Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Водородные мишени для экспериментов в физике вы соких энергий 10
1.1. Сравнительный анализ характеристик водородных мишеней с рабочим веществом в разных агрегатных состояниях. 10
1.2. Жидководородные мишени с незамкнутым циклом водорода 12
1.3. Жидководородные мишени с замкнутым циклом водорода 14
' 1,4, -Источники холода в жидководородных мишенях замкнутого цикла. 15
1.5. Тепловая изоляция жидководородных мишеней 17
1.6. Требования физического эксперимента и основные характеристики жидководородных мишеней.... 19
1.7. Жидководородные мишени для работы в высокоинтенсивных пучках заряженных частиц 23
ГЛАВА 2. Жидководородно-дейтериевая. мишень замкнутого цикла для экспериментов на высокоинтенсивном протонном пучке ускорителя ИФВЭ 26
2.1. Назначение мишени 26
2.2. Длина рабочего объема мишени 27
2.3. Энергетические потери частиц в жидком водороде 28
2.4. Тепловыделение пучка в мишени 30
2.5. Подавление кипения, жидкого водорода в мишени.. 32
2.6. Устройство пучковой части мишени и конвекция водорода
2.7. Конструкция и газовые коммуникации мишени... 40
2.8. Тепловой расчет мишени 46
2.9. Исследование мишени на протонном пучке 48
2.10.Рабочие характеристики мишени и сравнение их с расчетом 52
ГЛАВА 3. Жидководородная мишень замкнутого цикла, охлаждаемая проточным гелием 55
3.1. Назначение мишени 55
3.2. Ожижение водорода жидким гелием 56
3.3. Схема и тепловой расчет мишени.. 59
3.4. Конструкция мишени 66
3.5. Схема газовых коммуникаций мишени 71
3.6. Система сбора черенковского света 74
3.7. Рабочие характеристики мишени и сравнение их
с расчетом 81
ГЛАВА 4. Измерение и стабилизация плотности рабочего вещества в жидководородных мишенях замкнутого цикла 87
4.1. Измерение плотности жидкого водорода и дейтерия 87
4.2. Стабилизация плотности рабочего вещества в переохлажденной водородно-дейтериевой мишени 93
4.3. Стабилизация плотности жидкого водорода в жидководородной мишени, охлаждаемой проточным гелием 98
ГЛАВА 5. Применение жидководородных мишеней замкнутого цикла в экспериментах на 70-ГэВ ускорителе ИФВЭ 106
5.1. Эксперимент по изучению образования адронов с большими поперечными импульсами в рр -соударениях при энергии 70 ГэВ 106
5.2. Эксперимент по исследованию зарядовообменных реакций при малых переданных импульсах ПО
ЗАКМЯЕНИЕ 117
ЛИТЕРАТУРА 119
- Сравнительный анализ характеристик водородных мишеней с рабочим веществом в разных агрегатных состояниях.
- Назначение мишени
- Ожижение водорода жидким гелием
- Измерение плотности жидкого водорода и дейтерия
- Эксперимент по изучению образования адронов с большими поперечными импульсами в рр -соударениях при энергии 70 ГэВ
Введение к работе
Изучение процессов адрон-нуклонных столкновений позволяет получить важную информацию о свойствах элементарных частиц и закономерностях сильных взаимодействий. Широко распространенной методикой таких исследований является использование неподвижной ядерной мишени, на которую направляется полученный от ускорителя пучок быстрых частиц. В ряду веществ, применяемых в качестве ядерных мишеней, особое место принадлежит водороду, ядро которого, одиночный протон, дает уникальную возможность исследовать адрон-цротонные взаимодействия в чистом виде. Для изучения адрон-нейтронных взаимодействий наиболее подходящей мишенью служит тяжелый изотоп водорода - дейтерий, ядро которого состоит из двух нуклонов - протона и нейтрона.
При нормальных условиях водород представляет собой газ с малой плотностью, поэтому с целью увеличения числа ядер на пути частиц и уменьшения длины мишени водород в мишени содержится или при повышенном давлении, или при низкой температуре. Среди различных типов мишеней наибольшее распространение получили мишени, содержащие водород в жидком состоянии под давлением, близким к атмосферному. Такие мишени обеспечивают максимальную однородность и плотность вещества, высокую точность измерения плотности и малое количество постороннего вещества на пути частиц. Вместе с тем здесь необходимо отметить, что температура кипения жидкого водорода очень низка - около 20 К, поэтому создание мишени с жидким водородом является достаточно сложной криогенной задачей.
Дополнительную сложность работы с водородом в физическом эксперименте представляет его высокая взрыво- и пожароопас-ность. В смеси с воздухом водород горит при объемных концентрациях от 4 до 75$, а водородо-воздушные смеси с концентраци- ями водорода от 18 до 59$ в замкнутых помещениях способны взрываться^1'. По этой причине к соблюдению техники безопасности при работе с водородом предъявляются особые требования. Экспериментальные установки, где используются мишени с большим количеством жидкого водорода, необходимо оборудовать многочисленными специальными системами, обеспечивающими безопасность при работе с водородом'2'.
Опасность использования жидкого водорода возможно значительно уменьшить, если ограничить количество водорода в мишени минимально необходимым для эксперимента. Такая возможность реализуется в жидководородных мишенях с замкнутым циклом водорода. Это позволяет не только отказаться от многих сложных и дорогостоящих систем водородной безопасности, но и значительно улучшить условия проведения эксперимента.
Постоянный высокий интерес к динамике сильных взаимодействий, растущее в связи с этим число экспериментов, проводимых на ускорителях заряженных частиц с применением жидководородных мишеней, рост качественного уровня аппаратуры экспериментальных установок стимулируют постоянный прогресс в разработке новых типов и конструкций мишеней. Сочетание требований, налагаемых на параметры мишени условиями эксперимента, с проблемами криогенной техники и вопросами водородной безопасности различно для разных экспериментов, поэтому создание жидководородной мишени для конкретного физического эксперимента является новой и актуальной задачей.
Целью диссертационной работы является создание жидководородных мишеней замкнутого цикла для физических экспериментов, проводимых на 70-1ЪВ ускорителе ЙФВЭ.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые в нашей стране разработаны и созданы два типа жидководородных мишеней замкнутого цикла: мишень для работы в протонном пучке высокой интенсивности; жидкий водород в мишени находится в переохлажденном состоянии; замкнутый цикл водорода в мишени осуществляется при помощи отечественной криогенной газовой машины; малогабаритная жидководородная мишень, охлаждаемая проточным гелием; конструкция мишени позволяет окружить рабочую зону эффективной охранной системой счетчиков; по черен-ковскому излучению в мишени определяется точка взаимодействия.
Практическая ценность работы заключается в разработке и внедрении жидководородных мишеней замкнутого цикла в физические эксперименты, проводимые на 70-ГэВ ускорителе ЙФВЭ. С применением разработанных мишеней выполнены: - прецизионный эксперимент по исследованию зарядовооб- менных процессов при малых переданных импульсах в реакции КТр —^Ка .
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
В первой главе проведено сравнение различных типов жидководородных мишеней и обосновано, как наиболее предпочтительное, применение мишеней с замкнутым циклом водорода. Рассмотрены основные принципы построения жидководородных мишеней, проведен анализ требований физического эксперимента к жидко-водородным мишеням и определены технические решения для удовлетворения этих требований.
Во второй главе описана жидководородно-дейтериевая ми- шень замкнутого цикла для экспериментов на медленно выведенном из ускорителя ИФВЭ протонном пучке интенсивностью до 2»1012 протонов за цикл. Выполнен расчет энергетических потерь пучка заряженных частиц в жидком водороде и определены условия предотвращения вскипания жидкого водорода в мишени от нагрева пучком высокой интенсивности. Приведен тепловой расчет мишени, ее рабочие характеристики и результаты исследования мишени на пучке.
