Взаємодія пучків заряджених електронів з поляризованою електронною мішенню

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР

ХАРКІВСЬКИЙ ФІЗИКО-ТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ

СПЕЦІАЛІЗОВАНА ВЧЕНА РАДА Д64.845.01

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

ВЗАЄМОДІЯ ПУЧКІВ ПОЛЯРИЗОВАНИХ ЕЛЕКТРОНІВ З ПОЛЯРИЗОВАНОЮ ЕЛЕКТРОННОЮ МІШЕННЮ

01.04.20 -- фізика пучків заряджених частинок

ГЛАМАЗДІН Олександр Володимирович

Харків -- 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики високих енергій та ядерної фізики Національного наукового центра “Харківський фізико-технічний інститут” (ІФВЕЯФ ННЦ ХФТІ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук Горбенко Віктор Григорійович ІФВЕЯФ ННЦ ХФТІ м. Харків старший науковий співробітник

Офіційні опоненти: Доктор фізико-математичних наук, професор Буц Вячеслав Олександрович ІПЕНМП ННЦ ХФТІ, начальник лабораторії.

Доктор фізико-математичних наук, професор Красноголовець Михайло Олександрович, Харківський національний університет радіоелектроніки, професор.

Провідна установа Науковий фізико-технологічний центр Міністерства освіти і науки та НАНУ, м. Харків

Захист відбудеться “ 21січня 2003р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.845.01 в Національному науковому центрі “Харківський фізико-технічний інститут” за адресою: м. Харків, вул. Академічна 1

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ННЦ ХФТІ за адресою: 61108 м. Харків, вул. Академічна 1

Автореферат розіслано “ 4 ” грудня 2002р.

Вчений секретарспеціалізованої вченої ради Айзацький М.І.

АНОТАЦІЇ

Гламаздін О.В. “ВЗАЄМОДІЯ ПУЧКІВ ЗАРЯДЖЕНИХ ЕЛЕКТРОНІВ З ПОЛЯРИЗОВАНОЮ ЕЛЕКТРОННОЮ МІШЕННЮ”. Рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата фізико-математичних наук за фахом 01.04.20 “фізика пучків заряджених частинок”. Національний науковий центр “Харківський Фізико-Технічний Інститут”. Харків 2002.

Дисертація присвячена дослідженню процесу взаємодії пучків поляризованих електронів зі зв'язаними електронами поляризованої електронної мішені. Процес мьоллерівського розсіяння поляризованих електронів є основним процесом, який дозволяє отримувати інформацію про величину, знак та напрям поляризації пучків прискорених електронів. Це обумовлює важливість даного дослідження як для фізики пучків заряджених частинок, так і для фізичних експериментів на пучках поляризованих електронів.

Проведено теоретичний аналіз та експериментальне дослідження впливу на процес взаємодії поляризованих електронів ефекту, що пов'язаний з використанням поляризованої мішені зі зв'язаними електронами. Наведено результати дослідження фізичних ефектів, що впливають на величину поляризації пучка електронів. Показано вплив цих ефектів на точність поляризаційних експериментів, що були проведені.

Ключові слова: поляризація, пучки поляризованих електронів, мішень поляризованих електронів, мьоллерівське розсіяння, поляриметр, поляризаційні ефекти, поляризаційні експерименти.

Glamazdin A.V. “INTERACTION OF POLARIZED ELECTRON BEAMS WITH A POLARIZED ELECTRON TARGET”.

The manuscript. A thesis for a degree of the candidate of physical and mathematical sciences in a speciality 01.04.20 “physics of charged beams”. National Science Center “Kharkov Institute of Physics & Technology”. Kharkov. 2002.

The thesis is devoted to the interaction of polarized electron beams with a polarized electron target. Mшller scattering of polarized electrons is the most known process to obtain information about the value, sign and direction of the electron beam polarization. Therefore, the research of the process is of importance for physics of polarized electron beams and elementary particle physics.

Theoretical analysis and experiments were made to investigate the influence of the effect associated with the use of a polarized electron target with bound electrons on the interaction of polarized electrons. The physical effects that influence the electron beam polarization value are described. Dependence of the accuracy of polarized experiments on these effects is demonstrated.

Keywords: polarization, polarized electron beam, polarized electron target, Mшller scattering, polarimeter, polarized effects, polarized experiments.

Гламаздин А.В. ”ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПУЧКОВ ПОЛЯРИЗОВАННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ С ПОЛЯРИЗОВАННОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ МИШЕНЬЮ”. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.20 “физика пучков заряженных частиц”. Национальный Научный Центр “Харьковский Физико-Технический Институт”. Харьков 2002.

Диссертация посвящена исследованию процесса взаимодействия пучков поляризованных электронов со связанными электронами поляризованной мишени. Основной целью исследования является минимизация влияния эффекта связанного движения электронов в поляризованной электронной мишени на результат реакции мёллеровского рассеяния на поляризованных электронах. Как следствие, это исследование позволяет повысить точность измерения величины поляризации пучков поляризованных электронов. В настоящее время мёллеровское рассеяние поляризованных электронов является основным процессом, который позволяет получать информацию о величине, знаке и направлении поляризации пучков ускоренных электронов.

В работе рассматривается мёллеровский поляриметр, который был создан для проведения данного исследования. Представлены два новых метода измерения величины поляризации электронной мишени из ферромагнитных материалов, которые позволяют измерять поляризацию мишени с высокой точностью и контролировать её величину в процессе проведения исследований на пучке поляризованных электронов. Детально описана процедура и результаты измерения величины поляризации электронных мишеней, изготовленных из ферромагнитных материалов. Рассмотрены процедура и результаты измерения величины и знака поляризации пучка электронов, полученные при помощи мёллеровского поляриметра. Представлен анализ величины и компонентов систематической ошибки измерения величины поляризации пучка электронов при помощи мёллеровского поляриметра.

Проведены теоретический анализ и экспериментальное исследование эффекта, который обусловлен использованием поляризованной мишени со связанными электронами и его влияния на процесс взаимодействия пучка поляризованных электронов с поляризованной электронной мишенью.

Описаны результаты исследования физических эффектов в пучке поляризованных электронов, которые влияют на величину его поляризации и результат её измерения. Показано влияние этих эффектов на точность проведенных поляризационных экспериментов.

Ключевые слова: поляризация, пучки поляризованных электронов, поляризованная электронная мишень, мёллеровское рассеяние, поляриметр, поляризационные эффекты, поляризационные эксперименты.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Інформація про величину поляризації пучків поляризованих електронів є необхідною як для діагностики прискорювачів, так і для проведення програми фізичних досліджень на пучках поляризованих електронів. Мьоллерівське розсіяння - це електродинамічний процес, чутливий до величин поляризації електронів, які беруть у ньому участь. З появою прискорених пучків поляризованих електронів мьоллерівське розсіяння на поляризованій електронній мішені з успіхом використовується для вимірювання величини поляризації електронних пучків.

У ряді фізичних експериментів величина систематичної помилки вимірювання величини поляризації електронного пучка може давати основний внесок у величину повної систематичної помилки експерименту. Тому, дослідження фізичних ефектів, що впливають на величину поляризації пучка електронів та результати її вимірювання поляриметром, дає можливість підвищити точність фізичних експериментів, що проводяться на пучках поляризованих електронів.

Дисертація присвячена дослідженню процесу взаємодії пучків поляризованих електронів зі зв'язаними електронами поляризованої електронної мішені. Як наслідок, це дослідження дозволяє підвищити точність вимірювання величини поляризації пучків поляризованих електронів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація містить результати, отримані при роботі над такими програмами та проектами:

1. “Програма робіт з атомної науки і техніки ННЦ ХФТІ до 2000 року”, затверджена Постановою Кабінету міністрів України від 20.07.93 №558.

2. Договір з Державним Комітетом України з питань науки та технологій на розробку проекту "Створення пучка поляризованих електронів на прискорювачі 2 ГеВ ННЦ ХФТІ для розвитку нових напрямів фундаментальних досліджень електромагнітних взаємодій нуклонів та ядер" (проект 9.02.01/064-93 шифр ПУЧОК).

3. Договір з Міністерством Науки та Освіти України №Ф5/1758-97 на розробку проекту "Введення до дії мьоллерівського поляриметра та експериментальні дослідження з електродинаміки адронів та ядер" (проект 2.5.1/27 шифр ПУЧОК).

4. Договір з Міністерством Науки та Освіти України №2М/160-2001 "Вдосконалення мішені для мьоллерівського поляриметра".

5. Договір з Міністерством Науки та Освіти України №Ф7/293-2001 "Реконструкція на енергію 11.2 ГеВ мьоллерівського поляриметра та експериментальні дослідження з електродинаміки адронів та ядер".

6. "Меморандум про Взаєморозуміння між ННЦ ХФТІ, Україна та ДжЛаб (Thomas Jefferson National Accelerator Facility), США".

7. Контракт Міністерства енергетики США DU-AC05-84ER40150, за яким здійснюється діяльність ДжЛаб.

8. Міжнародний грант INTAS-99-00125 “Optimized photocathodes for spin-polarized electron sources”.

9. Міжнародний грант CRDF UP2-2271 “Improvement of the Mшller Polarimeter Target”.

Метою роботи є мінімізація впливу ефекту, що обумовлений використанням поляризованої мішені зі зв'язаними електронами, на результат реакції взаємодії пучка поляризованих електронів з поляризованою електронною мішенню.

Об'єктом дослідження є процес мьоллерівського розсіяння на поляризованих електронах феромагнітної мішені.

Предметом дослідження є особливості взаємодії пучка поляризованих електронів зі зв'язаними електронами поляризованої електронної мішені.

Методи дослідження. Головним методом дослідження, що застосовувався в роботі, є вимірювання величини поляризації пучка електронів за допомогою мьоллерівського поляриметра. Серед методів дослідження слід зазначити:

- вимірювання повздовжньої та поперечної компонент величини поляризації пучка електронів в широкому діапазоні енергій та струмів та для різної орієнтації електронних спінів;

- вивчення поведінки величини поляризації пучка електронів під час проведення довгострокових фізичних експериментів з пучком поляризованих електронів;

- вимірювання поляризації пучка електронів водночас кількома різними поляриметрами в різних фізичних залах;

- вимірювання величини поляризації електронної мішені кількома різними методами.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Проведено дослідження залежності аналізуючої здібності процесу мьоллерівського розсіяння на зв'язаних електронах для енергій 0.8-6.0 ГеВ від аксептанса та геометрії поляриметра при використанні поляризованої мішені з супермендюру.

2. Теоретично доведено, що поправка до величини поляризації пучка електронів, що пов'язана з використанням поляризованої мішені зі зв'язаними електронами, може бути не тільки додатною, але і від'ємною в залежності від параметрів поляриметра.

3. Проведено експериментальне дослідження повздовжньої та поперечної компонент поляризації пучка електронів для енергій 0.8-6.0 ГеВ, та впливу параметрів пучка прискорювача на величину поляризації пучка електронів. Результати, що були здобуті під час дослідження, широко використаються для досліджень з фізики елементарних часток, що проводяться на пучках поляризованих електронів.

