Введение к работе
Актуальность темы
В 1993 году было подписано соглашение о научном сотрудничестве меду Институтом Ядерной Физики СО РАН им.Будкера (г.Новосибирск) Национальным Институтом Ядерной Физики и Физики Высоких Энер-й - NIKHEF (Нидерланды), ставящее целью создание на базе Ам-ердамского ускорительно-накопительного комплекса AmPS установки продольно поляризованным электронным пучком для последующего юведения на ней экспериментов по изучению электромагнитной струк-ры ядер в самой оптимальной постановке, когда и мишень и рассеива-цийся на ней электронный пучок - оба поляризованы.
Надо сказать, к этому моменту времени создались объективные пред-сылки позволявшие надеяться на успешное решение этой непростой цачи. С одной стороны, в ИЯФ СО РАН был уже накоплен доста-чно богатый опыт по получению, управлению и использованию в экс-риментах по физике высоких энергий поляризованных электронов и зитронов, созданию таких сложных сверхпроводящих устройств, как гглеры и спиральные ондуляторы. Кроме того, в 80-ые годы в ИЯФ тивно разрабатывались проекты продольно поляризованных пучков на копителях ВЭПП-4 и ВЭПП-ЗМ, но они остались к сожалению не ре-изованными на практике. С другой стороны, во многих научных ценах к этому времени был достигнут значительный прогресс в техно-гии создания высокоэффективных полупроводниковых фотокатодов, эбходимых для генерации интенсивных поляризованных электронных чков. Здесь хотелось бы упомянуть впечатляющие результаты Ин-ітута физики полупроводников СО РАН (г.Новосибирск) по эпитакси-ьному выращиванию напряженных InGaAsP фотокатодов, обещавших :тижение уровня поляризации до 80% и квантовым выходом до 1%. еланная нами на данный тип фотокатодов ставка в дальнейшем себя
полностью оправдала. В итоге к середине лета 1995 года в ИЯФ был созданы, испытаны а затем и установлены на комплекс AmPS источни поляризованных электронов PES (Polarized Electron Source) и сверхпрі водящий спиновый ротатор, известный более под термином "Сибирскс змейка". Змейка организует сложную замкнутую спиновую траекторш обеспечивая получение устойчивого продольного направления поляриз. ции на противоположном себе участке азимута накопителя, в данно конкретном случае - в месте расположения внутренней мишени, тоя кстати поляризованной.
Уже в декабре 1995 года было получено накопление электронов в н, копительном кольце AmPS с включенной Сибирской змейкой, а в 195 году начались первые реальные эксперименты с поляризованным пу ком. Первые же результаты измерений степени продольной поляризацв в кольце, выполненные созданным в NIKHEF Комптоновским полярим тром, доказали отсутствие значительных потерь поляризации в процес< ускорения пучка в линейном ускорителе. Типичные значения поляриз; ции составляли в различных сериях измерений от 60% до 80%.
В течении последующих двух лет активной эксплуатации комплек< AmPS было проведено несколько серий физических экспериментов с и пользованием продольно поляризованного пучка. Исследовались стру] тура таких интересных для ядерной физики объектов как поляризоваї ные ядра дейтерия и гелия-3. Из полученных данных извлекалась, частности, информация о форм-факторе нейтрона.
Параллельно исследовались различные факторы мешающие ведени экспериментов с поляризованными электронами. Было выяснено, в час ности, что при накоплении циркулирующего тока выше 150 мА степе* поляризации электронов резко падала. Объяснялось это возбуждение богатого спектра когерентных колебаний пучка вследствие возникнов ния электрон-ионной неустойчивости, возникавшей пороговым образо при токах порядка 150 — 200 мА вследствие накопления в электронно пучке ионов остаточного газа. В спектре этих ограниченных по амплі туде поперечных колебаний наблюдались потенциально опасные лига вблизи полуцелой частоты, как раз соответствующей частоте црецессі спинов в кольце со змейкой. По видимому пучок успевал частично деп ляризоваться из-за наличия такого резонансного возмущения.
В Амстердаме удалось впервые наблюдать факт возникновения р диационной самополяризации пучка в кольце с Сибирской змейкой. Эт явление интересно тем, что в данном случае работает не широко извес ный механизм Соколова-Тернова а кинетический механизм, обязаннь спин-орбитальной связи.
Измеренная поляриметром скорость деполяризации пучка в пределах атлетической ошибки находится в согласии с ожиданиями теории.
В 1997 году был проведен вполне успешный эксперимент по полу-знию продольной поляризации в режиме частичной Сибирской змейки і "магической" энергии 440 МэВ. Время деполяризации пучка 4500 сек ікже оказалось в грубом согласии с теоретическими предсказаниями.
В последние годы активно обсуждается необходимость создания гектрон-протонных, электрон-ионных и даже электрон-фрагментных кол-ійдеров на средние и большие энергии. Во всех проектах предусмати-іется продольная поляризация и электронного и адронного пучков и 'О вполне естественно - только измеряя спиновые корреляции сечений ассеяния электронов на ядрах можно извлечь полную информацию об гектромагнитной структуре изучаемого объекта. Опыт создания про->льно поляризованного электронного пучка, приобретенный всеми при зализации совместного проекта NIKHEF и ИЯФ СО РАН, несомненно сажется востребованным в недалеком будущем.