В третьей главе описана малогабаритная жидководородная мишень, замкнутый цикл в которой осуществляется проточным гелием. Мишень является одновременно и черенковским счетчиком, в котором по интенсивности черепковского света определяется продольная координата точки взаимодействия. Компактность мишени позволила создать высокоэффективную охранную систему счетчиков, выделяющую исследуемые взаимодействия. Приведены расчеты теплопередачи и рабочие характеристики мишени.
Четвертая глава посвящена вопросам измерения и стабилизации плотности жидкого водорода в мишенях замкнутого цикла. Рассмотрены основные факторы, влияющие на плотность жидкого водорода в мишени. Приведены зависимости плотности водорода и дейтерия от орто-парасостава и давления насыщенных паров. Описаны системы стабилизации давления водорода, разработанные автором для жидководородных мишеней замкнутого цикла.
В пятой главе кратко рассмотрена постановка проводившихся на 70-ГэВ ускорителе ШВЭ экспериментов, составной частью установок которых являются разработанные автором жид-ководородные мишени замкнутого цикла.
В диссертации обобщены результаты работ, выполненных автором в 1978-1984 гг. Работы, положенные в основу диссертации, докладывались на научных семинарах ИФВЭ и опубликова- ны в виде препринтов и статей в отечественных и зарубежных журналах/3"7'.
Сравнительный анализ характеристик водородных мишеней с рабочим веществом в разных агрегатных состояниях
В настоящей главе проведено сравнение различных типов жидководородных мишеней, применяемых в экспериментах в физике высоких энергий. Рассмотрены общие принципы конструирования мишеней, в том числе мишеней с замкнутым циклом водорода, проведен анализ требований физического эксперимента к характеристикам жидководородных мишеней и определены технические решения, удовлетворяющие этим требованиям.
I.I. Сравнительный анализ характеристик водородных мишеней с разным агрегатным состоянием рабочего вещества.
В экспериментах с частицами высоких энергий применяются три разновидности водородных мишеней, различающиеся агрегатным состоянием содержащегося в них водорода или дейтерия -тазовые, жидкостные и твердые.
Наиболее просты по конструкции и в эксплуатации газовые мишени 8-1 . Поскольку плотность водорода при нормальных -условиях весьма мала, в практике эксперимента распространены мишени, содержащие газ под высоким давлением, 5-15 МПа. Дальнейшее увеличение давления не целесообразно из-за значительного усложнения конструкции и быстрого роста уровня фона, обусловленного рассеянием частиц в стенках мишени. Последнее происходит потому, что с повышением давления плотность реальных газов возрастает медленнее, чем из требований прочности увеличивается толщина стенок.
Для увеличения плотности рабочего вещества мишени применяется также его охлаждение. Так, охладив газообразный водород жидким азотом до температуры 78 К, можно при том же рабочем давлении, т.е. без увеличения толщины стенок получить примерно вчетверо большую плотность, чем при комнатной температуре. Сочетание высокого давления с охлаждением позволяет создать мишень, плотность водорода в которой всего в три раза меньше плотности жидкого водорода.
Газовые мишени имеют ряд достоинств: высокая стабильность плотности рабочего вещества, возможность плавно изменять плотность в широких пределах, простота конструкции и эксплуатации. Однако присущие им недостатки - большое отношение "фон-эффект", большая толщина боковых стенок, сравнительно невысокая плотность рабочего вещества и малая точность ее определения - затрудняют, а в ряде случаев делают невозможным использование газовых мишеней в экспериментах.
Применение твердоводородных мишеней ограничено немногими экспериментами со специфическими условиями их проведе-ния/ІІ,І2/в замораживание водорода в таких мишенях производится жидким гелием. Описана мишень, где для уменьшения количества постороннего вещества твердый водород, охлаждаемый до температуры жидкого гелия, помещался непосредственно в ваку-умпровод пучка. Такая мишень диаметром 10 мм и длиной 50 мм использовалась при измерении рр-рассеяния на очень малые углы при энергии 160 Мэ]/13 . Основной недостаток твердоводородных мишеней - неконтролируемое образование усадочных раковин в рабочем веществе из-за того, что плотность твердого водорода (дейтерия) на 20$ больше, чем жидкого. Это приводит к неопределенности в количестве рабочего вещества на пути частиц и может существенно сказаться на точности измерений.
Наибольшее распространение в практике физического эксперимента получили жидкостные водородные мишени, свободные от перечисленных выше недостатков газовых и твердых мишеней. Наряду с малым количеством постороннего вещества они обеспечивают хорошую однородность и стабильность плотности рабочей жидкости и, что особенно важно, высокую точность определения плотности. Длительное широкое применение жидководородных мишеней в различных экспериментах физики высоких энергий обусловило как разнообразие характеристик применяемых мишеней, так и постоянный прогресс в разработке их конструкций.
Назначение мишени
В последние годы в физике частиц высоких энергий значительное внимание уделяется изучению процессов образования частиц с большими поперечными импульсами (Рт) в адрон-ад-ронных соударениях. Этот интерес связан с возможностью увидеть здесь проявление структуры адронов и динамики взаимодействия их структурных составляющих - кварков и глюонов.
В ИФВЭ в течение ряда лет на фокусирующем двухплечевом спектрометре ФОДС 62 ведутся систематические исследования процессов образования частиц с большими Рт при энергии па-дающих протонов 70 м/«/. № изучения этих процессов в протон-протонных и протон-дейтронных соударениях создана жидководородно-дейтериевая мишень с замкнутым циклом на базе отечественной криогенной газовой машины КШ 100/20.
Поскольку вероятность образования частиц быстро падает с увеличением Рт, то при исследовании таких процессов с приемлемой скоростью набора данных требуются высокоинтенсивные пучки протонов. Установка ФОДС работает на медленно выведенном из ускорителя ИФВЭ пучке протонов интенсивностью от более протонов за цикл. Длительность вывода составляет 0,8 сек, время между сбросами пучка на мишень 8 сек.
Обеспечение работоспособности жидководородной мишени в пучке столь высокой интенсивности является сложной технической задачей. Резкое вскипание водорода под действием тепла, выделяемого пучком, не только вносит недопустимо высокую неопределенность в количество рабочего вещества на пути частиц, но и может вызвать разрушение мишени. По этим причинам конструкция мишени должна полностью исключать кипение водорода в рабочем объеме мишени. Кроме того, вследствие высокой интенсивности пучка для изготовления пучковой части мишени должны выбираться материалы, стойкие к воздействию радиации.
Сечения адрон-адронных взаимодействий зависят от массового числа А ядра мишени степенным образом, как А , причем в отличие от полных сечений, где (X = 2/3, показатель ос при больших Рт для всех сортов частиц увеличивается с ростом Рт и может даже превышать единицу 52 . Поэтому для улучшения соотношения "фон-эффект" материал стенок мишени должен иметь по возможности меньшее атомное число А, а количество постороннего вещества на пути частиц должно быть сведено к минимуму.
Ожижение водорода жидким гелием
Жидкий гелий в настоящее время широко применяется в практике физического эксперимента и наиболее простым способом получения небольших количеств жидкого водорода является его ожижение с помощью жидкого гелия. Температура кипения жидкого нормального водорода при атмосферном давлении равна 20,4 К, поэтому для его ожижения может использоваться теплота испарения жидкого гелия при температуре 4,2 К, разность энтальпий газообразного гелия в температурном интервале от 4,2 до 20,4 К, а также первое и второе вместе.
Для сравнительной оценки этих трех вариантов использования жидкого гелия для ожижения водорода воспользуемся рисунком 8 и таблицей 4. На рис. 8 показаны температурные зависимости удельной энтальпии водорода и гелия при нормальном давлении. Начало отсчета ведется от значения энтальпий, которое эти газы имеют в жидком состоянии при температуре кипения, длина вертикальных отрезков соответствует теплоте испарения. Данные для построения кривых взяты по диаграммам состояния 8 . Рассчитанные по этим данным численные значения количества гелия, необходимого для ожижения единицы массы или объема водорода, охлажденного до
Все три варианта использования холодоеодержания гелия нашли применение в реальных конструкциях жидководородных мишеней. Наиболее простой по техническому осуществлению вариант-использование для ожижения водорода только теплоты испарения гелия 37 , не получил широкого распространения из-за своей неэкономичности. В большинстве описанных в литературе мишеней/36»40 41»"2 для ожижения водорода используется разность энтальпий газообразного гелия в температурном интервале от 4,2 до 20,4 К, так как конструктивно это такке легко выполнимо. Однако при этом теряется около 25$ общего холодо содержания гелия. Наиболее эффективно жидкий гелий используется при ожижении водорода за счет теплоты испарения и отогрева паров гелия от 4,2 К до 20,4 К. В немногочисленных описанных в литературе мишенях, реализующих этот вариант, применены сложные механизмы теплообмена между гелием и водородом, что увеличивает габариты и вес мишеней и затрудняет их изготовление 3 ,73 . Взаимное расположение основных частей описанных мишеней выполнено по одному принципу: резервная емкость с гелием находится сверху, ниже ее - конденсатор и внизу - пучковая часть мишени. Вся конструкция представляет собой одно целое и заключена в общий, за редкими исключениями, вакуумный кожух. Общие размеры таких мишеней значительны, а вес может достигать нескольких сот килограмм.
Ниже описана разработанная нами жидководородная мишень, в которой ожижение водорода производится потоком жидкого гелия с использованием теплоты испарения и холодо-содержания паров гелия при минимальном числе ступеней теплообмена между гелием и водородом. Из мишени исключена наиболее объемная и тяжелая часть - резервная гелиевая емкость, а снабжение жидким гелием производится по протяженному трубопроводу из гелиевого сосуда Дьюара. В результате этого значительно снижены размеры и вес, упрощена конструкция мишени и улучшены ее эксплуатационные качества.
Измерение плотности жидкого водорода и дейтерия
Одной из основных характеристик мишени является количество рабочего вещества на пути частиц. Эта величина задается требованиями конкретного физического эксперимента, а точность ее определения прямо входит в точность проводимых в эксперименте измерений.
Количество рабочего вещества на пути частиц в мишени рассчитывается по длине рабочего объема и плотности заполняющей его жидкости. Длина рабочего объема мишени измеряется с необходимой точностью при комнатной температуре, затем по известным температурным коэффициентам линейного расширения конструкционных материалов мишени вводится поправка на усадку при 20 К. При проведении прецизионных экспериментов практикуется прямое измерение длины рабочего объема в охлажденном и заполненном жидким водородом состоянии при помощи оптических устройств " 6 . Среди факторов, определяющих плотность жидкого водорода, наиболее весомыми и общими для всех конструкций мишеней замкнутого цикла являются меняющийся со временем орто-парасостав и температура жидкости.
У молекул водорода существуют две модификации, ортоводо-род (о-Н2) и параводород (п-Н2) с соответственно параллельным и антипараллельным направлением спинов протонов.. Такие же модификации существуют у дейтерия.
Обычный водород является смесью орто- и параводорода, соотношение между концентрациями которых зависит от температуры. При комнатной и более высоких температурах эта смесь состоит из 75$ о-Н2 и 27$ п-Н2. Смесь такого состава обычно называют нормальным водородом (н-Н2). По мере понижения температуры равновесная концентрация парамодификации увеличивается и при температуре кипения жидкого водорода (20,4 К) равновесная концентрация соответствует 0,23$ ортоводорода, т.е. равновесный при 20,4 К водород является практически чистым лараводородом.
Большинство физических свойств водорода, в том числе давление насыщенных паров и плотность, в некоторой степени зависит от его орто-парасостава.
Зависимости плотности жидкого водорода и давления насыщенных паров от температуры хорошо изучены и для их выражения найдены достаточно точные эмпирические формулы Л Однако, поскольку при работе водородной мишени непосредственно измеряемым параметром является давление насыщенных паров, то для практических целей плотность жидкого водорода удобнее связать именно с ним. На рис. 16 представлена зависимость плотности жидкого водорода от давления насыщенных паров, построенная по данным 67 , обеспечивающим точность 0,05$. При равном давлении плотность жидкого нормального водорода превышает плотность равновесного на 0,28$. Для большинства случаев достаточно точным служит среднее значение плотности, но в более точных расчетах необходимо учитывать временное изменение плотности, обусловленное изменением орто-парасостава водорода в мишени в результате самопроизвольной конверсии.
Эксперимент по изучению образования адронов с большими поперечными импульсами в рр -соударениях при энергии 70 ГэВ
Процессы образования частиц с большими поперечными импульсами (Рт) в адрон-адронных взаимодействиях являются одним из способов изучения внутренней структуры адронов и динамики сильных взаимодействий, поскольку по современным представлениям частицы с большими Рт образуются в результате "жесткого" соударения структурных составляющих адронов - кварков и глюонов.
На ускорителе ИФВЭ ведется систематическое исследование процессов образования заряженных адронов под углом 90 в с.ц.м. с поперечными импульсами от 0,5 до 5 ГэВ/с при энергии падающих протонов ГэВ в реакции где N - ядро мишени, a h может быть тт -, К , р или р. Измерения выполняются на фокусирующем двухплечевом спектрометре ФОДС 62 , схема которого показана на рис. 26. Спектрометр состоит из двух симметричных плеч, расположенных под углом 160 мрад к падающему протонному пучку, что соответствует для релятивистских частиц 90й в с.ц.м. сталкивающихся протонов. Заряженные частицы, вылетающие из жидководородной мишени Т, фокусировались в каждом плече дублетом квадрупольных линз L2 и І-2 і отклонялись магнитом Ml и анализировались по импульсу при помощи магнита Ш и системы дрейфовых камер J CI-J)C4. Телесный угол каждого плеча составлял 210 мкср. Идентификация частиц осуществлялась пороговыми черенковскими счетчика-ми CI-C2. Триггер вырабатывался системой сцинтилляционных счетчиков 52 - 56. Мюоны регистрировались идентификатором Ж.
В эксперименте были измерены в зависимости от Рт сечения образования и отношения выходов заряженных адронов, рождающихся в рр - соударениях при энергии 70 ГэВ. Полученные в эксперименте результаты (рис. 27) свидетельствуют, что вероятность образования частиц быстро падает при увеличении Рт. Так, например, инвариантное сечение образования л- мезонов уменьшается на 7 порядков величины при увеличении Ртот 0,5 до 4 ГэВ/с. Поэтому для исследования таких процессов требуются интенсивные пучки с возможностью изменять интенсивность в широком диапазоне, чтобы поддерживать в оптимальном режиме загрузку аппаратуры, число случайных совпадений и скорость набора статистики.
В эксперименте использовался медленно выведенный из ускорителя пучок протонов с интенсивностью от 109до 2»Ю12 протонов за цикл. Длительность сброса пучка на мишень равнялась 0,8 сек. Размеры пучка на мишени составляли около 3 мм по горизонтали и около 4 мм по вертикали. Измерение интенсивности медленно выведенного протонного пучка осуществлялось при помощи мониторов вторичной эмиссии Ш со сплошными электродами. Абсолютная калибровка мониторов производилась на быстром выводе, где интенсивность пучка определялась по магнитоиндукци-онному датчику ускорителя. Кроме мониторов вторичной эмиссии в эксперименте использовался спднтилляционный монитор Мб , счет которого пропорционален числу взаимодействий в мишени. Абсолютная, точность измерения интенсивности протонного пучка оценивается в±6 а относительная - в ± 1%.
Для данного эксперимента была создана жидководородная мишень, описанная в главе 2. Мишень надежно работала в пучке предельной интенсивности. Отсутствие вскипания водорода под действием пучка было проверено экспериментально. В ходе эксперимента отсутствие вскипания, водорода в мишени контролировалось по отношению счета монитора Мб к показаниям мониторов вторичной эмиссии. Необходимо отметить, что отношения выходов частиц могут быть измерены точнее, чем инвариантные сечения, поскольку сюда входит не абсолютная, а более высокая относительная точность мониторирования протонного пучка, поэтому здесь достигнутое постоянство плотности жидкого водорода в мишени играет особо важную роль.
