Способ измерения поляризации пучка ионов водорода
Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для измерения поляризации пучков ионов водорода, получаемых из источников поляризованных частиц. Целью изобретения является повышение точности измерения поляризации пучка и сокращение времени измерений. Для этого, в поляриметре создают распределение продольного по отношению к направлению распространения пучка магнитного поля, при котором направления магнитного поля в перезарядной мишени и спионовом фильтре противоположны. Величину индукции магнитного поля в перезарядной мишени выбирают из соотношения В=(1-5)Вc, где Вc - критическое поле атома водорода в метастабильном 2S1/2-состоянии. Изобретение позволяет уменьшить статистическую ошибку измерений в 4,6 раза. 3 ил.
Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для измерения поляризации пучков ионов водорода, получаемых из источников поляризованных частиц. Поляризацию пучков ионов водорода, ускоренных в ускорителях заряженных частиц, измеряют, используя соответствующие ядерные реакции [1] Однако, при энергии пучка порядка 10 кэВ, т.е. при энергии, которую имеют поляризованные пучки, генерируемые в источниках, не существует ядерных реакций, которые могли бы быть использованы для измерения поляризации пучков поляризованных протонов и отрицательных ионов водорода [2] В этом случае используют другие способы. Один из известных способов измерения поляризации пучка протонов при низких энергиях заключается в том, что часть протонов пучка конвертируют тем или иным способом в метастабильные атомы водорода (2S1/2). При этом населенность состояний сверхтонкой структуры образующихся метастабильных атомов зависит от поляризации исходного пучка ионов водорода. Затем, используя известные свойства метастабильных атомов, измеряют населенности состояний сверхтонкой структуры атомов и определяют поляризацию протонного пучка [3] Известно, что населенность состояний сверхтонкой структуры метастабильных атомов определяют по циркулярной поляризации фотонов, излучаемых при высвечивании метастабильных атомов. Недостатком этого способа являются технические трудности, связанные с измерением циркулярной поляризации вакуумного ультрафиолетового излучения, возникающего при высвечивании метастабильных атомов водорода РИСУНКИ MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе Дата прекращения действия патента: 19.06.1998 Номер и год публикации бюллетеня: 6-2000 Извещение опубликовано: 27.02.2000 
. В известных работах пучок поляризованных ионов водорода пропускается через тонкую углеродную пленку, в которой часть ионов конвертируется в атомы водорода в состоянии 2Р1/2, а поляризация пучка определяется по циркулярной поляризации L
-фотонов, излучаемых при переходе возбужденных атомов в основное состояние. Недостатком этого способа является низкая анализирующая способность (максимум 25%), а также, как и в предыдущем способе, трудности, связанные с измерением циркулярной поляризации L-фотонов. Способ измерения поляризации пучка протонов, описанный в работе [4] принят за прототип предлагаемого изобретения. В этом способе пучок поляризованных протонов с энергией в несколько килоэлектронвольт пропускается через цезиевую паровую мишень, в которой часть поляризованных протонов перезаряжается в метастабильные атомы водорода. Мишень находится в слабом продольном магнитном поле с индукцией В<B
N(1). N(4) населенности состояний сверхтонкой структуры метастабильных атомов водорода. В соответствии с принятой терминологией состояния (1) и (2) называются a--состояниями, а состояния (3) и (4) 
--состояниями метастабильных атомов. Далее в способе, принятом за прототип, пучок частиц пропускается через область с продольным магнитным полем В-574 Гс и поперечным магнитным полем Е 20 В/см (спиновой фильтр). В таких полях время жизни метастабильных атомов в -состояниях мало и они при прохождении спинового фильтра практически полностью высвечивается, т.е. переходят в основное состояние 1S1/2, в то время как атомы в a-состояниях проходят спиновой фильтр не высвечиваясь, так что после спинового фильтра в пучке остаются только метастабильные атомы в a-состояниях. После этого пучок попадает в детектор метастабильных атомов, в котором в электрическом поле около 300 В/см высвечиваются метастабильные атомы в a-состояниях. В детекторе измеряется поток 
фотонов, образующихся при высвечивании метастабильных атомов, и тем самым и поток метастабильных атомов в a-состояниях, прошедших в детектор. Учитывая, что поток метастабильных атомов в заданных состояниях сверхтонкой структуры пропорционален населенности этих состояний, получим, что скорость счета атомов детектором равна
n1=c[N(1)+N(2)](c/2)[1+(P/2)(1-a)] (2)
