CC BY
43
УДК 533.9.01+533.922+539.189.2
РУДАКОВ Александр Юрьевич, младший научный сотрудник сектора электронного охлаждения лаборатории ядерных проблем имени В.П. Джеле-пова Объединенного института ядерных исследований, ассистент базовой кафедры Московского института радиотехники, электроники и автоматики. Автор 9 научных публикаций
ЕСЕЕВ Марат Каналбекоеич, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической физики Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Автор 46 научных публикаций, в т. ч. одного учебно-методического пособия
КОБЕЦАндрей Геннадиевич, научный сотрудник сектора электронного охлаждения лаборатории ядерных проблем имени В.П. Джелепова Объединенного института ядерных исследований. Автор более 20 научных публикаций
МЕШКОВ Игорь Николаевич, доктор физикоматематических наук, профессор, советник дирекции Объединенного института ядерных исследований, член-корреспондент Российской академии наук. Автор более 370 научных публикаций, в т.ч. 2 монографий, 3 учебных пособий
ПИВИН Роман Владимирович, младший научный сотрудник сектора электронного охлаждения лаборатории ядерных проблем имени В.П. Джелепова Объединенного института ядерных исследований. Автор более 20 научных публикаций
СОБОЛЕВА Людмила Валентиновна, старший инженер сектора электронного охлаждения лаборатории ядерных проблем имени В.П. Джелепова Объединенного института ядерных исследований
ЯКОВЕНКО Сергей Леонидович, кандидат физико-математических наук, начальник сектора электронного охлаждения лаборатории ядерных проблем имени В.П. Джелепова, старший преподаватель базовой кафедры Московского института радиотехники, электроники и автоматики «Электроника физических установок» Объединенного института ядерных исследований. Автор 30 научных публикаций
НОВОЕ РАЗВИТИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЗИКИ ПОЗИТРОНИЯ*
В Объединенном институте ядерных исследований (Дубна) сооружен и вводится в действие накопитель позитронов с электронным охлаждением LEPTA (Low Energy Particle Toroidal Accumulator). Накопитель является генератором направленных потоков ортопозитрония (o-Ps), который генерируется при рекомбинации пучка позитронов, циркулирующих в накопителе, с однопролетным электронным пучком.
Позитроний, накопитель, электронное охлаждение, спектроскопия позитрония
1. Установка LEPTA. Основное назначение накопителя LEPTA (рис. 1) - генерация интенсивного потока позитрония для прецизионного измерения его характеристик. Накопитель
состоит из двух тороидальных соленоидов и двух прямолинейных, соединенных в кольцо. На одном из двух прямолинейных участков соленоиды имеют форму цилиндра круглого сече-
* Работа поддержана грантами РФФИ № 09-02-90731 и № 09-02-00084.
Рис. 1. Схема накопителя LEPTA: 1 - источник позитронов, 2 - позитронная ловушка, 3 - секция инжекции позитронов, 4 - септумные соленоиды, 5 - кикер (расположен внутри септумного соленоида), 6 - тороидные соленоиды, 7 - соленоид и квадрупольная катушка, 8 - секция электронного охлаждения, прямолинейный соленоид, 9 - анализирующий магнит, 10 - детектор, 11 - электронная пушка, 12 - коллектор электронов, 13 - вакуумный насос
ния, на другом участке - форму цилиндра с эллиптическим сечением, так называемые септумные соленоиды. Электронная пушка, коллектор и источник позитронов расположены внутри дополнительных соленоидов. Все соленоиды окружены общим магнитным экраном. Вакуумная камера расположена внутри соленоидов. Однооборотная инжекция позитронов осуществляется при помощи электрического кикера.
Позитроны из инжектора (1,2) транспортируются по каналу (3) к септуму (4). Проходя через септум, позитроны под действием дополнительного поперечного поля смещаются в горизонтальной плоскости таким образом, что на выходе из септума они оказываются строго над равновесной орбитой. За септумом позитроны попадают в кикер (5), где смещаются в вертикальной плоскости вниз и попадают на равновесную орбиту. Кикер выключается после того, как позитроны заполнят весь периметр накопителя. Из кикера позитроны попадают в первый тор (6), в котором, кроме продольного магнитного поля, создано дополнительное вертикальное магнитное поле. Оно необходимо для компенсации центробежного дрейфа позитронов
в торе. В прямолинейной секции (7, 8) позитроны вначале проходят область со спиральным квад-рупольным магнитным полем (7), а затем попадают на участок электронного охлаждения (8). На этом участке и происходит рекомбинация электронов и позитронов с образованием позитрония (Ре). Электрически нейтральные атомы Ре выводятся в экспериментальный канал (9, 10). Позитроны после секции охлаждения попадают во второй тор (6), а затем в септум (4) и проходят его по равновесной траектории.