4. Розроблено комбінований спектрометр з кінематичним фокусуванням, який відрізняється від раніше створених оптичною схемою зменшення ефекту зв'язаного руху електронів поляризованої мішені, та більш високою точністю. Це дало можливість створити поляриметр з нерухомими елементами, що дозволяє вимірювати поляризацію електронів в усьому діапазоні енергій прискорювача СЕБАФ (Continuous Electron Beam Accelerator Facility), суттєво скоротило довжину поляриметра, забезпечило великий аксептанс поляриметра та покращало співвідношення сигнал/фон. В результаті оптимізації геометрії та аксептанса поляриметра величина поправки до поляризації, що вимірюється експериментально, була зменшена до 0.5% для широкого діапазону енергій пучка електронів. Було проведено експериментальне дослідження величини поправки до вимірюваної поляризації пучка електронів при енергії 4.025 ГеВ. Результати вимірювання добре узгоджуються з розрахунками, що були проведені.

5. Здійснено аналіз недоліків традиційного метода вимірювання поляризації феромагнітної мішені. Показана можливість вимірювання величини поляризації феромагнітної мішені при проведенні одного вимірювання без зміни величини намагнічуючого поля. Результати цих досліджень були використані для створення нового високоточного методу вимірювання величини поляризації електронної мішені. За допомогою нового методу була виміряна величина поляризації для низки мішеней з супермендюру та заліза. На основі обчислень було продемонстровано вплив розмірів вимірювальної котушки на результат вимірювання поляризації мішені. Розроблено методику вимірювання цього ефекту та введення поправки, що обумовлена цим ефектом, до величини поляризації електронної мішені. Поміряно вклад розсіяного потоку через вимірювальну котушку, що дозволило підвищити точність вимірювання величини поляризації електронної мішені.

Практичне значення отриманих результатів. Дисертантом разом із співробітниками ННЦ ХФТІ на конкурсній основі було запропоновано оригінальний проект мьоллерівського поляриметра для залу А, ДжЛаб. Цей проект є основою для зараз діючого поляриметра. Вперше в мьоллерівський поляриметрії в проекті мьоллерівського поляриметра було розраховано та зведено до мінімуму вплив енергії зв'язку електронів мішені, як джерело можливої систематичної помилки при вимірювані поляризації електронного пучка. Під час розробки поляриметра було створено два нових метода вимірювання поляризації мішені, які забезпечили високу точність вимірювання поляризації мішені та можливість контролювати величину поляризації мішені на пучку під час проведення досліджень.

Результати вимірювання величини поляризації пучка електронів прискорювача СЕБАФ, що були отримані за допомогою мьоллерівського поляриметра, були використані для отримання результатів усіх 12 фізичних експериментів на пучку поляризованих електронів, що були здійснені в залі А, ДжЛаб. Результатом проведених досліджень взаємодії пучків поляризованих електронів з поляризованою електронною мішенню, стало:

- зменшення величини систематичної помилки вимірювання величини поляризації пучка електронів у залі А з 7% (у 1997 р. на початку експлуатації поляриметра) до 2.3% (у 2002 р.);

- покращення параметрів прискорювача СЕБАФ, що було досягнуте за рахунок зменшення ефекту впливу параметрів пучків для різних залів на величину поляризації пучка електронів при використанні нової методики регулювання току пучка електронів, та завдяки корекції величини енергії пучка поляризованих електронів після інжектора;

- покращення точності вимірювання поляризації пучка електронів за допомогою мьоллерівських поляриметрів підвищило загальну точність експериментів з фізики елементарних частинок, що проводяться на пучках поляризованих електронів.

Під час проведення досліджень було здобуто унікальний для України досвід по створенню та експлуатації поляриметрів для прискорених електронних пучків та дослідженню фізичних ефектів на пучках поляризованих електронів. Цей досвід дає можливість українським науковцям брати участь у проведенні програм фізичних досліджень у складі міжнародних колаборацій.

Для виконання досліджень в ННЦ ХФТІ було модернізовано пристрій для плазмового осадження тонких феромагнітних фольг, та створено стенд для досліджень магнітних властивостей феромагнітних мішеней. На цьому стенді проводяться роботи для подальшого покращення точності вимірювання поляризації електронних мішеней з феромагнітних матеріалів.

Достовірність та обґрунтованість отриманих результатів роботи забезпечується тим, що отримані результати перевірялись декількома методами.

1. Величина поляризації електронної мішені вимірялася різними методами (як традиційним, так и двома новими методами, що були запропоновані в цій роботі). Залежність величини поляризації мішені від магнітного поля була незалежно виміряна науковцями SLAC (Каліфорнія) з використанням традиційного методу та на прискорювачі SLAC при вимірюванні величини поляризації пучка електронів для різних величин магнітного поля. Отримані результати добре узгоджуються між собою.

2. Результати обчислення властивостей магнітно-оптичної системи перевірялися прямим вимірюванням цих властивостей на діючому поляриметрі. Наприклад, екрануючі властивості вставки в диполь перевірялися вимірюванням магнітних полів за допомогою датчика Холла та вимірюванням величини відхилення пучка електронів на фізичній мішені зала А. Результати вимірювань підтвердили правильність проведених розрахунків.

3. Результати вимірювання величини поляризації пучка електронів за допомогою мьоллерівського поляриметра калібрувалися вимірюванням величини поляризації пучка електронів водночас кількома поляриметрами, що засновані на різних принципах вимірювання поляризації, та розташовані у різних залах. Проведені вимірювання добре узгоджуються одне з іншим.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем особисто було проведено порівняльний аналіз діючих поляриметрів електронних пучків та тих, що розробляються. На основі цього аналізу автором були обрані оптимальна схема та методи для мьоллерівського поляриметра залу А, маючи на увазі вимоги програми фізичних досліджень у залі А, ДжЛаб. Вперше в мьоллерівскій поляриметрії автором було запропоновано та реалізовано схему з комбінованим магнітним спектрометром, що дозволило створити поляриметр з кращими властивостями, у порівнянні з іншими поляриметрами [1,4,15-18].

Автором було проведено розрахунок магнітно-оптичної схеми поляриметра та вибір магнітних елементів для поляриметра та розрахунок конструкції екрануючої вставки в дипольний магніт поляриметра [19].

Здобувачем були виконані розрахунки та вимірювання величини вкладу розсіяного магнітного потоку мішені до величини поляризації електронної мішені поляриметра [20].

Дисертант безпосередньо брав участь у вимірюванні товщини фольги для мішені поляризованих електронів на прискорювачі Університету Кентуккі та дослідженнях величини поляризації електронних мішеней, що проводилися в ННЦ ХФТІ та ДжЛаб [20].

Автором було продемонстровано, що вклад від ефекту зв'язаного руху електронів в мішені до величини поляризації, що вимірюється за допомогою мьоллерівського поляриметра, може бути обох знаків [14]. Здобувачем було проведено оптимізацію властивостей поляриметра, яка дозволила зменшити величину цієї поправки до ~0.5% в широкому діапазоні енергій поляриметра. Автор брав участь у проведенні експериментального дослідження величини цього ефекту [2].

Дисертантом було проведено аналіз величини та компонентів систематичної помилки вимірювання поляризації електронного пучка у залі А за допомогою мьоллерівського поляриметра.

Здобувач прийняв участь у виявленні та дослідженні ефектів взаємного впливу параметрів електронних пучків на величину їх поляризації [3].

Під час проведення довгострокових фізичних експериментів автором було продемонстровано що:

- зміна величини квантової ефективності фотокатода в діапазоні 0.2 - 2.5% не впливає на величину поляризації пучка електронів;

- для обраних параметрів пучка електронів нагрів мішені слабо впливає на результат вимірювання поляризації та не залежить від використання растру електронного пучка;

- введення пів-хвильової пластини на фотонний пучок інжектора змінює знак та не призводить до зміни величини поляризації пучка електронів;

- зміна напряму поляризації електронної мішені поляриметра не впливає на результат вимірювання поляризації за допомогою мьоллерівського поляриметра;

- вибір каналу (“лівий” чи “правий”) детектора як тригера не впливає на результат вимірювання поляризації електронів за допомогою мьоллерівського поляриметра.

Автор особисто брав участь у проведенні семи з дванадцяти фізичних експериментів на пучку поляризованих електронів, що були здійснені в залі А при використанні мьоллерівського поляриметра [5-13].

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на міжнародних конференціях:

1. 7th International Workshop on Polarized Gas Targets and Polarized Beams, Urbana, USA, 1997.

2. Annual Division of Nuclear Physics Meeting of the American Physical Society, Whistler, B.C., Canada, 1977.

3. International Conference on Nuclear and Particle Physics with CEBAF at Jefferson Lab, Dubrovnik, Croatia, 1999.

4. 5th International Workshop on New Approaches to High-Tech: Nondestructive Testing and Computer Simulations in Science and Engineering, St. Petersburg, Russia, June 2001.

Публікації. Всього за темою дисертації опубліковано 20 робіт. Основні матеріали дисертації опубліковані у фахових виданнях України, США та Хорватії [1-13], у препринті [14], у працях міжнародних конференцій [15-17], у звітах та інструкціях [18-20]. З них тринадцять задовольняють вимогам ВАК України щодо публікацій, на яких ґрунтується дисертація [1-13].Список опублікованих робіт наведено нижче:

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів основної частини, висновків та списку використаних джерел. В дисертації пронумеровано 148 сторінок, з них основний текст становить 137 сторінок. Дисертація містить 47 малюнків та 26 таблиць. Бібліографія включає 69 найменувань. Кожний розділ закінчується висновками.

електрон розсіяння поляризований фізичний

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У дисертації досліджено взаємодію пучка поляризованих електронів зі зв'язаними електронами поляризованої мішені, та фізичні ефекти, що впливають на величину поляризації пучка електронів, та результати її вимірювання за допомогою мьоллерівських поляриметрів. Описано мьоллерівський поляриметр, який було створено для проведення цих досліджень. Наведено результати впливу точності вимірювання поляризації пучка електронів на результати фізичних експериментів, що проводяться на пучках поляризованих електронів.

У вступі обґрунтована актуальність проблеми дослідження, проаналізований сучасний стан справ, сформульована ціль роботи та основні положення, що подаються до захисту. Відзначено наукову новизну цих положень та вказано, на яких конференціях і в яких наукових виданнях були апробовані та опубліковані матеріали дисертації.

Перший розділ присвячений огляду літератури, що пов'язана з отриманням та вимірюванням поляризації пучків прискорених електронів. На початку розділу надано опис прискорювача СЕБАФ. Особливу увагу приділено особливостям інжектора поляризованих електронів та його оптичної схемі. Описано структуру пучка поляризованих електронів прискорювача. Показано, що особливості інжектора можуть призводити до появи ефектів впливу параметрів пучків залів на величину поляризації пучка.

Розглянуто формалізм процесу мьоллерівського розсіяння поляризованих електронів на вільних поляризованих електронах, що покояться. Показано можливість використання цього процесу для вимірювання величини поляризації пучка поляризованих електронів.

Проаналізовано достоїнства та недоліки методів отримання та вимірювання поляризації електронних мішеней, що виготовлені з феромагнітних матеріалів

У другому розділі проведено аналіз особливостей процесу мьоллерівського розсіяння на поляризованих електронах, що зв'язані в мішені з феромагнітного матеріалу. Розсіяння на зв'язаних електронах призводить до розмиття кута розсіяння електронів без зміни перерізу та енергії електронів, що були розсіяні. Величина розмиття кута не залежить від енергії пучка електронів та пропорційна енергії зв'язку електрона в атомі. Показано, що, в залежності від властивостей оптичної системи поляриметра, аксептанса детектора, положення детектора та способу обробки подій, що реєструються детектором, ефект розмиття кута мьоллерівського розсіяння може приводити як до збільшення, так і до зменшення аналізуючої здібності реакції. Як слідство, величина поляризації пучка електронів, що вимірюється за допомогою мьоллерівського розсіяння, буде або більше, або менше її реальної величини. Хвильові функції електронів на атомних оболонках відомі з обмеженою точністю, тому обчислення цього ефекту з великою точність неможливо.

Для дослідження процесу мьоллерівського розсіяння на поляризованих електронах необхідно знати величину поляризації електронної мішені. Проведений аналіз показав ряд недоліків традиційного методу вимірювання поляризації електронної мішені, що приводять до зниження його точності. Головні з них пов'язані з необхідністю проведення двох вимірювань з застосуванням перемінного магнітного поля, та неможливістю контролювати величину поляризації мішені під час проведення досліджень на пучку електронів. Для переборювання цих недоліків було створено два нових метода вимірювання поляризації електронних мішеней. Перший з них дозволяє проводити абсолютне вимірювання величини поляризації електронної мішені з високою точністю, яка досягається за рахунок проведення одного вимірювання з застосуванням постійного магнітного поля. Другий метод дозволяє контролювати величину поляризації мішені під час проведення досліджень на пучку поляризованих електронів. Таким чином, комбінація двох нових методів дозволяє з високою точністю виміряти величину поляризації електронної мішені, що необхідна для проведення досліджень процесу мьоллерівського розсіяння.

Під час дослідження величини поляризації електронної мішені було знайдено ефект, який призводить до систематичної помилки при вимірюванні поляризації мішені. Він пов'язаний з тим, що переріз котушок, що використовуються для вимірювання поляризації мішені, значно більший за переріз мішені. Таким чином, котушка вимірює не тільки магнітний потік через переріз мішені, але й частину магнітного потоку, що розсіяний поза мішенню з протилежним знаком. Завдяки цьому ефекту величина магнітного потоку, що вимірюється, буде менша реальної. Для типових розмірів котушок та мішеней, що використаються в мьоллерівський поляриметрії, цій ефект становить 1-3%.

У другому розділі було проаналізовано ефекти, що впливають на точність дослідження процесу взаємодії пучків поляризованих електронів зі зв'язаними поляризованими електронами мішені. Як показав аналіз, точне обчислювання цих ефектів неможливе, тому вони потребують експериментального дослідження.

У третьому розділі детально розглянуті експериментальні результати дослідження величини поляризації електронних мішеней, що виготовлені з феромагнітних матеріалів. Описана процедура вимірювання за допомогою двох нових методів, що були запропоновані для виконання цих досліджень, та надано аналіз систематичної помилки вимірювання величини поляризації електронної мішені. Експериментально досліджено ефект впливу розсіяного поля мішені на величину поляризації мішені. Показано, що поправка, обумовлена цим ефектом, дорівнює ~1% для мішеней, які використалися для проведення досліджень. Наведені результати перевірок величини поляризації мішені, що були отримані при вимірюванні товщини мішені методом протонно-індуцированої гамма емісії, та при вимірюванні величини поляризації пучка електронів з різними мішенями та величинами намагнічуючого поля.

Далі у розділі надано детальний опис мьоллерівського поляриметра, що був створений в залі А, ДжЛаб для проведення досліджень. Поляриметр являє собою складну фізичну установку до складу якої входять: мішень поляризованих електронів, спектрометр, багатоканальний детектор, системи контролю та управління поляриметром та система збору та обробки даних. Поляризовані електрони з прискорювача СЕБАФ розсіюються на мішені поляризованих електронів поляриметра. Пара мьоллерівських електронів вилітають з мішені та направляються до зазорів диполя за допомогою трьох квадруполів.

Базуючись на аналізі особливостей процесу мьоллерівського розсіяння на зв'язаних електронах, було створено комбінований спектрометр з кінематичним фокусуванням, що відрізняється від раніше створених оптичною схемою пригноблювання ефекту зв'язаного руху електронів в мішені та більш високою точністю. Це дозволило створити поляриметр з нерухомими елементами для усього діапазону прискорювача СЕБАФ (0.8-6 ГеВ), забезпечило великий аксептанс поляриметра, суттєво скоротило довжину поляриметра та покращило співвідношення сигнал/фон. Як результат оптимізації параметрів поляриметра, величина поправки до експериментально виміряної поляризації пучка електронів зменшена до ~0.5% для широкого діапазону енергій пучка електронів. Для моделювання та розрахунків оптичної системи поляриметра використовувалися програми TRANSPORT, RAYTRACE та GEANT. Для зменшення впливу магнітного поля диполя на електронний пучок було застосовано екрануючу вставку, що розташована всередині диполя. Вставка має отвір для проходу пучка електронів. Конструкція вставки була розроблена за допомогою програм POISSON та TOSCA.

Мішенями поляризованих електронів є дві феромагнітні фольги (99.99% залізо товщиною 10.7 мкм. та супермендюр (49%Fe, 49%Co, 2%V) товщиною 13.7 мкм.), які можуть по черзі пересуватися на ось пучка електронів. Поляризація електронів в мішенях досягається внаслідок намагнічування феромагнітної фольги в магнітному полі двох коротких соленоїдів (260 Ерстед).

У конструкції мішені поляризованих електронів мьоллерівського поляриметра залу А було використано ряд нових для мьоллерівський поляриметрії рішень, а саме:

- обертання мішені в площині реакції в діапазоні кутів 20°ё160° до напрямку пучка електронів. Це дозволяє виміряти за допомогою поляриметра не тільки повздовжню, але й поперечну складові поляризації пучка електронів;

- можливість охолодження мішені рідким азотом до температури ~105 К. Це за допомогою мьоллерівського поляриметра дає можливість збільшити діапазон струмів, при яких можливо вимірювати поляризацію пучка.

Для поляриметра була розроблена процедура вимірювання поляризації мішені яка складається з трьох ступенів:

1) величина поляризації мішені калібрувалася на стенді магнітних досліджень за допомогою нового високоточного методу “висування фольги”;

2) фольга монтувалася в камеру мішені поляриметра та величина її поляризації вимірювалася за допомогою нового методу “коливання на краю”;

3) проводилися періодичні вимірювання величини поляризації мішені для порівняння з первісною (отриманою в пункті 2.).

Нові методи та багатоступенева процедура вимірювання величини поляризації електронної мішені дозволили підвищити точність вимірювання поляризації мішені до 1.3% у порівнянні з 2 ё 3% у інших мьоллерівських поляриметрів. Остаточна величина поляризації мішені із супермендюра, що використовується в поляриметрі залу А: Рfoil = 0.0798±0.0010.

Детектор поляриметра складається з двох однакових частин для реєстрації пари мьоллерівських електронів у збігу. Кожна частина детектора містить в собі апертурний детектор та годоскоп з чотирьох блоків свинцевого скла. Далі в дисертації надано детальний аналіз величини та компонентів систематичної похибки вимірювання величини поляризації пучка електронів за допомогою мьоллерівського поляриметра залу А. Описані методи, що використовувалися для оцінки та перевірки цих величин.

Таким чином, був створений мьоллерівський поляриметр та розроблена методика вимірювання величини поляризації пучка електронів, що дозволяють виміряти величину та знак повздовжньої компоненти поляризації пучка електронів з величиною систематичної похибки 2.3% Вимірювання величини поляризації пучка електронів з величиною статистичної похибки ля струму електронів 0.5 мкА потребує менше години пучкового часу.

За допомогою мьоллерівського поляриметра було проведено експериментальне дослідження ефекту зміни поляризації, що вимірюється, до реальної, який обумовлений використанням мішені зі зв'язаними електронами. Для цього величина поляризації електронного пучка вимірялася для трьох різних геометрій детектора, які відповідають різним кутовим захватам:

- збіг сумарного сигналу чотирьох блоків свинцевого скла в лівому каналі детектора з сумарним сигналом чотирьох блоків свинцевого скла в правому каналі (L1234ґR1234);

- збіг сигналу одного блока свинцевого скла в лівому каналі детектора з сумарним сигналом чотирьох блоків свинцевого скла в правому каналі (L2ґR1234);

- збіг сигналу одного блока свинцевого скла в лівому каналі детектора з сумарним сигналом одного блоку свинцевого скла в правому каналі (L2ґR2).

Викладені результаті досліджень фізичних ефектів, що призводять до зміни величини поляризації пучка електронів прискорювача СЕБАФ, або до помилок при її вимірюванні за допомогою мьоллерівського поляриметра. Під час вимірювання величини поляризації пучка електронів за допомогою мьоллерівського поляриметра було виявлено ефекти впливу параметрів пучків інших залів на величину поляризації пучка електронів. За результатами досліджень цього ефекту було розроблено нову методику регулювання параметрів пучків на поляризованому інжекторі прискорювача СЕБАФ, що зменшує величину цього ефекту. Було проведено дослідження величини впливу пучків інших залів на величину поляризації пучка електронів у залі А при використанні нової методики. В результаті цих досліджень було одержано наступні результати:

- вимірювання величини поляризації пучка електронів у залі А проводиться при величині пучка електронів, що дорівнює 0.5 мкА. При цьому току величина протікання до залу А, обумовленого лазером зала С, дорівнює 0.02 мкА, та призводить до зменшення величини поляризації пучка електронів на ~3%.

- протікання до залу А, обумовлене лазером залу В, дорівнює 0.00015 мкА та не впливає на величину поляризації пучка електронів залу А. Заплановано більш детальні дослідження цього ефекту.

Довгострокове вимірювання величини поляризації пучка електронів прискорювача СЕБАФ дозволило дослідити низку ефектів, пов'язаних з пучком поляризованих електронів та мьоллерівським поляриметром, таких як:

- зміна величини квантової ефективності фотокатода в діапазоні 0.2 - 2.5% не впливає на величину поляризації пучка електронів;

- для обраних параметрів пучка електронів нагрів мішені слабо впливає на результат вимірювання поляризації та не залежить від використання растру електронного пучка;

- введення пів-хвильової пластини на фотонний пучок інжектора змінює знак та не призводить до зміни величини поляризації пучка електронів;

- зміна напряму поляризації електронної мішені поляриметра не впливає на результат вимірювання поляризації за допомогою мьоллерівського поляриметра;

- вибір каналу (“лівий” чи “правий”) детектора як тригера не впливає на результат вимірювання поляризації електронів за допомогою мьоллерівського поляриметра.

У четвертому розділі продемонстровано вплив результатів дослідження процесу взаємодії поляризованих електронів пучка з поляризованими електронами мішені на програму фізичних досліджень, що проводиться на пучках поляризованих електронів.

Результати проведеного дослідження величини прецесії спіну пучка електронів на прискорювачі СЕБАФ водночас п'ятьма поляриметрами в трьох різних залах дали змогу:

- водночас виміряти величину та знак поляризації пучка електронів прискорювача СЕБАФ у кожному залі та зробити взаємне калібрування всіх поляриметрів;

- визначити величину кута прецесії пучка електронів для кожного залу;

- уточнити величину енергії пучка електронів в кожному залі з точністю ~7ґ10-4.

Всі дванадцять експериментів, що були проведені на пучку поляризованих електронів в залі А, ДжЛаб, використовували результати вимірювання поляризації пучка електронів за допомогою мьоллерівського поляриметра. В дисертації продемонстровано вплив точності вимірювання величини поляризації мьоллерівським поляриметром залу А на результат експерименту по дослідженню ефекту порушення парності в пружному розсіянні поляризованих електронів на протоні (HAPPEX).

Унікальні властивості спектрометра поляриметра, що був створений для проведення досліджень, дозволяють, також, використати його як спектрометр малих кутів при проведенні експериментальних досліджень з фізики елементарних частинок.

ВИСНОВКИ

У дисертації викладено результати досліджень процесу взаємодії пучка поляризованих електронів з мішенню зі зв'язаними поляризованими електронами. На основі цих досліджень була вирішена важлива наукова задача - мінімізація впливу ефекту, що обумовлений використанням поляризованої мішені зі зв'язаними електронами, на результат реакції взаємодії пучка поляризованих електронів з поляризованою електронною мішенню. Вирішення цієї задачі дозволило підвищити точність вимірювання поляризації пучків прискорених електронів і виконати ряд досліджень як з фізики пучків поляризованих електронів, так і з фізики елементарних частинок

Отримані в роботі наукові та практичні результати дозволяють зробити наступні висновки:

1. Поправка до величини поляризації пучка електронів, що пов'язана з використанням поляризованої мішені зі зв'язаними електронами, може бути не тільки додатною, але і від'ємною в залежності від параметрів поляриметра.

2. Розроблено комбінований спектрометр з кінематичним фокусуванням, який відрізняється від раніше створених оптичною схемою зменшення ефекту зв'язаного руху електронів поляризованої мішені, та більш високою точністю (систематична помилка ±2.3%). Це дало можливість створити поляриметр з нерухомими елементами, що дозволяє вимірювати поляризацію електронів в усьому діапазоні енергій прискорювача СЕБАФ (0.8-6 ГєВ), суттєво скоротило довжину поляриметра (7 м), забезпечило великий аксептанс поляриметра та покращало співвідношення сигнал/фон. В результаті оптимізації геометрії та аксептанса поляриметра величина поправки до поляризації, що вимірюється експериментально, була зменшена до 0.5% для широкого діапазону енергій пучка електронів. Було проведено експериментальне дослідження величини поправки до вимірюваної поляризації пучка електронів при енергії 4.025 ГеВ. Результати вимірювання добре узгоджуються з розрахунками, що були проведені.

3. Аналіз традиційного метода вимірювання поляризації феромагнітної мішені показав що головні його недоліки обумовлені необхідністью проведення двох вимірювань у змінному магнітному полі. Показана можливість вимірювання величини поляризації феромагнітної мішені при проведенні одного вимірювання без зміни величини намагнічуючого поля. Результати цих досліджень були використані для створення нового високоточного методу вимірювання величини поляризації електронної мішені. За допомогою нового методу була виміряна величина поляризації для низки мішеней з супермендюру та заліза з точність ~1.3%.

4. На основі обчислень було продемонстровано, що вплив розмірів вимірювальної котушки на результат вимірювання поляризації мішені може досягати 1-3%. Розроблено методику вимірювання цього ефекту та введення поправки, що обумовлена цим ефектом, до величини поляризації електронної мішені. Виміряно вклад розсіяного потоку мішенів через вимірювальну котушку, що дозволило підвищити точність вимірювання величини поляризації електронної мішені.

5. Досліджено можливість вимірювання величини поляризації феромагнітних мішенів без виймання фольги із вимірювальної котушки. На основі цих досліджень розроблено новий метод калібровки величини поляризаціїмішені на пучку поляризованих електронів, що дозволяє контролювати величину поляризації пучка електронів під час проведення експериментів.

6. Проведено експериментальне дослідження повздовжньої та поперечної компонент поляризації пучка електронів для енергій 0.8-6.0 ГеВ, та впливу параметрів пучка прискорювача на величину поляризації пучка електронів. Результати, що були здобуті під час дослідження, широко використаються для досліджень з фізики елементарних часток, що проводяться на пучках поляризованих електронів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гламаздин А.В., Горбенко В.Г., Левчук Л.Г., Помацалюк Р.И., Сорокин П. В., Чудаков Е., Чен Д.П., Саха А., Дейл Д., Гаспарян А. Мёллеровский поляриметр электронов для TJNAF (зал А) // ВАНТ - 1999. - Вып.1(33) - стр. 33 - 34.

2. Glamazdin A.V., Gorbenko V.G., Levchuk L.G., Pomatsalyuk R.I., Sorokin P. V. The results of scientific cooperation of NSC KIPT and TJNAF, USA // ВАНТ - 2001 - Серия: Ядерно-физические исследования Вып.1(37) - стр. 3-7.

3. Chudakov E.A., Glamazdin A.V., Gorbenko V.G. Levchuk L.G., Pomatsalyuk R.I., Sorokin P. Electron Beam Mшller Polarimeter at Hall A, JLab // ВАНТ - 2002 - Серия: Ядерно-физические исследования Вып.2(40) - стр. 43 - 48.

4. Glamazdin A.V., Gorbenko V.G., Levchuk L.G., Pomatsalyuk R.I., Rubashkin A.L., Sorokin P.V., Dale D.S., Doyle B. Gorringe T., Korsch W., Zeps V., Chen J.P., Chudakov E., Nanda S., Saha A., Gasparian A. Electron Beam Mшller Polarimeter at JLab Hall A // Fizika B(Zagreb) - 1999 - V.8. - №1. - P. 91 - 95.

5. By HAPPEX Collaboration (Aniol K.A., Armstrong D.S., Glamazdin A.V. et al. (ще 79 співавторів)) Measurement of the neutral weak form factors of the proton // Phys. Rev. Lett. -1999 - V.82. - №6 - P. 1096 - 1100.

6. By HAPPEX Collaboration (Aniol K.A., Armstrong D.S., Glamazdin A.V. et al. (ще 112 співавторів)) New measurement of parity violation in parity elastic electron-proton scattering and implications for strange form factor. // Phys. Lett. B. -2001 - V. 509 - P. 211 - 216.

7. Jones M.K., Aniol K.A., Glamazdin A.V. et al. (ще 105 співавторів) GEp/GMp Ratio by Polarization Transfer in e®p®ep® // Phys. Rev. Lett. -2000 - V.84. - №7. - P. 1398 - 1402.

8. Xu W., Dutta D.,. Glamazdin A.V. et al. (ще 89 співавтори) Transverse Asymmetry AўT from the quasielastic 3He®(e®,e) process and Neutron Magnetic Form Factor // Phys. Rev. Lett. - 2000 - V.84. - №14. - P. 3265 - 3268.

9. Wijesooriya K., Afanasev A., Glamazdin A. et al. (ще 75 співавторів) Polarization Measurements in High-Energy Deuteron Photodisintegration // Phys. Rev. Lett. - 2001 - V.86. - №14. - P. 2975 - 2979.

10. Gayou O., Wijesooriya K., Glamazdin A. et al (ще 75 співавторів) Measurements of the elastic electromagnetic form factor ratio mGEp/GMp via polarization transfer // Phys. Rev. C - 2001 - V.64. - P 038202(1-4).

11. Xiong F., Dutta D., Glamazdin A.V. et al. (ще 89 співавтори) Precision Measurement of the Spin-dependent Asymmetry in the Threshold Region of 3He®(e®,e) // Phys. Rev. Lett. - 2001 - V. 87.~- №24 - P 242501(1-5).

12. Gayou O., Aniol K.A., Glamazdin A. et. al. (ще 76 співавторів) Measurement of GEp / GMp in e®p® ep® to Q2=5.6 GeV2 // Phys. Rev. Lett. - 2002 - V. 88. - №9 - P. 092301(1-5).

13. Malov S., Wijesooriya K., Glamazdin A. et al. (ще 141 співавторів) Polarization transfer in 16O(e®, e'p®)15N reaction // Phys. Rev. - 2000 - V. C62. - P. 057302(1-5).

14. Afanasev A., Glamazdin A. Atomic Electron Motion for Mшller Polarimetry in a Double-Arm Mode. - Newport News. - 1996. - 7 p. (Препр. / TJNAF; CEBAF-PR-96-003).

15. Dale D.S., Gasparian A., Doyle B., Gorringe T., Korsch W., Zeps V., Glamazdin A., Gorbenko V., Pomatsalyuk R., Chen J.P., Nanda S., Saha A The TJNAF Hall A Mшller Polarimeter // Proc. of 7th International Conf. on the Polarized Gas Targets and Polarized Beams. - Urbana, USA. - August 1997. - P. 321-325.

16. Dale D.S., Denoyelles K., Doyle B., Gasparian A., Gorringe T., Korsch W., Kovash M., Mayfield J., Newsome W., Pemble V., Zeps V., Glamazdin A., Gorbenko V., Pomatsalyuk R., Chen J.P., Nanda S., Saha A. A Mшller Polarimeter for Hall A of TJNAF // Contributed paper at the Meeting of the Division of Nuclear Physics of the American Physical Society. - Whistler, B.C., Canada. -1977. - V. 42. - №7. - P. 1648.

17. Glamazdin A., Chen J-P., Chudakov E., Dale D.S., Gasparian A., Gorbenko V., Levchuk L., Nanda S.K., Pomatsalyuk R.I., Sorokin P.V. Electron beam Mшller Polarimeter at Hall A, TJNAF // 5th International Workshop on New Approaches to High-Tech: Nondestructive Testing and Computer Simulations in Science and Engineering -St. Petersburg, Russia. - Proceedings of SPAS. - 2001 - Vol.5.- P. A2-A6.

18. Glamazdin A.V., Gorbenko V.G., Pomatsalyuk R.I., Dale D.S., Chudakov E., Gasparian A. Operational Safety Procedure for Hall A Mшller polarimeter / JLab, Newport News, USA - April 1998 - 23~pp.

19. Glamazdin A., Chudakov E. Hall A Mшller Polarimeter Upgrade for 11~GeV. / JLab, Newport News, USA - December 2000. - 17 pp.

20. CRDF Cooperative Grants program: Final Project Report (Award number UP2-2271) / NSC KIPT, Kharkov, Ukraine. - 2002. -13 pp.

Размещено на Allbest.ru

...