Способ отклонения пучков заряженных частиц плоской кремниевой пластиной

Изобретение относится к области ускорительной техники. Способ отклонения пучков заряженных частиц плоской кремниевой пластиной основан на использовании явления объемного отражения. Изгиб последовательных полосок кремния на поверхности пластины достигается за счет внутренних напряжений в материале кристалла вследствие эффекта Тваймана, а не внешним изгибающим моментом. Кремниевая пластина имеет толстую плоскую подложку, благодаря которой достигается более точная взаимная ориентация изогнутых кремниевых полосок и лучшая эффективность отклонения пучка, чем в устройстве с изгибом отдельных полосок с помощью механического держателя. Технический результат - повышение эффективности поворота пучков частиц. 5 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к ускорительной технике и может использоваться при выводе и коллимации протонного пучка.

На протонных синхротронах все большее применение в системах вывода и коллимации находят изогнутые кристаллы благодаря высоким значениям напряженности электрического поля внутри кристалла. Такие кристаллы использовались в основном в режиме плоскостного каналирования. В 2006 г. экспериментально было открыто новое физическое явление - отражение пучка протонов высокой энергии от изогнутых атомных плоскостей кристалла кремния и начались работы по использованию этого явления на ускорителях /W. Scandale, D. Still, A. Carnera et al., "High-Efficiency Volume Reflection of an Ultrarelativistic Proton Beam with a Bent Silicon Crystal", Phys. Rev. Lett. 98, 154801 (2007)/.

Объемное отражение обусловлено взаимодействием налетающего протона с потенциалом изогнутой атомной решетки и происходит на малой длине в области касательной к изогнутой атомной плоскости. Угол отклонения частиц при отражении от кристаллографических плоскостей ограничен величиной 1.5 θ_c, где θ_c=(2U_c/pv)^1/2 - критический угол каналирования, U_c ~20 эВ - величина плоскостного канала (111) в кремнии, p, v - импульс и скорость налетающей частицы. Протоны с энергией Е=70 ГэВ, 400 ГэВ, 7000 ГэВ отклоняются одиночной полоской в сторону, противоположную изгибу соответственно на угол 36 мкрад, 15 мкрад и 3,6 мкрад. Вероятность однократного отражения высока и при энергиях около 100 ГэВ приближается к единице. Для увеличения угла отражения и практического применения объемного отражения при выводе и коллимации пучков необходимо увеличить значение угла отклонения заряженных частиц.

Используя последовательно расположенные кристаллы, можно увеличить угол отклонения, поскольку отклонение протонов каждой кристаллической полоской приводит к увеличению области углов захвата пропорционально числу полосок. Применяя n≤10 последовательно расположенных ориентированных кристаллов, можно увеличить угол отклонения частицы в ~ (5-10) раз. Дальнейшее увеличение количества кристаллов приводит к потере эффективности процесса из-за возрастания количества ядерных взаимодействий.

Наиболее близким прототипом предлагаемого изобретения являются кристаллические дефлекторы, устройство которых представлены в работах / Афонин А.Г., Баранов В.Т., Горлов В.Н и др., "Использование отражения частиц в изогнутых кристаллах для улучшения коллимации пучка в кольцевом ускорителе", АЭ, 2009, т.106, вып.6, с.328, W. Scandale, A. Vomiero, E. Bagli, et al., "Multiple volume reflections of high-energy protons in a sequence of bent silicon crystals assisted by volume capture.", Phys. Lett., B688 (2010) 284-288/. В этих прототипах увеличение угла отклонения достигается за счет последовательного расположения кристаллов.

В экспериментах на ускорителях ИФВЭ и ЦЕРН было показано, что протонные пучки с энергией 70-400 ГэВ эффективно отклоняются за счет отражения и каналирования в подобных кристаллических структурах, состоящих из нескольких взаимно-ориентированных кристаллов. В них изгиб отдельных кремниевых полосок осуществляется с помощью внешнего держателя. Эти кристаллы устанавливаются на станциях кристаллических дефлекторов с механизмами перемещения по координате и углу. При проведении физических экспериментов с кристаллами в зависимости от энергии протонов требуется обеспечить разный угол изгиба кристаллов. Объемное отражение в кристаллах будет иметь место при условии, что угол изгиба

$$\alpha =L/R>\mathrm{1,5}{\theta }_c\cdot n+\psi$$ ,

где L - длина кристалла по пучку, R - радиус изгиба кристалла, n - число полосок, Ψ - расходимость пучка.