Электронный пучок инжектируется электронной пушкой, расположенной левее и ниже равновесной траектории позитронов. Проходя септум, электроны под действием поперечного магнитного поля септума смещаются в горизонтальной плоскости по направлению к равновесной траектории позитронов и попадают в кикер. Поскольку инжекция электронного пучка начинается после окончания инжекции позитрон-ного пучка, когда кикер уже выключен, электронный пучок проходит кикер без отклонения. На входе в первый тор электроны оказываются ниже позитронного пучка. Направление центробежного дрейфа в торе определяется знаком
заряда частиц. Поскольку дополнительное вертикальное магнитное поле компенсирует центробежный дрейф позитронов, для электронов оно имеет «обратное» направление, и, соответственно, их дрейфовое смещение удваивается. Параметры установки подобраны таким образом, что, проходя через первый тор, электроны поднимаются на траекторию позитронов на входе в прямолинейную секцию - пучки совмещаются. После прохода прямолинейной секции во втором торе они, благодаря дрейфу электронов, разделяются. Электронный пучок попадает в выводной канал септума и транспортируется в коллектор.
Фокусировка (удержание) заряженных частиц в накопителе LEPTA осуществляется продольным магнитным полем, которое присутствует на всей орбите циркулирующего пучка. Для формирования устойчивого движения по равновесной орбите дополнительно к продольному магнитному полю используется спиральное квадрупольное поле, которое формируется стеллараторной обмоткой (этот термин возник в физике плазмы, где для удержания плазмы в стеллараторах в дополнение к продольному магнитному полю используется спиральная мультипольная обмотка).
2. Проектные параметры установки.
Для экспериментов по прецизионным измерениям характеристик атомов позитрония требуется минимально возможный их разброс по углу и скорости. Например, для измерения времени жизни парапозитрония с относительной погрешностью меньше 1*10"4 (что вдвое меньше значения, достигнутого в настоящее время) относительный разброс по скорости не должен превышать 10"4.
Специфической особенностью накопителя с продольным магнитным полем является то, что электронное охлаждение циркулирующих позитронов уменьшает их температуру, но при этом не меняет поперечный размер пучка. Каждый позитрон охлаждается, оставаясь «привязанным» к своей силовой линии магнитного поля. Поэтому разброс позитронов по скоростям определяется перепадом потенциала собственного поля электронного пучка на радиусе пучка позитронов. Эта разность потенциалов определяется степенью естественной нейтрализации пучка, зависящей от геометрии вакуумной камеры (вариации ее поперечного размера вдоль орбиты позитронов).
3. Основные задачи проекта. Первой физической задачей, которую предстояло ре-
ПРОЕКТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ НАКОПИТЕЛЯ LEPTA
Периметр, м 16,8
Энергия позитронов, кэВ 4 10
Период обращения, не 500...300
Продольное магнитное поле, Гс 400
Большой радиус тороидов, м 1,45
Градиент спирального квадрупольного поля, Гс/см 10
Радиус позитронного пучка, см 0,5
Количество циркулирующих позитронов 10*
Давление остаточного газа, Topp Ю-10
Система электронного охлаждения
Длина секции охлаждения, м 4
Ток пучка электронов, А 0,5
Радиус электронного пучка, см 1
Параметры пучка ортопозитрония
Интенсивность, атом/сек 104
Угловая расходимость, мрад 1
Разброс по энергиям 10'J
шить на накопителе LEPTA, было достижение длительного времени циркуляции в нем частиц. До сих пор было несколько попыток создания подобных накопителей, но ни в одном из них не было достигнуто достаточно длительное время циркуляции [1].На накопителе LEPTAудалось значительно продвинуться в решении этой задачи.
Второй задачей является электронное охлаждение позитронов и генерация позитрония. Ее успешное решение позволит осуществить постановку уникальных экспериментов на направленных потоках позитрония:
1. Проверка СРТ - теоремы, сохранения СР и Р;
2. Квантовая электродинамика в системе позитрония;
2.1. Спектроскопия позитрония;
2.2. Измерение времени жизни парапозитрония;
2.3. Измерение времени жизни ортопозитрония;
3. Поиск легких, нейтральных бозонов (легкого аксиона);
4. Проверка гипотезы «Зеркальной вселенной» (Темная материя) [2].
