ИЗУЧЕНИЕ ФОТОРОЖДЕНИЯ π⁰-МЕЗОНОВ НА ЯДРАХ В ОБЛАСТИ ПОРОГОВЫХ ЭНЕРГИЙ И ОБЛАСТИ ЭНЕРГИЙ Δ(1232)-БАРИОНА

       Цель исследования - измерение параметров форм-факторов импульсных распределений нуклонов в ядрах (радиусы, толщины граничных слоев и т.д.).

       Как показывают расчеты [1,2,3], в околопороговой области энергий фотонов полное сечение упругого когерентного фоторождения нейтральных пионов на ядрах следует осциляторной зависимости от массового числа A, а дифференциальное сечение - дифракционной зависимости от угла вылета пионов. Измерение таких дифференциальных зависимостей позволит определить как характеристики распределений материи внутри ядра, так и увеличит наше понимание процессов фоторождения нейтральных мезонов в ядерной среде. Особенно интересны сведения об упругом когерентном фоторождении, в котором участвуют одновременно все нуклоны ядра.

       В ФИАНе в Отделе физики высоких энергий на ускорителе “ПАХРА” на 64-канальной системе мечения проводится эксперимент по изучению процессов фоторождения нейтральных пионов на ядрах. Энергетическое разрешение и интенсивность фотонного пучка системы мечения при энергии выведенного электронного пучка 350 МэВ составляют 2 МэВ и 10⁶ фотонов/сек соответственно. Энергетический интервал мечения около 100 МэВ с шагом приблизительно 1,5 МэВ/канал. Применение специального сцинтилляционного годоскопа позволит довести энергетическое разрешение системы мечения до 1 МэВ. Данная система мечения фотонов является единственной в России.

       Эксперимент заключается в том, что нейтральные π⁰-мезоны, возникающие при взаимодействии фотона с мишенью, регистрируются 2-х плечевой экспериментальной установкой на основе кристаллов NaI(Tl) и сцинтилляционных счетчиков. Регистрация идет по вторичным гамма-квантам, являющимися продуктами распада пиона.

       Использование в эксперименте системы мечения фотонов тормозного излучения с разрешением по энергии фотонов 2 МэВ [5] и экспериментальной установки, состоящей из составных NaI(Tl) гамма-спектрометров с разрешением каждого 4-5 МэВ [6], позволяет при измерении дифференциальных и полных сечений разделять процессы упругого и неупругого фоторождения. Различие составляет как минимум энергию связи 8-10 МэВ.

       Суть применяемого метода и состоит в энергетическом разделении когерентного упругого и неупругого процессов фоторождения π⁰-мезона. Энергетический порог некогерентного процесса выше когерентного, поэтому используя точное знание энергии первичного фотона и небольшой шаг по изменению его энергии с помощью системы мечения можно отделить исследуемый когерентный процесс фоторождения пиона от некогерентного.

       Эксперимент предполагается выполнить на ядрах дейтерия, углерода, лития, бериллия и других широком интервале энергий первичных фотонов (от порога фоторождения  до 200 МэВ).

       Сравнительно недавно основным сдерживающим фактором в фотоядерных исследованиях, когда длина волны сравнима с размером нуклона, было отсутствие фотонных пучков с требуемыми параметрами: высокой интенсивностью, высокой степенью поляризации, непрерывностью, низким уровнем фона. Тормозные пучки не обеспечивали этих требований за исключением интенсивности.          Использование в экспериментах различных систем мечения фотонов позволило удовлетворить указанные требования и такие системы нашли широкое применение в различных научных центрах Европпы, США, Канады, Японии и других стран.

       Исследования, подобные изложенным выше, в настоящее время планируются и проводятся в Гренобле на накопителе ESRF (эксперимент GRAAL и др.) с использованием фотонов, возникающих на обратном Комптоновском рассеянии, в Вирджинии на ускорителе CEBAF с использованием системы мечения и т. д. [1]. Проведение таких экспериментов важно с точки зрения дальнейших исследований физики частиц и атомных ядер.

 

ВЫВЕДЕННЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ ПУЧОК УСКОРИТЕЛЯ “ПАХРА”

       Выведенный пучок электронов из ускорителя “ПАХРА” формируется системой медленного вывода и протяженным магнитооптическим каналом (МОК) [4].