Так, для протонного синхротрона ИФВЭ при энергии 70 ГэВ угол изгиба должен составлять 600 мкрад, для SPS при E=400 ГэВ этот угол равен 250 мкрад, а для энергии 7 ТэВ этот угол ~ 60 мкрад.

Недостатком конструкций кристаллов с последовательно расположенными полосками, изогнутыми механическим держателем, является разориентация отдельных полосок на величину около ±50 мкрад. Поэтому для применения, например, на Большом адронном коллайдере (БАК) такое устройство выходит за рамки требований к системе локализации БАК, где нужны кристаллы, разориентированные не более чем до 2-3 микрорадиан друг от друга, изогнутые на несколько десятков микрорадиан с радиусом изгиба около 100 метров.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа изготовления цепочки последовательных кристаллов с близкими параметрами изгиба каждой из них. Для решения поставленной задачи на монолитную плоскую пластину кремния наносились механические канавки с равномерным шагом и одинаковой глубиной. Изгиб полосок обусловлен деформацией их поверхностных слоев, вызванных эффектом Тваймана, а толстая плоская подложка обеспечивает высокую точность взаимной ориентации изогнутых полосок.

Глубокие канавки ~1 мм треугольной формы наносятся с одной стороны толстой кремниевой пластины толщиной ~5 мм. Глубина канавок и расстояние между канавками определяют радиус изгиба кристалла и выбираются исходя из энергии протонного пучка. Техническим результатом реализованного способа изгиба явилось то, что, как показали оптические измерения, с помощью таких канавок можно создать серию идентично изогнутых, хорошо ориентированных относительно друг друга кремниевых полосок с углом изгиба ~100 мкрад.

Изготовленные образцы были испытаны на протонном пучке при Е=50 ГэВ на ускорителе У-70. Хотя условия поворота для такой энергии не являются оптимальными, наблюдался заметный поворот пучка, соответствующий теории. Наведение циркулирующего пучка на поглотитель осуществлялось с помощью бамп-магнитов. Эффективность кристалла при этой энергии протонов составила около ~70%.

Принцип усиления угла отражения на цепочке кристаллов с фотографией прототипа с внешним устройством изгиба показан на фиг.1. Сущность предлагаемого изобретения для отклонения пучка частиц высокой энергии представлена на фиг.2. Как видно из фиг.2, канавки искривляют кристаллографические плоскости в областях между ними. Одна из таких пластин показана на фотографии фиг.3. Результаты экспериментов иллюстрируются на фиг.4 в виде профилей пучка на поглотителе У-70 в разориентированном и ориентированном состоянии кристалла.

Расчеты показали, что этот способ отклонения протонов можно использовать эффективно для поворота пучков частиц тэраэлектронвольтных энергий (например, на БАК). Поворот может быть проведен за счет кратного отражения частиц на полосках, либо захвата в режим каналирования в нескольких полосках. Результаты расчетов представлены на фиг.5. Расчет отклонения частиц с энергией 1 ТэВ проведен методом Монте-Карло. Здесь точками обозначена плотность частиц, φ - угол вращения кристалла, θ - угол отклонения налетающих частиц. В зоне углов (-0.05 мрад<φ<0 мрад) наблюдается отклонение на угол θ=60 мкрад за счет отражения на 8 полосках. В зоне углов (0 мрад<φ<0.05 мрад) пучок отклоняется за счет каналирования примерно на такой же угол, но в противоположном направлении.

Способ отклонения пучков заряженных частиц плоской кремниевой пластиной с нанесенными на ней последовательно поперечными канавками с помощью фрезы треугольного профиля, отличающийся тем, что необходимый изгиб поверхностных слоев в кристалле для отклонения падающего пучка ускорителя достигается без использования внешнего изгибающего устройства за счет внутренних механических напряжений, вызванных этими канавками.