В физике позитрония [3] в первую очередь можно выделить проблему прецизионных измерений параметров схемы распада (аннигиляции) позитрония. При постановке экспериментов на остронаправленных, моноэнергич-ных, интенсивных потоках позитрония в вакууме исключается влияние среды, неизбежное при традиционных методах генерации позитрония в мишенях. Генерация парапозитрония (p-Ps) будет осуществляться после вывода пучка ортопозитрония (o-Ps) из накопителя на контролируемых переходах в магнитном поле.
Это позволяет провести эксперименты по прецизионному измерению времени жизни орто- и парасостояний позитрония с точностью, недоступной ранее, установить вероятность распадов с нарушением закона сохранения момента и зарядовой инвариантности, существенно улучшить точность измерения параметров легкого аксиона, гипотетически ответственного за расхождение между экспериментальным и теоретическим временем жизни ортопозитрония. Предлагаемая схема проведения экспериментов позволит осуществить прецизионное измерение тонкой структуры и лэмбовского сдвига в спектре ортопозитрония на потоке атомов методом атомного интерферометра.
4. Статус проекта. Источник позитронов. В июле 2009 года введен в эксплуатацию новый источник позитронов на основе изотопа Na22, переданный в Объединенный институт ядерных исследований безвозмездно из института iThemba Labs (ЮАР). Эксперименты по формированию потока медленных позитронов в инжекторе LEPTA подтвердили эффективность созданной конструкции замедлителя: параметры спектра позитронов были оптимизированы подбором слоя замедлителя - намороженного неона {рис. 2).
Время жизни циркулирующего пучка в накопителе. Измерение времени жизни циркулирующего пучка в накопителе проводилось на тестовом электронном пучке. В 2005 году в накопителе впервые получен циркулирующий электронный пучок.
После коррекции продольного магнитного поля и улучшения вакуума удалось существенно увеличить время жизни пучка в накопителе (рис. 3).
U_anal, V
a) d=10mcm
U anal, V
б) d=50mcm
Рис. 2. Интегральный спектр позитронов на выходе из источника, фитированный функцией ошибок: максимум гауссового распределения соответствует энергии позитронов 8,8(а) и 5,5(6) эВ, а ширина спектра - 3,8(а) и 2,3(6) эВ соответственно.
со
£
120
0
£ 100 i—
&
^ 80
60
40
20
0
\ 5
3
% 4 \
%
1 2 % v
f 05 * < ь
1 3 5 7 9 11
Energy, keV
Рис. 3. Зависимость времени жизни электронного пучка, циркулирующего в накопителе, от энергии электронов: 1,2- первые результаты (2005); 3, 4 - после ввода в действие «шин обратного тока»; 5 - после коррекции поля на стыках соленоидов и улучшения вакуума (2009)
Список литературы
1. Модифицированный бетатрон / И.Н. Мешков, А.О. Сидорин, И.А. Селезнев и др. IIЭЧАЯ. 2005. Т. 36, №5. С. 1071-1133.
2. Окунь Л.Б. Зеркальные частицы и зеркальная материя: 50 лет гипотез и поисков IIУФН. 2007. Т. 177, № 4. С. 397-406.
3. Мешков И.Н. Экспериментальные исследования физики антиводорода и позитрония. Проблемы и возможности/ЭЧАЯ-11. 1997. Т. 28, №2. С. 495-540.
Rudakov Alexandr, Eseev Marat, Kobets Andrey, Meshkov Igor, Pivin Roman, Soboleva Lyudmila, Yakovenko Sergey
NEW DEVELOPMENT OF THE EXPERIMENTAL STUDIES OF POSITRONIUM PHYSICS
The LEPTA facility (Low Energy Positron Toroidal Accumulator) has been constructed and is being put into operation at the JINR (the Joint Institute for Nuclear Research, Dubna). The LEPTA facility is a small positron storage ring equipped with the electron cooling system. The main goal of the facility is to generate an intense flux of orthopositronium atoms (o-Ps) - the bound state of electron and positron.
Контактная информация: Рудаков Александр Юрьевич e-mail\ rudakov@jinr.ru Есеев Марат Каналбекович e-mail: eseev.marat@pomorsu.ru Кобец Андрей Геннадиевич e-mail: kobets@jinr.ru Мешков Игорь Николаевич e-mail: meshkov@jinr.ru Пивин Роман Владимирович e-mail: pivin@jinr.ru Соболева Людмила Валентиновна e-mail: soboleva@jinr.ru Яковенко Сергей Леонидович e-mail: yakoven@jinr.ru
Рецензент - Матвеев В.И., доктор физико-математических наук, профессор кафедры теоретической физики Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова
