Система калибровочных пучков

       При проведении исследований в области ядерной физики, физики высоких энергий, метеорологии и многих других областях постоянно возникает необходимость регистрации (с измерением энергии и точки попадания) электронов и фотонов. Это значит, что для детекторов, использующихся для этих целей, должна быть известно соответствие между откликом (величиной амплитуды сигнала) и энергией частицы, индуцировавшей этот сигнал - калибровочная кривая. Если в областях традиционной ядерной физики (0.1- 10 МэВ) для калибровки детекторов возможно использование природных радиоактивных источников (Co⁶⁰, Cs¹³⁷ и др.), то для детекторов, работающих в области энергии более 10 МэВ, необходима калибровка на пучках частиц с известной энергией – тестовых пучках. Такие экспериментальные системы существуют практически во всех зарубежных исследовательских центрах (CERN, FNAL, DESY). Подобная система была создана в конце семидесятых годов на синхротроне "Пахра" для калибровки астрофизической аппаратуры [2], но была демонтирована в начале 1990-х. После оживления исследований на отечественных ускорителях (ОИЯИ, ИЯИ, ИФВЭ) и активном участии физиков института в работе на зарубежных ускорителях (ДЕЗИ, ЦЕРН, Майнц) возникла острая необходимость в наличии тестовых пучков для методических целей. Было решено создать такую систему на тормозном пучке синхротрона.

       Принципиальная схема установки показана на Рисунке 1. С целью устранения фона, возникающего от процессов образования δ-электронов и комптоновского рассеяния, система "мечения" фотонов должна быть расположена в позитронном пучке магнитного спектрометра. Тормозной пучок, образованный в результате сброса электронов в кольце на внутреннюю мишень, после выхода из камеры ускорителя формируется свинцовым коллиматором Kо и очищается электромагнитом Мо от заряженных частиц, образовавшихся в Kо, воздухе и выходном фланце камеры синхротрона. Мишень Т1, которая конвертирует γ-кванты в электрон-позитронные пары, находится непосредственно перед электромагнитом М1, осуществляющим анализ частиц по импульсу, и формирует первичный пучок позитронов. Для попадания пучка позитронов с энергией Е1 = 350-650 МэВ во второй магнит выбирается отклонения в 31^o к направлению первичного пучка фотонов. Коллиматором К1 формирует размеры пучка. Сцинтилляционный детектор А1, включенный в режиме антисовпадений, устанавливается вплотную за К1 и имеет отверстие для пропуска основного пучка и устранения частиц, рассеянных от краев коллиматора.

Рисунок 1. Схема расположения оборудования для получения системы калибровочных пучков фотонов и позитронов:
Ко и К1 – свинцовые коллиматоры, Мо - очистительный магнит СП-3, М1 - магнитный спектрометр СП-57, М2 - магнитный спектрометр СП-3, А1 и С1-С5 - сцинтилляционные счетчики

       Далее пучок регистрируется телескопом сцинтилляционных счетчиков С1, С2 и С3. Сформированный таким образом моноэнергетический пучок позитронов с энергией Е₁ испытывает электромагнитное торможение в воздухе и в веществе счетчиков телескопа. Электромагнит М2 (СП-3) и телескоп сцинтилляционных счетчиков С4 и С5 выделяют пучок вторичных позитронов с энергией Е2 под определенным углом к направлению первичного электронного пучка. При совпадение сигнала от телескопа С4хС5 с сигналом телескопа А1хС1хС2хС3 получаем монохроматические γ-кванты с энергией Е_γ = Е1 – Е2. Варьируя энергию первичных позитронов Е1, можно получать различные требуемые значения энергии Е_γ.

       Аппаратура для получения пучков моноэнергетических электронов, позитронов и γ-квантов была смонтирована в Экспериментальном зале №2. В качестве магнитного спектрометра М1 установлен электромагнит СП-57 с круглыми наконечниками диаметром 1 м. Мишень Т1, которая конвертирует γ-кванты в электрон-позитронные пары, установлена непосредственно перед электромагнитом М1, осуществляющим анализ частиц по импульсу. Для отклонения пучка вторичных позитронов с энергией 350 - 550 МэВ под заданным углом в 31⁰ к направлению пучка тормозных фотонов ток в обмотках магнита М1 составляет соответственно величину 400-700 А. После М1 установлена свинцовая защитная стенка с коллиматором К1 (диаметр 5,15 мм), который формирует поперечные размеры позитронного пучка. Сцинтилляционный детектор А1 (смонтирован на базе фотоумножителя ФЭУ-30, размер активной зоны пластического сцинтиллятора 15х15 см²), включенный в режиме антисовпадений, установлен вплотную за К1 и имеет отверстие диаметром 10 мм для пропуска основного пучка и устранения частиц, рассеянных от краев коллиматора. Далее для регистрации позитронного пучка размещен телескоп сцинтилляционных счетчиков С1, С2 и С3. Все счетчики выполнены на основе ФЭУ-30 с воздушным светосбором, сцинтиллятор имеют размеры 15х15х5 мм³. Делители напряжения на ФЭУ подобраны таким образом, что длительность выходного сигнала составляет ~5 нсек. Сформированный таким образом моноэнергетический пучок позитронов с энергией Е1 испытывает электромагнитное торможение в воздухе и в веществе счетчиков телескопа. Магнитный спектрометр М2 (электромагнит СП-3) и телескоп сцинтилляционных счетчиков С4 и С5 выделяют пучок испытавших акт радиационного торможения позитронов с энергией Е2 = 300 МэВ под углом 36⁰ к направлению первичного позитронного пучка. Величина магнитного поля в зазоре составляет 10 кГс при токе 100 А в обмотках электромагнита. Выделяя телескопом счетчиков С4хС5, включенным на совпадение с телескопом А1хС1хС2хС3, вторичные позитроны, получаем монохроматические γ-кванты с энергией Е_γ = Е1 – Е2. В 2005 году были выполнены расстановка и монтаж электротехнического оборудования (магнитов СП-57 и СП-3), проложены кабельные коммуникации. В рамках выполнения проекта отлажены на космических частицах и установлены на пучке сцинтилляционные счетчики А1, С1-С5, выполнена настройка силового питания и систем охлаждения магнитов, установлены коллиматоры и элементы защиты. Было проведено несколько сеансов по настройке системы с позитронным пучком - были измерены параметры пучка перед спектрометром М2. В Таблице 1 показаны результаты для нескольких энергий позитронов, полученные при интенсивности ускоренного пучка на орбите 7.5*10¹¹ электронов/сек и максимальной энергией ускоренных частиц Е = 650 МэВ для отверстия коллиматора в 15 мм перед спектрометром М1.

 

Таблица 1.

Толщина радиатора перед М1 t (Xo)	Энергия позитронов в пучке Е (МэВ)	Разброс по энергии позитронов в пучке σ (%)	Интенсивность N (Гц)
0.05	200 300 500	13.1 11.8 9.6	230 250 180
0.2	200 300 500	11.2 10.1 8.6	340 450 280
0.5	200 300 500	12.8 11.4 9.5	750 940 540