериментов в настоящее время значительно расширились. В дополнение к обычному рассеянию неполяризованных пучков на поляризованных твердых мишенях можно изучать рассеяние на поляризованной струйной мишени или в накопительной ячейке, помещенных прямо в кольцо ускорителя-накопителя. В последнем случае малая плотность мишени компенсируется многократным прохождением пучка и полная частота столкновений оказывается достаточно высокой. Идентичность частиц в упругом протон-протонном рассеянии в области кулон-ядерной интерференции позволяет измерить абсолютную поляризацию пучков в коллайдере высоких энергий. В этом случае поляризация ускоренного пучка может быть однозначно определена через поляризацию протонов в мишени, которая измеряется с высокой точностью методом атомных пучков /1.1.10/.
Важным условием, позволяющим планировать эксперименты с поляризованными пучками максимально возможной светимости для данного ускорителя, является создание источников поляризованных протонов и ионов Н высокой интенсивности. Результаты разработки источников поляризованных ионов Н высокой интенсивности с оптической накачкой и экспериментов с поляризованными пучками составляют основное содержание представленной работы. 1.2 .Методы получения пучков поляризованных протонов и ионов Н .
Магнитные моменты ядер изучались в экспериментах с атомными пучками тепловых энергий, поэтому получение поляризованных протонов при ионизации поляризованных по ядерному спину пучка атомов водорода было реализовано в качестве первого источника поляризованных протонов для ускорителей более 40 лет назад. С тех пор метод непрерывно развивался и в настоящее время источники этого типа широко используются на ускорителях. За прошедшие годы множество других идей было предложено, испытано и отвергнуто, но замечателен факт, что два новых метода, представленных русским ученым, академиком Е.К.Завойским, в редакцию ЖЭТФ в один день 16 декабря 1956 года оказались весьма плодотворными и реализованы в действующих источниках на ускорителях.
Поляризованные пучки на действующих ускорителях и перспективы создания новых установок
В последние годы созданы новые установки для поляризационных исследований. Пучки поляризованных протонов и дейтронов получены для экспериментов в TUNL /1.3.1/, IUCF /1.3.2/, RIKEN /1.3.3/, Uppsala /1.3.4/,. Все новые источники копируют с большим или меньшим успехом прототип, разработанный в PSI /1.3.5/ и TUNL с ЭЦР (электронный-циклотронный резонанс) - ионизатором. Внедрение ЭЦР-ионизатора значительно улучшило эксплуатационные характеристики атомарных источников по сравнению с электронно-лучевыми и пеннинговскими ионизаторами, но эффективность ионизации практически не увеличилась, а поляризация несколько уменьшилась с 80% до 75%.
Новый источник атомарного типа с ионизацией цезиевым пучком разработан для ускорительного комплекса COSY (Julich). Несмотря на большие усилия по оптимизации цезиевого источника интенсивность поляризованного пучка Н не превышает пока 20 мкА /1.3.6/. В импульсном источнике BNL с цезиевым ионизатором было получено до 40 мкА ионов Н в 1987 г. /1.3.7/. В 1999 году источник с атомарным пучком в BNL заменен на источник с оптической накачкой с интенсивностью до 1,6 мА /1.3.8/, для экспериментов со встречными пучками поляризованных протонов на комплексе RHIC.
Значительный прогресс достигнут в разработке ионизатора на основе плазменной струи обогащенной отрицательными ионами D в ИЛИ РАН /1.3.9/. Эксперименты с пучками поляризованных дейтронов максимальной доступной в настоящее время энергии до 10 ГэВ ведутся с использованием источника ПОЛЯРИС в Дубне /1.3.10/.
Источники поляризованных ионов с оптической накачкой были созданы в лабораториях КЕК (Япония) /1.2.12/, ИЯИ РАН/1.3.11/, LAMPF (США)/1.3.12/ и TRIUMF( Канада)/1.3.13/. В КЕК, LAMPF и TRIUMF в качестве источников первичного протонного пучка применяются ЭЦР- источники, помещенные в то же самое магнитное поле, что и оптически ориентированные мишени.
В ИЯИ РАН автором разработана оригинальная схема источника с оптической накачкой/1.3.11/. В источнике ИЯИ высокоинтенсивный пучок нейтральных атомов водорода, образованный при нейтрализации сфокусированного пучка протонов в газовой водородной ячейке, инжектируется в сильное магнитное поле, где пучок вначале ионизируется в гелиевой мишени-ионизаторе, а затем нейтрализуется при захвате поляризованных электронов в оптически ориентированной мишени. Таким образом удается избежать эмиттанса пучка при взаимодействии с краевыми полями соленоида, т.к. пучок на входе и выходе соленоида нейтрален. В 1986 году в этом источнике был получен импульсный ток отрицательных ионов Н -0.4 мА /1.3.14/ и ток протонов 4 мА, выполнены первые исследования зависимости поляризации от величины магнитного поля в оптически-ориентированной мишени.
В КЕК разработан метод получения пучка поляризованных дейтронов при двойной оптической накачке Rb-ячейки нейтрализатора и Rb-ячейки ионизатора. Получен ток ионов D" —350 мкА с векторной поляризацией 70% (см.Рис. 1.3.1) /1.3.15/. Значительный прогресс в повышении интенсивности источников поляризованных ионов Н достигнут в последние годы благодаря работе коллаборации "SPIN" по подготовке предложения поляризационных исследований на ТЭВАТРОНЕ-коллайдере FNAL /1.3.16/ и HERA—коллайдере в DESY /1.3.17/. В конечном счете эксперименты по повышению интенсивности импульсного источника с переносом поляризации в ИЯИ РАН и совместная ИЯИ- TRIUMF-ИЯФ (Новосибирск) разработка показали возможность создания инжектора для получения максимальной 10" см"- сек" светимости в рассеянии поляризованных протонов на антипротонах при энергии в с.ц.м. до 2.0 ТэВ. Для поляризованного инжектора в DESY необходима интенсивность источника Н —20 мА. Возможность получения такой интенсивности в источнике типа ИЯИ в импульсном режиме была продемонстрирована в процессе подготовки предложения SPIN коллаборации для коллайдера HERA /1.3.18/ (см. ниже Гл.4). Источник поляризованных ионов Н для RHIC разработан в коллаборации БНЛ - ИЯИ РАН - ТРИУМФ (Канада) - КЕК (Япония) под научным руководством автора. Интенсивность пучка из источника составляет 0,5 - 1,0 мА (максимальная интенсивность 1,6 мА) при длительности импульса до 500 мкс и поляризации -80% /1.3.19/. В процессе ускорения и инжекции в RHIC потери интенсивности составляют до 90% (потери в AGS связаны с коллимацией для уменьшения потерь поляризации), тем не менее интенсивность достаточна чтобы полностью насытить возможный аксептанс RHIC до пределов определяемых пучок-пучковым взаимодействием. Ниже приведены основные этапы в создании источников со спин-обменной поляризацией.
Ограничения на плотность паров щелочных металлов вследствие ассоциативной ионизации
При спонтанных переходах в основное состояние, правила отбора позволяют переходы Am, = 0, ±1 и с вероятностью 1/3 атом может оказаться в основном состоянии с mj = +1/2, которое является "метастабильным" в данном процессе оптической накачки, т.к. возбуждение этих состояний не происходит вследствие отсутствия возбужденных состояний с mj = +1. При достаточной мощности излучения все атомы быстро оказываются в состоянии mj = +1/2 (т.е. электроны в атомах полностью поляризованы) — это и есть процесс оптической накачки. В слабом магнитном поле это выполняется для полного момента атома F = I+J, где I - момент ядра. При этом поляризуются как электроны так и ядра /2.1.1/.
В реальных условиях эксперимента атомы заключены в ячейке и при столкновении со стенками может происходить деполяризация. В этом случае рапределение заселенностей подуровней определяется мощностью лазерного излучения, плотностью атомов и временем релаксации поляризации. Современные твердотельные лазеры на кристаллах (сапфир титана, александрит, Cr:LiSAF и др.), либо красителях, поставляют -10 Вт мощности в непрерывном и -1-10 кВт импульсном режиме в диапазоне длин волн 590 — 900 нм подходящих для оптической накачки атомов щелочных металлов. Мощность излучения 10 Вт соответствует -4-Ю19 фотонов/сек с длиной волны 795 нм, необходимой для накачки паров рубидия. В зависимости от условий оптической накачки в среднем необходимо всего несколько фотонов для поляризации атома в сильном магнитном поле, таким образом, эффективность образования поляризованных атомов может достигать свыше 10 атомов/сек в непрерывном режиме и более 1021 атомов/сек в импульсном режиме накачки /2.1.2/.
Прямое применение метода оптической накачки для поляризации протонов в атомах водорода, представляющих наибольший интерес для ядерно-физических экспериментов затруднено отсутствием достаточно мощных лазеров с длиной волны 121.6 нм - энергии возбуждения первого 1S - 2Р перехода в атомах водорода. Тем не менее, возможность поляризации протонов при прямой оптической накачке атомов водорода была продемонстрирована в работе /2.1.3/, где третья гармоника криптонового лазера использована для возбуждения 1S - 2Р перехода.
Оптическая накачка релятивистских атомов водорода предложена автором для получения высокоинтенсивных импульсных пучков поляризованных протонов /2.1.4/. Допплеровский сдвиг длины волны излучения для встречно-направленных атомарного и лазерного пучков приводит к смещению длины волны IS - 2Р перехода в доступную для лазеров область. Так при энергии пучка 500 - 800 МэВ длина волны перехода составляет 330 — 410 нм, что можно получить при удвоении частоты перестраиваемых лазеров.
Пучок релятивистских атомов водорода может быть получен при обдирке пучка отрицательных ионов водорода Н ускоренных в линейных ускорителях ИЛИ РАН и LAMPF. Эффективность нейтрализации на тонкой углеродной фольге составляет 50%. Этот метод может найти применение для экспериментов с поляризованными нейтронами, образуемых при конвертировании импульсных пучков поляризованных протонов в жидководородной мишени.
В спин-обменном методе поляризации протонов оптическая накачка применяется для поляризации по электронному спину паров щелочных металлов, которые являются лучшими донорами поляризованных электронов. Сечение захвата электрона у атомов щелочных металлов при энергии протона 3-5 кэВ достигает величины (5 — 10) 10 см ", т.е. даже превышает сечение резонансной перезарядки протонов на атомарном водороде равное 10 -1э см /2.1.5/.
Это связано с тем, что перезарядка идет в основном с образованием атомов водорода во втором возбужденном состоянии, энергия которого близка к потенциалам ионизации щелочных атомов. Отметим, что при повышении потенциала ионизации максимум сечений смещается в область более высоких энергий, а интенсивность протонного пучка увеличивается по закону U , где U - энергия пучка. Для лития и натрия переходы удобные для оптической накачки лежат в области наиболее эффективных красителей с накачкой от мощных аргоновых лазеров. В первых источниках с оптической накачкой в КЕК, ИЯИ, LAMPF и TR1UMF, созданных в начале 80-х годов применялись пары натрия с оптической накачкой при помощи лазеров на красителях. Впоследствии создание новых твердотельных лазеров на кристаллах сапфир-титана, александрита и Cr:LiSAF позволило осуществить эффективную оптическую накачку паров калия, рубидия, цезия /2.1.6/. Основные параметры атомов щелочных металлов приведены в Табл. I.
ЭЦР-источник первичного протонного пучка. Повышение тока ионов Н в непрерывном источнике TRIUMF
Луч пробного излучения пропускается через окно в ЭРЦ - источнике протонов и отверстия в системе формирования пучка далее проходит через оптически ориентированную Rb ячейку и выводится из вакуумной системы источника через выходное окно в оптический бокс, где размещена система анализа поляризации. В оптическом боксе также находится дистанционно-юстируемое последнее зеркало для направления лазерного луча оптической накачки и система Л/4 пластинок для циркулярной поляризации излучения накачки и изменения направления поляризации (при частоте повторения импульсов более 1 Гц для циркулярной поляризации используется электрооптическая ячейка Покельса).
Пробное излучение генерируется в непрерывном титан-сапфировом лазере с накачкой от аргонового лазера. Мощность пробного лазера -0.4 Вт. Частота пробного лазера для рубидия 12808.0 см" выбрана вблизи D2 перехода (—780 нм) при этом оптическая накачка осуществляется на D переходе -12580 см" что соответствует длине волны 795 нм. Это позволяет хорошее разделение слабого сигнала пробного излучения от импульса накачки при применении узкополосного интерференционно-поляризационного фильтра на длине волны 780 нм, который эффективно отсекает свет лазера накачки /2.4.2/.
Измерение угла фарадеевского вращения производится в анализаторе с неподвижным кубом Френеля и Л/2 фазовой пластинкой, которая установлена на вращающейся оправке. Пластинка Л/2 вращает угол линейной поляризации на 180, и в комбинации с кубом Френеля позволяет измерить угол вращения линейной поляризации пробного излучения. Первое калибровочное измерение производится с холодной Rb ячейкой, когда угол вращения равен нулю. Интенсивность пробного света, прошедшего через анализатор, измеряется фотодиодом PD]. Пример измерения толщины мишени в отсутствие оптической накачки приведен наРис.2.4.2.
Сигнал с фотодиода усиливается и затем конвертируется в частоты в V/F - конвертере. Программа измерения угла автоматически сканирует угол поворота У2 и измеряет скорость счета пропорциональную интенсивности света I. Затем результаты измерений фитируются и находится минимум кривой: откуда вычисляется 0О. Вопроизводимость измерений 0.1 , систематическая ошибка определяется в основном ошибкой в измерении величины магнитного поля.
Для измерения поляризации измерения угла должны быть синхронизированы с импульсом оптической накачки. Длительность импульса оптической накачки -400 мксек. Для повышения точности измерения угла фарадеевского вращения Эр, сигнал с фотодиода PD интегрируется за время стробирующего импульса —300 мксек, затем постоянная амплитуда пропорциональная интегралу интенсивности преобразуется в частоту в V/F конвертере и измеряется в течении измерительного строба с длительностью 10 мсек., что значительно улучшает статистическую точность измерений. Сканирование угла поворота Х/2 — пластинки синхронизовано с импульсами источника и лазера. Обычный диапазон сканирования составляет 10 с шагом в 1, так что измерение занимает 10 сек при частоте повторения импульсов 1 Гц. Результаты измерений поляризации для накачки а+- правоциркулярно-поляризованным излучением в зависимости от толщины Rb — мишени представлена на Рис. 2.4.3.
Во втором способе измеряются обе ортогональные компоненты поляризованного света после расщепления в призме Глана-Фуко (см. Рис.2.4.1.). Для удобства измерений плоскость поляризации пробного луча поворачивается дополнительно на 45 , тогда : где I1( I2 - интенсивности двух компонент поляризованного света, измеренные соответственно с помощью фотодиодов PDi и PD2. Измерения с закрытым лазером дают величину угла , который далее используется для вычисления поляризации: Р = (1/а)(0р/0о-1). Результаты измерений представляются в виде таблицы. Измерения выполнены в режиме последовательного переключения направления поляризации лазерного излучения и соответственно направления поляризации импульсов тока поляризованных ионов, которые в конечном счете превращаются в банчи тока поляризованных протонов в RHIC. Измерение поляризации с помощью фарадеевского поляриметра дает однозначное физическое подтверждение направления поляризации и используется в DAQ экспериментов в качестве метки поляризации. При инжекции 55 банчей в одно из колец RHIC три импульса: 1-й, 21-й и 41-й имеют нулевую поляризацию, что используется для измерений систематической ошибки измерений поляриметров в RHIC. Во второе кольцо была инжектирована последовательность банчей (++—++—), что позволяет получить все возможные комбинации знаков поляризации банчей поляризованных протонов в точках столкновений.
Измерения с двумя фотодиодами дополняют измерения с поворотной пластинкой. Абсолютная точность измерений поляризации в схеме с двумя фотодиодами уступает точности измерений с вращающейся пластинкой А/2, однако относительная ошибка мала, что позволяет использовать этот метод для прецезионной настройки лазеров накачки.
Исследования "комбинированной"спин-обменной и зарядово-обменной поляризации
Эффективность процесса поляризации пучка атомов водорода при захвате электронов у оптически ориентированных атомов щелочных металлов очень велика, благодаря большим сечениям перезарядки. Например сечение захвата в парах Rb составляет у+о=810 см". Таким образом, при полной толщине мишени ТЧЬ=1014атомов/см эффективность захвата составляет 55%. Сечения То велики вследствие квазирезонансного характера процесса перезарядки, который преимущественно идет с образованием атомов водорода в возбужденных (2s,2p) состояниях. Чтобы предотвратить деполяризацию вследствие спин-орбитального взаимодействия в возбужденном состоянии процесс должен осуществляться в сильном магнитном поле, достаточном для разрыва спин-орбитального взаимодействия. Проведены измерения деполяризации в зависимости от величины магнитного поля в перезарядной мишени. Показано, что в поле 25 кГс деполяризация не превышает 5% /1.2.14/. Передача электронной поляризации протонам. Передача осуществляется, когда атомы водорода, поляризованные по электронному спину проходят область реверсирования продольного направления магнитного поля между сверхпроводящим соленоидом и соленоидом ионизатора. Происходит так называемый Sona-переход, в результате которого поляризация электронов передается протонам с эффективностью близкой к 100% (см. Глава 6.2) /1.2.16/.
Далее атомы водорода поляризованные по протонному спину ионизируются в ячейке ионизаторе. При ионизации в гелиевой газовой мишени образуются поляризованные протоны с эффективностью -80%. В натриевой ячейке-ионизаторе при захвате дополнительного электрона образуются поляризованные ионы Н с эффективностью -10%.
Блок диаграмма непрерывного источника с оптической накачкой приведена на Рис.3.1.2. Реализация этой схемы в источнике TRIUMF показана на Рис.3.1.2. /1.3.13/. Для предотвращения деполяризации при спин-орбитальном взаимодействии в источнике используется сверхпроводящий соленоид с магнитным полем до 25 кГс. В непрерывном источнике с оптической накачкой первичный протонный пучок создается в ЭЦР (Электронный Циклотронный Резонанс) -источнике, помещенным в том же самом магнитном поле соленоида, что и оптически ориентированная мишень (см. ниже Глава 3.2. ). Для получения высокой ядерной поляризации в источнике с оптической накачкой необходимо минимизировать потери на каждой ступени поляризации. Для оптимизации параметров источника требуются быстрые и прецезионные измерения поляризации. В этих целях была создана система поляриметров, включающая в себя лэмбовский поляриметр при энергии 2-5 кэВ /3.1.2/; p-6Li поляриметр при энергии пучка 300 кэВ и рр (р-С) -поляриметер при энергии 220 МэВ. Абсолютное значение величины поляризации определялось из измерений при 220 МэВ, где величина анализирующей способности для рр-рассеяния известна с хорошей точностью. Существуют некоторые потери поляризации при ускорении в циклотроне (оценки показывают, что эти потери не должны превышать 3-5%).
Пучок ионов Н из источника имеет продольную поляризацию, которая затем поворачивается в поперечную вертикальную плоскость с помощью "фильтра Вина" (см.Глава 5, Рис.5.2.1). Рассеянное магнитное поле циклотрона может существенно вращать направление поляризации протона при транспортировке. В канале транспортировки пучка при энергии 300 кэВ используются исключительно электростатические фокусирующие квадруполи и отклоняющие пластины. Поэтому в канале транспортировки направление поляризации может вращаться. Для компенсации этого эффекта фильтр Вина имеет вращательную степень свободы, что позволяет получить близкую к вертикальной поляризацию на входе в циклотрон. Результаты настройки фильтра Вина показаны на Рис.5.4.6 (Главаб), где измерена поляризация 84±1%. Однако, нельзя исключить некоторую потерю поляризации -1-3% вследствие несовершенства установки направления поляризации.
Измерение поляризации в канале транспортировки основано на реакции 6Li (р/Не)4Не (см.ниже Глава 3.4). Ток на мишени ограничен -1 мкА и для получения статистической точности -2% необходимо время интегрирования 10 минут. Этот поляриметр был прокалиброван при сравнении с измерениями поляризации при энергии 220 МэВ и в основном использовался для измерений абсолютной поляризации в процессе разработки источника. Для быстрых измерений с высокой статистической точностью автором был разработан лэмбовский поляриметр, измеряющий поляризацию при энергии пучка из источника -3,0 кэВ /3.1.2/. Скорость счета в этом поляриметре составляла -100 кГц в непрерывном режиме работы и статистическая точность -0.2% получалась за 10 сек. измерений (см. ниже ГлаваЗ.3). Лэмбовский поляриметр в основном использовался для относительных измерений поляризации в процессе оптимизации параметров источника. Поляризацию ионов Н из источника можно представить в виде произведения поляризации Rb:PRb и факторов деполяризации, а именно:
