Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время интерес к каналированкю быстрых заряженных частиц в изогнутых кристаллах в основном обусловлен некоторыми уникальными возможностями использования этою эффекга в физике высоких энергий, такими как управление пучками заряженных часгиц высоких энергий при помощи изогнутых монокристаллов [І] или измерение магнитных моментов короткоживущих частиц на основе использования эффекта прецессии спина каналированнон частицы в изогнутом кристалле [2]. 3 обоих случаях применение изогнутых кристаллов для отклонения пучков тастиц высоких энергий является кс только альтернативой дл.ч традиционных методов, основанных на использовании обычных магнитов, но также открывает товые уникальные возможности, не доступные для традиционных методик. Преимущество использования кристаллов состоит в том, что они, обладая «большими размерами, позволяют эффективно создавать "сверхеильные" ілектрические и магнитные (в системе покоя частицы, проходящей через ернсталл) поля в заданных компактных областях экспериментальных остановок. Так например, .цля организации медленного вывода лучка из їзкоиительньїх колец келлайдеров изопгутый кристалл размещается вблизи іучка и, не везмущач его основной моды, захватывает и отклоняет частицы, (бракующие "гало" пучка.
Способность изогнутого кристалла отклонять заряженные частицы на юлный угол изгиба кристалла впервые была экспериментально [родемонстрирована в 1979 году в Дубне а эксперименте по отклонению :ротоков с энергией 8.4 ГэВ изогнутым кристаллом кремния на угол до 26 [рад [3]. Этот эксперимент стимулировал создание в 1982 году в ЛИЯФ м. Константинова установки по изучению каналирования протонсв с энергией ГэВ в изогнутом кристалле кремния. Непосредственной причиной, обудившей к созданию в ЛИЯФ (ПИЯФ) этой установки, явилось желание кспернмектально подтвердить гипотезу об "объемном" захвате в режим аналирования, выдвинутую Сумбаевым О.И. [4]. Суть гипотезы состоит з том, то захват частицы в режим каналирования возможен не только на торце зогнутого кристалла, как это было принято считать, по также и внутри него, е. в "объеме" кристалла. Существование такого эффекта позволило бы
существенно расширить угловой аксептаис изогнуто/о кристалла по захвату частиц з режим качлгарования по сравнению с плоским кристаллом.
Цель работы. В первых экспериментах по отклонению иучка частий высоких энергий в изогнутом кристалле, по аналогии с экспериментами пс ханапировалию з плоских кристаллах, для идентификации какалирозаюш* частиц использовался метод отбора частиц по их удельным энергетическим потерям в кристалле. Этот метод основан на том, что каналирозакные положительно заряженные частицы имеют аномально малые удельные потери в кристалле по сравнению с потерями неканалированиых частиц, т.е. частиц, движущихся через кристалл как через аморфное тело. Однако, в то время еутцествов&чо предубеждение, что непосредственно на изогнутом кристалле невозможно организовать работоспособный г на самом плоском участке измерялись бы удельньк потери с помощью организоианногс на нём поверхностно-барьерноп детектора.
При подготовке эксперимента по обнаружению и изучению "объемного' захвата [5] возникла необходимость организовать непосредственно ні изогнутой части кристалла по ходу пучка три дегектсрных участка (один і центре и два других на краях кристалла) для того, чтобы иметь возможносп отслеживать состояние частицы в кристалле по эволюции её удельных потер] по мере движения через кристалл и выделять по d'/dx критерию события когда частица была захвачена не на торце, а в объеме кристалла. Для этой цел] были предприняты усилив по изучению работоспособности поверхностно барьерных детекторов на изогнутом кристалле, разработке технологии и: изготовления а созданию на её основе, так называемых, "живых кристаллических мишеней. Кроме того, создание таких детекторов расширил 63; методические возможности будущих экспериментов но изучению использованию эффеста каналировання.в изогнутых кристаллах (например, эксперименте по обнаружению прецессии спика частицы в изогнуто
кристалле, где необходимо контролировать состояние частицы по ее удельным потерям на протяжении всего пути в кристалле).
Новизна работы. К момент/ постановки указанной задачи в мировой практике не было прецедента создания поверхностно-барьерного детектора непосредственно на изогнутой части кристалла. Поэтому, для начала, были прогедены теоретические оценки влияния упругого' изгиба кристаллической нластины кремния на работоспособность организованного на ней поверхностно-барьерного детектора. Было показано, что с точки зрения зонной теории твердого тела упругий изгиб не должен существенно влиять на параметры детектора на изогнутом кристалле.
В результате экспериментальных исследований по созданию
работоспособного детектора на изогнутом кристалле были разработаны
технология создания таких детекторов, а также несколько вариантов
конструкции кристалл-изгибающих устройств, обеспечивающих
работоспособность детекторов.
Это позволило создать . ряд уникальных кристаллических мишеней, которые были успешно применены в экспериментах по каналированию в изогнутых кристаллах. В ходе проведения этих экспериментов была отработана методиха применения dE/dx мульти-детекторов на изогнутом кристалле для изучения процессов захвата в режим каналирования и деканалирования заряженных частиц в изогнутом кристалле, для контроля за состоянием каналированных частиц на протяжении всего кристалла, а также для контроля дефекгной структуры рабочих кристаллов, находящихся в состоянии упругой деформации.
Научная и практическая значимость. Применение детектора на изогнугом кристалле позволило экспериментально доказать существование эффекта объемного захвата заряженных частиц в режим каналирования в изогнутом кристалле и детально изучить этот процесс [5]. Реализация восьми-падового dE/dx детектора на изогнутом кристалле обеспечила принципиальную возможность проведения эксперимента по обнаружению прецессии спина каналированной частицы в изогнутом кристалле. Было экспериментально
доказано существование данного эффекта и на этой основе была отработана принципиально новая методика измерения магаитного момента заряженных частиц. Применительно к измерению магнитного момента короткоживущих частиц (с распадной длиной несколько сантиметров) методика, основанная на измерении угла поворота вектора поляризации пучка каналированных частиц в изогнутом кристалле, является уникальной и может быть использована уже в ближайшее время на Теватроне (Фермилаб, США) доя измерения магнитного момента чармоЕанных частиц [б].
По материалу работы получено в соавторстве Авторское свидетельство на изобретение N 1032951 под названием "Детектор ионизирующего излучения".
На защиту выносятся результаты:
-
Дано обоснование необходимости создания поверхностно-барьерного детектора ионизационных потерь непосредственно на изогнутом кристалле кремния для изучения механизма захвата быстрой заряхгенной частицы в режим каналирования изогнутым кристаллом, а также для разработки методики идентификации каналированных частиц в изогнутом кристалле по критерию малых ионизационных потерь.
-
Приводится обзор теоретических работ по ионизационным потерям быстрых заряженных частиц в разориентированных и в ориентированных кристаллах. Анализируется природа уменьшения потерь каналированных частиц по сравнению с неканалированными частицами.
-
В рамках постаапекной задачи проведены оценки влияния упругого изгиба кристаллической пластины на энергетическое и временное разрешение поверхностно-барьерного детектора, организованного на ней. Показано, что с точки зрения зонной теории упругий изгиб кристалла не должен приводить- к существенному ухудшению работоспособности детектора.
-
Разработана технология изготовления детекгора на изогнутом кристалле. Приводятся варианты кристалл-изгибающих устройств, обеспечивающих работоспособность детектора, организованного непосредственно на изогнутом кристалле.
-
На основе разработанной технологии создано несколько типов, так ьазыЕаемых, "живых" кристаллических мишеней, которые успешно применялись в экспериментах поканалированию в изогнутых кристаллах, проведённых на ускорителях ТВДЯФ и FNAL (США).
-
Анализируется работа первых детекторов на изогнутом кристалле в эксперименте по каналированию 1 ГэВ-ных протонов в изогнутом кристалле кремния. Показано, что экспериментальные результаты хорошо совпадают с предсказаниями теории.
-
На основе анализа информации об удельных потерях частиц в кристалле, полученной в эксперименте по обнаружению объемного захвата с трёх dE/dx детекторов, организованных на одном кристалле, приводится:
подтверждение гипотезы о существовании "обьё'много" захвата 1 ГэВ-ных протонов в режим каналирования в изогнутом кристалле,
подтверждение гипотезы об обратимом характере процесса "объёмного" захвата,
экспериментальная оценка средней электронной плотности в канале
(і 11) кристалла Si: pChm= (0.24 + 0.02) электрон/AJ и соответствующего среднего ионизационного потенциала: I = (1.9 + 1.4) эВ,
- демонстрация угловой фокусировки каналированной фракции падающего
на кристалл пучка.
8. На основе результатов эксперимента по фокусировке пучка ГчГзВ-ных
протонов изогнутым кристаллом, с выполненным ин нём dE/dx детектором,
демонстрируется возможность использования таких "живых" мишеней, в зависимости от вырезки кристалла, для:
угловой коллимации пучка каналированиых частиц,
пространственно-угловой фокусировки пучка каналированных частиц.
Приводится также экспериментальное обоснование того, что угловой разброс каналированных частиц на выходе из канала совпадает с угловым разбросом этих частиц на входе в канал (т.е. в момент захвата р режим каналирования) и определяется углом Линдхарда. 9. Анапизируется опыт использования в эксперименте по обнаружению
прецессии спина L+ гиперона в изогнутом кристалле Si восьмипадового
мульти-детектора на изогнутом кристалле, изготовленного по:' широко
применяемой в промышленности планарной технологии. Обобщается опыт
использования восьмипадового мульти-детектора для контроля' дефектной
структуры используемых кристаллов. , ,
Апробация работы. Материалы, представленные в диссертации, обсуждались на семинарах Отдела нейтронных исследований и Отдела физики высоких энергий І1ИЯФ, на семинарах международной коллаборацин по проведению эксперимента Е761 во < FNAL (США),, докладывались на Всесоюзных совещаниях по физике взаимодейстзия заряженных частиц с кристаллами.
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 8 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации составляет 91 страница, включая 46 рисунков.
