Интенсивный источник поляризованных меченых гамма-квантов высоких энергий на ВЭПП-4М

В 1963 году Арутюняном и Туманяном [1,2] и, независимо, Мильбурном [3], было предложено использовать обратное комптоновское рассеяние (ОКР) света на высокоэнергетичных электронах для получения 7-квантов высоких энергий. Даже в случае рассеяния фотонов видимого диапазона спектра, энергия рассеянных фотонов оказывается сравнимой с энергией электронов.

Современное состояние техники получения поляризованных 7-квантов высоких энергий путем рассеяния мощного лазерного излучения на пучке релятивистских электронов дает возможность обсуждать проекты по созданию 7−7 коллайдеров с высокой светимостью [4−6]. Фактически это означает возможность почти 100% преобразования электронного пучка в фотонный. Эксперименты же на выведенных пучках 7-квантов, полученных методом ОКР, ведутся во многих лабораториях мира начиная с 1978 года, когда была создана установка LADON [7] на накопительном кольце ADONE во Фраскати, Италия. Уровень развития ускорительной и лазерной техники позволяет получать интенсивные (до 107 7 с-1) пучки поляризованных 7-квантов для проведения экспериментов по фотоядерной физике и физике высоких энергий [8−11]. Кроме того, ОКР является хорошим инструментом в диагностике электронного пучка и калибровках различных детекторных систем. Среди прочих способов получения высокоэнергетичных 7-квантов обратное комптоновское рассеяние лазерного излучения на релятивистских электронах дает возможность получить максимальную степень линейной или циркулярной поляризации. Сохранение углового момента гарантирует, что рассеянный на 2-к 7-квант будет иметь ту же поляризацию, что и начальный фотон до рассеяния. Кроме того, в противоположность тормозному излучению, в энергетическом спектре ОКР значительная часть сечения рассеяния сосредоточена вблизи максимальной энергии.

В июльском номере журнала «CERN Courier» за 1999 год [12] была опубликована обзорная статья по экспериментам на источниках комптоновских 7-квантов. Здесь мы приведем содержащуюся в этой статье таблицу основных параметров установок, где ведутся или велись эксперименты на пучках 7-квантов, получаемых методом ОКР:

PHOTON BF. AMS CE.RN Courier J, HI J’i9″.

Physics with photon beams.

Project name Ladon * Taladon1 R0KK-1* ROKK-2* R0KK-1M* LEGS4 Graal" LEPS1.

Location Frascatl Novosibirsk Brookhaven Grenoble Harima.

Storage ring Atione Adone VEPP-4 VEPP-3 VEPP-4M NSL5 ESRF SPringiS.

Energy defining collimation internal tagging tagging tagging external internal internal method tagging tagging tagging tagging.

Electron energy (GeV) 1.5 1.5 1.8−5,5 0.35−2.0 1.4−5.3 2.5 6.04 8.

Photon energy (eV) 2.45 2.45 2.34−2.41 2.41−2.53 1.17−3.5 3.53 3.53 3.5.

Gamma-ray 5−80 35−80 100−960 140−220 100−1200 180−320 550−1470 500−2400 energy (MeV) variable simultaneous.

Energy resolution (%) 1.4−10 5 — 1.5 0.5 2 1.1 1.25.

FWHM (MeV) C.07−8 4−2 1,5−2 4 6 16 30.

Electron current (A) 0.1 0.1 0.2 0.2 0.1 0.2 0.2 0.1.

Gamma Intensity (s*1) 108 5×10s 2×10s 2×10® 2×10® 4xl06 2×10® 107.

Date of operation 1978 1989 1982 1987 1993 1987 1996 1999.

Laser ADONe, f TAgged LADON, fROKK is a russian abbreviation for Baokscattered Compton Gamma, § Laser Electron Gamma Source, ||GRenot>/e Дппеаи Accelerateur Laser.^{Laser-Electron} Photons at SPringS.

Из представленных в таблице установок в настоящее время работают только четыре: ROKK-1M, LEGS (США), Graal (Франция) и LEPS (Япония). Тот факт, что из восьми установок три — ияфовские, во многом обусловлен большой ролью ИЯФ в развитии метода ОКР для генерациии пучков 7-квантов высоких энергий.

В 1982 году на коллайдере ВЭПП-4 была создана установка «Лазерный поляриметр», на которой впервые в ИЯФ был получен пучок высокоэнергетичных 7-квантов от ОКР лазерного света на электронном пучке. Установка была предназначена для измерения степени радиационной поляризации электронного пучка в коллайдере ВЭПП-4 и прецизионного абсолютного измерения энергии электронного пучка методом резонансной деполяризации [13]. Помимо выполнения этих задач на установке проводились также эксперименты по изучению процессов фотоделения ядер [14]. Установка получила название РОКК-1 (Рассеянные Обратно Комп-тоновские Кванты — 1). Далее, в 1987 году, на электрон-позитронном накопителе ВЭПП-3 была построена установка РОКК-2 [10], предназначенная для дальнейшего исследования физики фотоделения ядер [15].

После принятия решения о модернизации ВЭПП-4 в ВЭПП-4М и строительстве нового детектора КЕДР для изучения семейства Т-резонансов, появилась идея создания новой установки РОКК-1М. Исходя из накопленного к тому времени значительного опыта работы с пучками ОКР 7-квантов, установка была спроектирована для решения широкого круга задач экспериментальной физики.

Целью диссертационной работы являлось создание новой установки РОКК.

1 М на электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-4М и использовние пучка 7-квантов высоких энергий для.

• абсолютной калибровки энергетической шкалы и измерения энергетического разрешения системы регистрации рассеянных электронов детектора КЕДР,.

• проведения экспериментов по фотоядерной физике с внешней мишенью на выведенном пучке 7-квантов,.

• изучения процессов нелинейной квантовой электродинамики,.

• измерения степени поляризации электронного и позитронного пучков в коллайдере ВЭПП-4М,.

• абсолютной калибровки энергии пучков в коллайдере ВЭПП-4М методом резонансной деполяризации,.

• проведения калибровки энергетического я пространственного разрешения детекторных систем на выведенном пучке 7-квантов,.

• диагностики параметров электронного и позитронного пучков в коллайдере ВЭПП-4М.

Диссертация посвящена рассмотрению техники получения и использования в экспериментах пучков 7-квантов высоких энергий на установке Р0КК-1М. Автор диссертационной работы начал свою деятельность на установке в 1991 году, будучи студентом НГУ. В то время уже существовал проект установки и начинался этап его осуществления. Все работы на установке, позволившие в мае 1993 года получить первый пучок ОКР 7-квантов, были проделаны автором в тесном сотрудничестве с А. М. Миловым под руководством Г. Я. Кезерашвили. Со времени запуска установки Р0КК-1М на ней проводились различные эксперименты по ядерной физике, физике высоких энергий, изучению свойств детекторных систем и диагностике параметров электронного пучка. В проведенных экспериментах автор принимал активное участие, которое прежде всего заключалось в обеспечении необходимых параметров пучка 7-квантов.

В первой главе приводятся основные свойства процесса комптоновского рассеяния фотона релятивистским электроном, обсуждаются вопросы техники получения интенсивного пучка 7-квантов, дается подробное описание устройства установки Р0КК-1М.

Вторая глава посвящена описанию метода мечения 7-квантов по рассеянным электронам и возможностей его экспериментального применения. Приведено описание системы регистрации рассеянных электронов, обсуждены вопросы получения высокого энергетического разрешения системы и приведены результаты калибровки ее энергетической шкалы. Описаны эксперименты по измерению энергетического и пространственного разрешения прототипов двух калориметров — жидкокриптонового и кристаллического.

В третьей главе рассмотрен метод монохроматизации энергетического спектра пучка 7-квантов путем коллимации, подробно описана методика и приведены результаты расчета спектра в проведенных на установке Р0КК-1М экспериментах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Кратко перечислим основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы:

• При определяющем участии автора создана установка Р0КК-1М — источник интенсивного пучка меченных поляризованных 7-квантов высокой энергии, получаемых методом ОКР лазерного света на электронном пучке коллайдера ВЭПП-4М.

• Проведена калибровка энергетической шкалы и измерено энергетическое разрешение системы регистрации рассеянных электронов детектора КЕДР.

• Разработана методика проведения на установке Р0КК-1М экспериментов по измерению сечения фотоделения ядер с использованием эмульсионных детекторов ядерных фрагментов и монохроматизации энергетического спектра пучка 7-квантов путем коллимации. Методика включает в себя расчет параметров коллиматора, восстановление истинной формы энергетического спектра пучка 7-квантов и процедуру измерения потока 7-квантов, падающего на ядерную мишень. Проведены измерения сечений фотоделения и делимости ядер Bi, Pb, Au, Pt, W, Та, V, Ti в трех точках по энергии пучка 7-квантов: 100, 120 и 145 МэВ. Проведены измерения сечений фото деления и делимости ядер А1 при энергии пучка 7-квантов 100 МэВ.

• Разработана методика и обеспечена возможность проведения на установке РОКК-1М экспериментов по измерению энергетического и координатного разрешения детекторов на пучке выведенных 7-квантов с энергиями от 30 МэВ до 6 ГэВ. Проведены измерения энергетического и координатного разрешения прототипа жидкокриптонового калориметра детектора КЕДР и прототипа кристаллического Csl калориметра детектора BELLE.

• Разработана схема комбинированного (коллимация + мечение) формирования пучка ОКР 7-квантов, позволившая успешно провести эксперимент по обнаружению эффекта расщепления фотона в кулоновском поле ядра.

В заключение мне хотелось бы выразить свою глубочайшую признательность Гурами Яковлевичу Кезерашвили за научное руководство и предоставившуюся мне возможность работать с ним в течение нескольких лет.

Я искренне благодарен А. Е. Бондарю за научное руководство, помощь и полезные консультации в ходе работы над диссертацией.

Я глубоко благодарен А. М. Милову, А. П. Чабанову, А. В. Богомягкову, Е.В.Кре-мянской, Ю. А. Пахотину и А. П. Усову за сотрудничество в работе по созданию и эксплуатации установки РОКК-1М.

Я благодарен также А. Н. Алешаеву, А. Н. Дубровину, В. Н. Жиличу, В. А. Киселеву, С. Г. Клименко, А. С. Кузьмину, С. Е. Карнаеву, Г. Я. Куркину, Б. В. Левичеву, В. М. Малышеву, С. И. Мишневу, А. И. Науменкову, В. С. Панину, С. В. Пелеганчуку, В. В. Петрову, Г. Э. Поспелову, Л. В. Романову, Е. А. Симонову, В. В. Смалюку, Ю. А. Тихонову и Д. Н. Шатилову за совместную работу на установке РОКК-1М и ускорительном комплексе ВЭПП-4М.

Я глубоко благодарен И. Я. Протопопову, Л. М. Баркову и А. Л. Масленникову за постоянный интерес к работе, полезные обсуждения и критические замечания.

Я также благодарен всем коллегам по работе на ускорительном комплексе ВЭПП-4М за всестороннюю помощь и поддержку.