       Медленный вывод электронов с использованием резонанса радиальных бетатронных колебаний четвертого порядка (n_х = 3/4) реализован с помощью двух полюсных обмоток ускорителя и двух выводных септум-магнитов. Первый септум-магнит состоит из четырех магнитных блоков, разделенных тремя медными кронштейнами. Зазор магнитопровода имеет высоту 1,2 см и ширину 3,5 см. Напряженность магнитного поля в зазоре - 800 Э. Второй септум-магнит составлен из четырех таких же магнитных блоков, что и первый. Напряженность поля в зазоре этого магнита можно поднять до 4000 Э. Положение обоих магнитов относительно центральной орбиты может меняться с помощью системы перемещения в диапазоне 5 см.

       Электронный пучок через выходное окно ускорителя (алюминиевая пластина толщиной 0,2 мм) и воздушный промежуток (0,7 м) вводится в тракт магнитооптического канала (рис. 1). Электронный тракт МОК вакуумирован, диаметр тракта при прохождении линз составляет 38 мм, в межлинзовых промежутках 80 мм. Общая длина тракта от выходного окна ускорителя в ускорительном зале до магнита мечения в экспериментальном зале №1 составляет 34 м. Канал включает 6 линз и один поворотный магнит СП-3 с размером полюса 500x200 мм² и межполюсным расстоянием 50 мм в зале ускорителя. Угол поворота пучка составляет 18,5^o при Н_СП-3 = 5250 Гс.

       Рис.1. Канал транспортировка выведенного электронного пучка ускорителя “ПАХРА”.

       Одним из важных элементов канала является устройство, предназначенное для исключения влияния на электронный пучок краевого магнитного поля магнита ускорителя – компенсатор магнитного поля (КМП). После выхода из ускорителя пучок 0,7 м проходит вблизи полюса магнита ускорителя, краевое поле которого “растягивает” пучок в горизонтальной плоскости. При попадании пучка в КМП влияние поля прекращается и он без искажений транспортируется к магниту системы мечения. Входной и выходной диаметры КМП составляют 15 мм и 25 мм соответственно, длина устройства 1100 мм. КМП входит в вакуумный канал как один из элементов.

       В настоящее время, при энергии электронов E = 350 МэВ размер пучка как по горизонтали, так и по вертикали составляет 20 мм, интенсивность ~10⁸ e⁻/сек. Диапазон выводимых энергий от 200 МэВ до 600 МэВ.

       В процессе проводки пучка от выходного окна ускорителя до заданной точки на магните мечения была разработана методика проводки с помощью современных чувствительных видеокамер, которые сразу определяют положение пучка (координаты) на сцинтилляторе и положение пучка относительно других объектов. При работе использовались миниатюрные камеры типа “секюрити” с чувствительностью 0,1 люкс и углами обзора 28^o и 44^o. Ниже, в качестве примера, описана процедура проводки пучка от поворотного магнита СП-3 в зале ускорителя до заданной точки на магните мечения

       На предполагаемой траектории пучка, находящейся под углом θ = 18,5^o от траектории выхода пучка из ускорителя относительно центра СП-3, были помещены две платформы с дистанционным управлением. Первая платформа П1 находилась на расстоянии 1,25 м от центра СП-3, вторая П2 на расстоянии 3,25 м. На П1 был помещен сцинтиллятор С1 NaI(Tl) диаметром 40 мм и толщиной 40 мм, а на П2 сцинтиллятор С2 такого же типа диаметром 70 мм и толщиной 40 мм. Сцинтилляторы просматривались видеокамерами К1 и К2, соответственно. Сигнал с К1 контролировался визуально монитором М1 (обычный телевизор) в пультовой ускорителя, а сигнал с К2 монитором М2, находящимся рядом с системой управления СП-3.

       Последовательность работы была следующая:

1. Пучок с помощью СП-3 “наводится” на центр С1.
2. Определяется значение поля Н1 магнита СП-3.
3. Платформа с С1 выводится из пучка, а П2 с С2 вводится в пучок так, чтобы он “проходил” через центр С2.
4. В пучок снова вводится С1 на прежнее положение.
5. С помощью лазера определяется примерная траектория пучка, “проходящая” через центры С1 и С2 (при определении положения пучка на С2 С1 убирается).
6. Определяется примерная траектория пучка в экспериментальном зале №1 и его положение на магните мечения.
7. Поле СП-3 увеличивается или уменьшается на ΔH = 100 - 200 Гс и определяется его значение Н2.

       В дальнейшем пункты 3-7 повторяются до того момента, когда предполагаемая траектория пучка “определит” его положение на магните мечения.

 

ВЫСОКОИНТЕНСИВНАЯ СИСТЕМА МЕЧЕНИЯ ФОТОНОВ УСКОРИТЕЛЯ “ПАХРА”

       Получение новой и точной информации о электромагнитных процессах, таких как комптоновское рассеяние на нуклонах и ядрах, фоторождение псевдоскалярных мезонов, полного адронного фотопоглощения и т. д. связано с точностью знания энергии инициируещего реакцию фотона. Реализация жесткого требования определения энергии фотонов  возможна при использовании системы мечения фотонов (СМ), созданной на базе выведенного электронного пучка ускорителя “ПАХРА” (рис. 2) [5].

       Рис.2. Система мечения фотонов и экспериментальная установка. R - радиатор; H1 и H2 – годоскопы системы мечения; T - эксперим. мишень; A1 и A2 - счетчики антисовпадений; N1-N4 – спектрометры NaI(Tl); C1-C4 и C6-C9 - годоскопы плеч; C5 и C10 - триггерные сцинтилляционные счетчики; TM - магнит мечения; AE и AF - поглотители электронного и фотонного пучков.

Выведенный пучок электронов с указанной выше энергией с последней квадрупольной линзы магнитооптического канала выводится на медный радиатор толщиной 0,01 - 0,5 мм (0,0007 - 0,035 X₀). Тормозные фотоны, образующиеся в радиаторе, падают на экспериментальную мишень, а излучившие их электроны отклоняются магнитным полем магнита мечения (ММ) на угол ~180^o и попадают в годоскоп системы мечения. Интенсивность тормозных фотонов определяется интенсивностью первичного пучка и толщиной радиатора. Она может изменяться в пределах 10⁵ γ/сек.

       Энергия электронов, отклоненных магнитным полем в годоскоп системы мечения, может изменяться вариацией тока стабилизированного источника питания (ИСТ-500). Точность поддержания величины тока составляет ~0,01%. Размер полюсов магнита мечения составляет 110x700 см², зазор между ними 10 см. Энергетический диапазон “отработанных” в радиаторе электронов, регистрируемых годоскопом системы мечения составляет ΔE_e = 30 - 130 МэВ.

       Годоскоп системы мечения состоит из двух линий сцинтилляционных счетчиков. Каждая линия включает 64 идентиных счетчика шириной 1,5 см, длиной 10 см и толщиной 1 см. Расстояние между линиями годоскопа составляет H₁ = 8,5 см. Годоскоп расположен параллельно полюсам магнита мечения на расстоянии H₂ = 112 см. Расстояние от оси выведенного электронного пучка H₃ = 40 см. При необходимости размеры H₁, H₂ и H₃ можно легко менять. Годоскоп, за исключением передней полусферы, окружен свинцовой защитой.

       Энергия фотона (E_γ), падающего на экспериментальную мишень определяется, как разность энергий первичного электрона (E₀) и энергии электрона, провзаимодействававшего в радиаторе и отклоненного магнитом мечения (E_e) в годоскоп: E_γ = E₀ − E_e.

       Рабочий энергетический диапазон меченых γ-квантов при энергия первичного пучка E₀ = 350 МэВ и энергетическое разрешение системы мечения в соответствующем диапазоне меченых фотонов составляют:
ΔN₁ = 1 - 32 (ΔE_γ = 320 - 240 МэВ)        ΔE = 2 - 8 МэВ,
ΔN₂ = 33 - 64 (ΔE_γ = 240 - 220 МэВ)        ΔE = 0,5 - 2 МэВ.

       Не “отработанный” основной пучок электронов отворачивается магнитным полем магнита мечения и поглощается в свинцовом поглотителе (“могильнике”), находящемся непосредственно за магнитом мечения.

       Напряженность поля магнита мечения при рабочем токе 200 A составляет 8,4 кГс. Спад напряженности магнитного поля начинается на расстоянии ~10 см от края полюса внутри магнита и на расстоянии ~50 см от магнита составляет ~10⁻⁴ от максимального значения.