где с коэффициент пропорциональности, определяемый эффективностью регистрации метастабильных атомов детекторов. Затем проводится такое же измерение для неполяризованного пучка протонов (в источниках поляризованных ионов классического типа состоянием поляризации пучка управляют с помощью блока высокочастотных переходов, в лазерных источниках включением и выключением лазера и т.д.). Для неполяризованного пучка из формулы (2) при Р=0 получаем
n2=c/2. (3)
Отношение скорости счета атомов детектором для поляризованного и неполяризованного пучков, следовательно, равно
n1/n2=1+P/2(1-a). (4)
Следует отметить, что отношение скорости счета зависит от поляризации пучка, что и дает возможность ее измерить, причем в данном методе при увеличении магнитного поля в перезарядной мишени величина n1/n2 стремится к единице, т.е. измеряемый эффект уменьшается. Из формул (2) и (3) следует, что поляризация исходного пучка
P=[2/(1- )][(n1/n2-1] (5)
Статическая ошибка измерений поляризации пучка связана со статистическим характером регистрации метастабильных атомов и, как нетрудно показать (при условии, что случайные величины n1 и n2 имеют распределение Пуассона), может быть вычислено по формуле
, (6)
где 
n1/n2 относительная статистическая ошибка счета метастабильных атомов для неполяризованного. Из формулы (6) следует, что величина статистической ошибки резко увеличивается при увеличении магнитного поля в перезарядной мишени (при увеличении магнитного поля растет величина Х=В/Bc, фактор а=Х/(1+X2)1/2 стремится к единице, а ошибка измерений увеличивается). Поэтому на практике измерения поляризации пучка данным способом проводятся только при слабом магнитном поле в перезарядной мишени, что требует тщательной экранировки мишени для уменьшения систематических ошибок, связанных с измерением величины а= Х/(1+X2)1/2, и является недостатком способа. Целью изобретения является повышение точности измерения поляризации пучка ионов водорода и сокращение времени измерений. Для этого в поляриметре создается распределение продольного по отношению к направлению распространения пучка магнитного поля, при котором направления магнитного поля в перезарядной мишени и спиновом фильтре противоположны, причем величина индукции магнитного поля в перезарядной мишени выбирается из соотношения В=(1-5)Вc, где Вc критическое поле для атома водорода в метастабильном (2S1/2-состоянии. Повышение точности измерений в предлагаемом способе связано с тем, что в данном способе увеличивается измеряемый эффект, т.е. отношение скорости счета атомов для поляризованного и неполяризованного пучков сильнее отличается от единицы, чем в способе, принятом за прототип. На фиг. 1 представлена схема поляриметра; на фиг.2 зависимость статистической ошибки измерений от поляризации пучка; на фиг.3 зависимость статистической ошибки измерений от индукции магнитного поля в перезарядной мишени. Для определенности будем говорить о пучке поляризованных протонов, хотя (с несущественными отличиями в выкладках) изложенное относится и к пучкам поляризованного ионов дейтерия и трития. Для измерения предлагаемым способом поляризации пучков отрицательных ионов водорода следует осуществить вначале обдирку отрицательных ионов в положительные в дополнительной перезарядной мишени, например гелиевой в сильном магнитном поле. Сильное магнитное поле необходимо для предотвращения деполяризации ионов при их обдирке в мишени. Обдирка отрицательных ионов может быть осуществлена также пропусканием пучка через тонкую углеродную пленку. В данном способе, так же как в способе, принятом за прототип предлагаемого изобретения, пучок поляризованных протонов вначале пропускается через перезарядную мишень 1, которая находится в продольном магнитном поле, создаваемом соленоидом 2. В мишени часть протонов перезаряжается в метастабильные атомы водорода. Метастабильные атомы в -состояниях высвечиваются в спиновом фильтре, т. е. в области с продольным магнитным полем 574 Гс, создаваемым соленоидом 3, и поперечным электрическим полем, создаваемым конденсатором 4. Прошедшие через спиновой фильтр атомы в a-состояниях высвечиваются в электрическом поле около 300 В/см, создаваемом электродами 5. Возникающие при высвечивании атомов L-фотоны регистрируются детектором 6. Цилиндр Фарадея 7 служит для измерения тока пучка частиц, прошедших через поляриметр. В предлагаемом способе, в отличии от известного, в поляриметре создается такое распределение продольного магнитного поля, при котором направления магнитных полей в перезарядной мишени и спиновом фильтре противоположны, так что между перезарядной мишенью и спиновым фильтром находится область, в которой продольная составляющая магнитного поля меняет знак. Распределение магнитного поля приведено на фиг.1. Величина индукции магнитного поля в перезарядной мишени выбирается сравнимой или большей критического поля для метастабильных атомов водорода. Известно, что при прохождении метастабильными атомами области, в которой магнитное поле меняет знак, происходит обмен населенностей состояний (1) и (3) метастабильных атомов. Учитывая обмен населенностей состояний (1) и (3), получим для населенностей состояний метастабильных атомов после неадиабатического прохождения области между перезарядной мишенью и спиновым фильтром (ср. с формулами 1):