Цель работы состояла в следующем
Решение основных физических проблем стоящих при создании комплекса с продольно поляризованным электронным пучком.
В частности, создание интенсивного источника поляризованных электронов, обеспечивающего высокий уровень поляризации электронов и обладающего высокими эксплуатационными качествами.
Разработка и создание сверхпроводящего спинового ротатора - так называемой Сибирской змейки, обеспечивающей получение устойчивого продольного направления поляризации в экспериментальном промежутке накопительного кольца.
Проведение ускорительных исследований по изучению влияния различных факторов на поведение поляризации в источнике и в кольце, а также измерениям скорости деполяризации пучка под действием квантовых флуктуации синхротронного излучения.
в Обобщение накопленного опыта и анализ возможных путей применения Сибирских змеек к строящимся ускорительно-накопительным комплексам.
Разработка методики ведения ядерно-физических экспериментов в
режиме вынужденной когерентной прецессии спинового ансамбля
под действием радиочастотного флиппера.
Научная новизна работы
Продольно поляризованные электроны в накопительном кольце с Сибирской змейкой получены впервые в мире. До этого метод создания устойчивой продольной поляризации в накопителе с помощью Сибирской змейки был опробован только на экспериментальном протонном кольце в Университете штата Индиана (США). Но в протонных ускорителях нет такого мощного деполяризующего фактора каким является синхротронное излучение, поэтому получение продольно поляризованного электронного пучка в накопителе AmPS несомненно является новым достижением.
Впервые проведены эксперименты по рассеянию поляризованного электронного пучка на поляризованных внутренних мишенях. Полученные данные существенно углубили наши знания о структуре легких ядер.
Создан интенсивный источник поляризованных электронов, обладающий одними из лучших характеристик в мире. В частности, время жизни фотокатода доведено до уровня 3 недель. Степень поляризации электронов составляет около 80%, а квантовый выход до 1%. Ток пучка при длительности импульса 2.1 мксек достигает 50 мА, а в пике 150 мА.
Создана Сибирская змейка - спиновый ротатор, обеспечивающий получение и длительное сохранение продольной поляризации в экспериментальном промежутке накопителя.
Экспериментально исследовано поведение поляризации в накопительном кольце в режимах полной и частичной Сибирских змеек.
Впервые наблюден процесс самополяризации циркулирующего электронного пучка, обусловленный механизмом спин-орбитальной связи.
Предложена и теоретически обоснована схема проведения экспериментов с поляризованным пучком с использованием радиочастотного флиппера, позволяющего длительное время удерживать когерентное пре-цессирующее спиновое состояние при произвольной энергии накопителя.
Научная и практическая ценность работы
Проведен цикл физических экспериментов с использованием продольно поляризованных электронных пучков.
Изготовлен уникальный источник поляризованных электронов, обладающий одними из лучших характеристик в мире. Полученный опыт длительной эксплуатации этого источника в условиях реального физического эксперимента несомненно найдет применение при создании следующих источников поляризованных электронов.
Создана Сибирская змейка - спиновый ротатор, обеспечивающий по-
лучение и длительное сохранение продольной поляризации в экспериментальном промежутке накопителя. Для этого была развита оригинальная технология производства сверхпроводящих соленоидов с полем до 7 Т, которая несомненно найдет применение и в других установках.
Экспериментально исследовано поведение поляризации в накопительном кольце в режимах полной и частичной Сибирских змеек.
Впервые наблюден процесс самополяризации циркулирующего электронного пучка, обусловленный механизмом спин-орбитальной связи. Изучение этого интересного физического явления очень важно для дальнейшего развития теории радиационной поляризации электронных и по-зитронных пучков.
Метод постановки поляризационных экспериментов с использованием радиочастотного флиппера может найти применение в коллайдерах с дейтронными пучками.
Апробация работы
Успешное функционирование комплекса с продольно-поляризованным электронным пучком в течении нескольких лет и большой объем физической информации о структуре легких ядер и нуклонов полученный в различных экспериментах, проведенных на этом комплексе в течении этого времени, доказывает правильность и эффективность подходов, обеспечивших создание данного комплекса.
Работы, положенные в основу диссертации, неоднократно докладывались и обсуждались на научных семинарах в ведущих отечественных и зарубежных центрах, таких как ИЯФ СО РАН (г.Новосибирск), Объединенный институт ядерных исследований (г.Дубна), Национальный институт ядерной Физики и Физики высоких энергий (NIKHEF) (г.Амстердам, Нидерланды), и др.
Результаты работы докладывались на многих Международных конференциях, в том числе на Международной конференции по ускорителям частиц высокой энергии 1998 года и 12-ом и 13-ом Международных симпозиумах по спиновым явлениям в физике высоких энергий, состоявшихся в 1996 и 1998 годах.
Значительная часть работы опубликована в рецензируемых научных журналах.
Структура работы
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и трех приложений.