       Существуют возможности улучшения энергетического разрешения системы мечения, предусмотренные при создании системы: 1 - изменение расстояний между линейками годоскопа и изменение расстояний между годоскопом и магнитом мечения; 2 - применение дополнительного годоскопа в низкоэнергетической области γ-пучка. Данные методы позволят улучшить энергетическое разрешение системы мечения не менее чем в 1,5 – 2 раза.

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Экспериментальная установка (рис. 2) состоит из двух одинаковых плеч. Каждое плечо состоит из набора самостоятельных детекторов, расположенных последовательно друг за другом вплотную на расстоянии 20 - 30 см от мишени (рис. 3) [6].

       Рис.3. Схема составного фотон-электронного спектрометра из кристаллов NaI(Tl) и пластических сцинтилляторов. А – счетчик антисовпадений; Кр1 – NaI(Tl) размерами Ø40x40 мм³; ΣC_i – сцинтилляционный годоскоп; C - триггерный сцинтилляционный счетчик; Кр2 – NaI(Tl) размерами Ø200x200 мм³.

       Первым элементом плеча является сцинтилляционный счетчик диаметром 70 мм и толщиной 5 мм, предназначенный для подавления фона заряженных частиц, идущего с мишени. Он входит в общий триггер как счетчик антисовпадений. За счетчим антисовпадений следует первый кристалл NaI(Tl) диаметром 40 мм и тощиной 40 мм, предназначенный для определения энерговыделения в начальной стадии развития электромагнитного ливня от гамма-кванта. Далее расположены последовательно годоскоп из 4-х сцинтилляционных счетчиков (каждый счетчик имеет размер 10х40х5 мм³) и "большой" сцинтилляционный счетчик размером 40х40х5 мм³. За "большим" счетчиком расположен 2-й кристалл NaI(Tl), предназначенный определять энерговыделение оставшейся части электромагнитного ливня.

       Суммарное энерговыделение в 1-м и 2-м кристаллах NaI(Tl) позволяет определить энергию гамма-кванта от распада пиона. Калибровка такой системы на электронных пучках показала, что энергетическое разрешение составляет не более 5% [2].

       Сигналы счетчиков годоскопа подаются на сумматор и выходной сигнал совместно с сигналом от "большого" счетчика и первого счетчика подаются на схему совпадения (первый счетчика включается в режим "антисовпадения").

       Сигнал со схемы совпадения является триггером плеча (триггер 1-го уровня). Этот сигнал совместно с сигналом от 2-го плеча подаются на схему совпадения и формируют триггер 2-го уровня. Данный триггер показывает, что произошла регистрация 2-х фотонов, то есть π⁰-мезона. Совпадения плеч установки и годоскопов системы мечения формируют основной "быстрый" триггер.

       Энергия π⁰-мезона в околопороговой области определяется энергией фотона системой мечения. С другой стороны, дополнительно энергия пиона определяется с хорошей эффективностью (~100%) составными NaI(Tl) спектрометрами.

 

Л И Т Е Р А Т У Р А

       1. Недорезов В.Г., Туринге А.А., Шатунов Ю.М. УФН, 2004, том 174, № 4, 353-370;

       2. Bergstrom J.C., Igarashi R., Vogt J.M. Phys.Rev. C, 1997, v.55, 2923-2930;

       3. Говорков Б.Б. Ядерная физика, 1967, т.6, вып.1, 116-118;

       4. Башмаков Ю.А., Беловинцев К.А., Карпов В.А. “Вывод электронов из синхротрона на резонансе четвертого порядка”, Препринт ФИАН, № 87, Москва, 1991;

       5. Басков В.А., Башмаков Ю.А., Верди А.В., Говорков Б.Б., Горбов Л.А., Карпов В.А., Ким В.В., Полянский В.В. "Моделирование энергетических характеристик системы мечения гамма-квантов ускорителя "Пахра", Препринт ФИАН, № 12, Москва, 1997;

       6. Басков В.А., Башмаков Ю.А., Верди А.В., Говорков Б.Б., Горбов Л.А.,Карпов В.А.,Ким  В.В., Котельников  Н.Г., Полянский В.В. "Составной фотон-электронный спектрометр из кристаллов NaI(Tl) и пластических сцинтилляторов", ПТЭ, 1995, т.1, 42-47;