N(1)=(1-P)/4; N(2)=(1-aP)/4;
N(3)=(1+P)/4; N(4)=(1+aP)/4. (7)
Следовательно, для скорости счета детектором метастабильных атомов аналогично формуле (2) получим
n1=(c/2)[1-(P/2)(1+a)] (8)
Для неполяризованного пучка имеем, очевидно, также как в способе, принятом за прототип (см. формулу (3))
n2=с/2 (9)
Отношение скорости счета атомов детектором для поляризованного и неполяризованного пучка теперь равно
n1/n2=1-P/2(1+a) (10)
Из полученной формулы следует, что, в отличие от способа, принятого за прототип, при увеличении магнитного поля в перезарядной мишени (величина а стремится к единице) зависимость отношения n1/n2 от поляризации не уменьшается, а усиливается, т.е. усиливается измеряемый эффект, что и приводит, как показано ниже, к повышению точности измерений. Из формул (8-10) при тех же предположениях, что и при получении формулы (6), получаем для статистической ошибки в измерении среднего значения поляризации пучка
(11)
Из формулы (11) следует, что в предлагаемом способе, в отличие от способа, принятого за прототип, величина статистической ошибки уменьшается при увеличении магнитного поля в перезарядной мишени, поэтому в предлагаемом способе измерения поляризации очевидно целесообразно увеличивать магнитное поле в перезарядной мишени. Критерием величины магнитного поля в данном случае является условие Х>B/Bc, при этом величина а=X/(1+X2)1/2 близка к единице. Целесообразно выбирать величину магнитного поля в перезарядной мишени в диапазоне (1-5)Вc. Увеличение магнитного поля выше 5Bc, как следует из формулы (11), уже не изменяет практически величину статистической ошибки. Из сравнения формул (6) и (11) также видно, что ошибка измерений для двух рассматриваемых способов по разному зависит от поляризации пучка. Здесь следует, что изменение направления магнитного поля одновременно в перезарядной мишени и спиновом фильтре для обоих способов эквивалентно изменению знака поляризации пучка протонов. Поэтому дальнейшее сравнение способов будем проводить для одинаковой по абсолютной величине, но противоположной по знаку поляризации пучка так, чтобы в обоих способах минимизировать ошибку в смысле ее зависимости от знака поляризации пучка. Сравним ошибку измерения среднего значения поляризации для двух описанных способов. Учитываем зависимость величины ошибки от магнитного поля в перезарядной мишени, рассмотрим в качестве примера случай, когда Х=5(В=317 Гс) для предлагаемого способа измерения и Х=0,1/В=6,34 Гс, для способа измерения, выбранного за прототип. Так как ошибка измерения зависит от величины поляризации (учитывая вышесказанное о знаке поляризации пучка) сравнение проведем для значений поляризации во всем возможном диапазоне ее изменения от нуля до единицы. Результаты вычислений по формулам (6) и (11) представлены на фиг. 2. Кривая 8 представляет результаты вычислений по формуле (6) для способа, принятого за прототип при Х=0,1, а кривая 9 результаты вычислений по формуле (11) для предлагаемого способа при Х=5. Зависимость статистической ошибки от величины индукции магнитного поля в перезарядной мишени для фиксированного значения поляризации приведена на фиг.3 (кривая 10 для способа, принятого за прототип, и кривая 11 для предлагаемого способа). Из этих результатов следует, что статистическая ошибка измерений среднего значения поляризации в предлагаемом способе измерений во всем диапазоне возможных значений поляризации пучка меньше, чем ошибка измерений в способе, принятом за прототип. При характерном значении поляризации пучка Р=0,8 при измерениях предлагаемым способом происходит уменьшение статистической ошибки измерений в 4,6 раз. Следует отметить, что при условии достижения в измерениях одинаковой статистической точности измерений, время измерений по предлагаемому способу сокращается в приведенном характерном случае, например, более чем на порядок. Таким образом, использованием предлагаемого способа измерения поляризации пучка ионов водорода позволяет по сравнению с известными способами повысить точность измерения среднего значения поляризации, а при заданной точности измерений уменьшить время измерений.
Формула изобретения-состояниях переходят в основное состояние атома водорода, а оставшиеся в пучке метастабильные атомы в a-состояниях затем регистрируют детектором, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и сокращения времени измерений, в поляриметре создают распределение продольного по отношению к направлению распространения пучка магнитного поля, при котором направления магнитного поля в перезарядной мишени и спиновом фильтре противоположны, причем величину индукции магнитного поля в перезарядной мишени выбирают из соотношения В (1-5)Вс, где Вс критическое поле для атома водорода в метастабильном (2S1/2) состоянии.
