КАМЕРА ДЛЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ АТОМОВ МИШЕНИ Российский патент 1996 года по МПК H05H6/00 

Предложение относится к экспериментальной ядерной физике, может быть использовано в исследованиях процессов ядерных взаимодействий, возникающих при облучении ядер мишени элементарными частицами, и предназначено для поляризации атомов с помощью технических средств.

В экспериментах по изучению ядерных процессов существенную роль играет состояние мишени в момент ее бомбардировки пучком элементарных частиц. Известно предложение, согласно которому мишень создают в виде газовой струи, полученной с помощью сопла и направляемой в дальнейшем к области взаимодействия с пучком ускоренных частиц [1] Продукты взаимодействия конденсируются на коллекторах, установленных вблизи области взаимодействия и охлаждаемых жидким гелием.

Однако использование сопла предполагает выбор исходной мишени в газообразном состоянии, чему характерны малая плотность атомов в струе и большой расход газа, особенно при использовании импульсных пучков ускорителя частиц.

Известно устройство для создания мишени в виде парометаллической струи [2] Струя возникает в результате испарения мишени в тигле устройства и направлении продуктов испарения (пара) через прогреваемые паропровод и сопло. Ее направляют к каналу ввода пучка ускоряемых частиц в область взаимодействия атомов мишени с пучком. Пары мишени и продукты взаимодействия конденсируются на охлаждаемом коллекторе. Благодаря введению эффективного подогревателя пара струйная мишень позволяет расширить диапазон используемых для образования струи материалов, охватывающий прежде всего класс легкоплавких веществ.

Устройство позволяет создать улучшенный вакуумный режим за счет эффективной конденсации паров металла на коллекторе. Однако в этом устройстве мала плотность атомов в струе, достаточно узок диапазон веществ, используемых для образования струйной мишени, и большой расход пара в импульсном режиме источника бомбардирующих частиц. Не предусмотрена замена материалов мишени.

В ряде задач экспериментальной ядерной физики требуется создание специфических условий облучения мишени, например поляризовать ее атомы в момент бомбардировки. Поляризация позволяет выявить уникальную информацию о процессах ядерных взаимодействий, например выявить принципиально новую информацию. Перечисленные выше известные предложения не предусмотрены для поляризации атомов мишени.

Наиболее близок к заявляемой следует считать камеру для поляризации атомов мишени [3] которая содержит герметизированный корпус, установленный внутри корпуса мишенедержатель, магнитные катушки Гельмгольца, установленный вне корпуса импульсный перестраиваемый лазер на красителе родамине В, размещенные на его оптической оси диафрагму, линейный поляризатор, λ/4-пластинку в четверть длины волны для пропускания лазерного излучения. Камера предусмотрена для ввода облучающего мишень пучка ядерного излучения, снабжена каналом для вывода излучения после взаимодействия пучка с мишенью или съема информации о продуктах взаимодействия и оптическим окном для излучения лазера. Линейный поляризатор и λ/4-пластинка вызывают циркулярную поляризацию импульса лазерного излучения. Лазер используется с длительностью 10^-8 с и мощностью в импульсе порядка 15 кВт. При использовании мишени из атомов ²²Na и ²⁴Na длина волны поляризованного излучения подбиралась равной 589,6 нм. Степень получаемой поляризации ядер порядка 10% в каждом импульсе.

Теоретически последовательным облучением ядер мишени импульсами лазерного излучения возможно достичь поляризацию, близкую к 100% Но из-за деполяризации атомов мишени реально достигается степень поляризации значительно меньше 100% Ухудшению степени деполяризации способствует то обстоятельство, что не все ядра мишени испытывают резонансное возбуждение, часть атомов адсорбирована стенками мишенедержателя или находятся в виде примесных соединений.

В известной конструкции перестраиваемый лазер на красителе выполняет совмещенные функции по испарению материала мишени и поляризации атомов в образовавшемся "паровом" облаке. Это несомненное достоинство, однако, как установлено, оно оборачивается существенным недостатком для конечного технического результата состояния и степени поляризации пароструйного облака в момент его облучения излучением источника.

Отмеченный выше недостаток обусловлен следующими причинами. Для получения пароструйного облака лазерное излучение должно быть сфокусировано непосредственно на поверхность мишени. Параметры облака (его плотность, форма и размеры), таким образом, зависят от мощности лазерного излучения в импульсе. В то же время степень поляризации атомов в облаке также зависит от мощности лазерного излучения и является маловероятной из-за неоднородности по плотности пароструйного облака, чтобы для обоих процессов мощность лазерного излучения была оптимальной. Кроме того, процессы поляризации и образования пространственно разделены. Это является одной из существенных причин, почему фактическая степень поляризации, достигнутая в известной камере, значительно ниже предсказуемой.

Сущность заявленного предложения заключается в использовании двух лазеров для осуществления пространственно несовмещенных процессов и некоторых других особенностей заявляемой камеры для оптимизированной поляризации атомов мишени.

На чертеже представлена камера для поляризации атомов мишени с элементами работообеспечения.

Камера содержит герметизированный вакуумируемый корпус 1. Корпус имеет канал 2 ввода облучающего пучка 3 от источника 4 (например, ускорителя частиц), зону облучения (на чертеже выделена пунктирными линиями), ячеистый мишенедержатель 5, укрепленный на корпусе. Ячейки мишенедержателя снабжены гнездами для установки материала мишени 6 в виде таблеток. Наружная поверхность таблеток образует в исходном состоянии плоскость, параллельную оси 7 канала ввода пучка ускоренных частиц и установлена на расстоянии d от оси 7. Каждая ячейка мишенедержателя снабжена механизмом 8 перемещения ячеек перпендикулярно оси канала на ±Δd, где d и ±Δd выбирают экспериментально исходя из конкретных условий эксперимента. Напротив каждой ячейки мишенедержатель установлен охлаждаемый коллектор 9 продуктов взаимодействия и/или паров мишени. Ячейки и коллекторы 9 установлены в корпусе с внутренней стороны в зоне облучения.

Для работообеспечения камеры она снабжена двумя импульсными лазерами: лазером 10 и перестраиваемым лазером 11 на красителе. В зависимости от решаемой задачи в качестве дополнительного лазера 10 также может быть использован перестраиваемый лазер на красителе. Оптическая ось 12 лазера 10 направлена на мишенедержатель, а ось 13 лазера 11 на зону взаимодействия (на чертеже оси 12 и 13 совпадают с направлением лучей от лазеров). Лазер 10 снабжен полупрозрачным (пропускающим и преломляющим излучением лазера) зеркалом 14 и диафрагмой 15. Лазер 11 снабжен зеркалом 16, системой 17 сканирования, диафрагмой 18, поляризатором 19 (циркулярным или плоским) и пластинкой 20 в четверть длины волны (для циркулярного поляризатора). Оба лазера снабжены системой сканирования для обеспечения сканирования: дополнительным лазером поверхности мишени, а основным лазером зоны пароструйного облака, возникающего вблизи мишени под действием излучения дополнительного лазера. Пластина толщиной в четверть длины волны устанавливается с возможностью вывода из области распространения лазерного луча.

Лазеры 10 и 11, а также система 21 управления и запуска источника 4 пучка ускоренных частиц снабжены линиями 22 и 23 задержки и синхронизации соответственно. В корпусе выполнены оптические окна 24 и 25 для ввода лазеров 10 и 11 (лазер 10 также снабжен системой сканирования), а также канал 26 вывода излучения после взаимодействия пучка с мишенью и съема информации о продуктах взаимодействия. Для регистрации продуктов взаимодействия поляризованных атомов с ускоренными частицами используют позиционно чувствительный детектор 27. На корпусе 1 с внешней стороны установлены магнитные катушки 28 с охватом зоны взаимодействия для формирования ориентированных ядер в мозаичных мишенях.

На чертеже приведены также (без позиций) пароструйное облако, зона его сканирования излучением перестраиваемого лазера с фронтом луча сканирования.

Камера работает следующим образом.

В зависимости от целей эксперимента в ячейках мишенедержателя устанавливают таблеточные мишени из совпадающих и/или отличающихся по свойствам материалов. Предварительно определяют параметры линий 22 и 23 задержек лазеров 10, 11 и системы 21 управления и запуска источника 4. По стартовому сигналу сначала запускают лазер 10. Его излучение направляют на одну из ячеек мишенедержателя 5 (вернее не ее мишень). За счет быстрого прогревания поверхности мишени струеобразно возникает паровое облако из атомов мишени. Оно, как правило, распределяется преимущественно по нормали к поверхности мишени (мишенедержателя) и имеет форму эллипсоида.

По достижении облаком зоны прохождения пучка ускоренных частиц запускается лазер 11. Его длина волны предварительно резонансно настраивается на выбранный материал мишени. Для натрия λ_рез= 589,6 нм. Необходимая задержка запуска осуществляется длиной прохождения луча накачки от лазера 10, направляемого на вход лазера 11 с помощью зеркал 14 и 16. Лазерное излучение перестраиваемого лазера "пронизывает" облако ядер мишени именно в зоне взаимодействия и подготавливает его с максимальной степенью поляризации к моменту его пересечения пучком ускоренных частиц. Время запуска источника 4 регулируется линией 22 задержки и синхронизации, время отсчитывается от времени запуска лазера 11. Лазерными лучами сканируют соответственно мишень (лазером 10) и облако атомов (лазером 11), поддерживая постоянными необходимые условия работы.

По мере исчерпания ресурса одной из мишеней для сканирования выбирают другую мишень из того же материала или при необходимости выбора другого материала сканируют мишень из выбранного материала. Соответственно выбирают зону сканирования и для перестраиваемого лазера.

Облако пара в форме эллипсоида при разлете пересекает траекторию пучка ускоренных частиц, и происходит взаимодействие частиц с атомами выбранного материала. Расстояние между поверхностью мишеней (мишенедержателей) и осью пучка выбрано таким, чтобы в месте пересечения реализовалась заданная плотность атомов мишени. Задержки момента прохождения частиц относительно начала взаимодействия выбирают исходя из того, чтобы пары атомов мишени прошли расстояние от поверхности мишени до траектории частиц, чтобы к этому моменту зону пересечения поляризовать максимально.

Мощность и расходимость лучей лазера, а также фокусировку луча лазера 10 выбирают такими, чтобы на мишень воздействовать излучением плотностью g > 10⁶ Вт/см². При этом материал мишени в зоне воздействия интенсивно испаряется и разлетается со скоростью ≈10²·g^1/2 см/с преимущественно вдоль нормали к мишени, принимая форму эллипсоида. Длина большей оси эллипсоида через время t с после начала лазерного импульса составляет ≈10²·t·g^1/2 см, а количество атомов в нем 3·10¹⁷ Е_л, где Е_л энергия импульса лазера 10, выраженная в Джоулях. Через временную задержку относительно начала импульса излучения лазера, равную 10^-2·d·g^-1/2 с, образовавшееся облако проходит расстояние d см от подложки до проходящего пучка бомбардирующих частиц и подвергается ими облучению. Далее после прохождения через пучок струя пара попадает на один из коллекторов 9 и конденсируется на нем, не ухудшая вакуумный режим в камере. В дальнейшем сконденсированное вещество может быть использовано повторно.

По изменении траектории бомбардирующих частиц или регистрации продуктов взаимодействия, осуществляемой позиционно-чувствительным детектором, из процессов взаимодействия можно извлечь необходимую информацию о параметрах взаимодействия.

Камера позволяет за короткое время заданным образом и в широких пределах варьировать плотность струи атомов мишени путем изменения расстояния d и энергии лазерного излучения. Причем расстояние можно регулировать не только электрическими (схемными) параметрами системы работообеспечения камеры, но и геометрическим образом с помощью механизма 8.

Благодаря использованию второго лазера степень поляризации в зоне взаимодействия облака с пучком может быть достигнута близкой к теоретической. Причем для процессов с различающимися периодами полураспада продуктов взаимодействия можно использовать циркулярную (для быстрых) и плоскую (для более медленных процессов).

При характерных параметрах лазера: энергии 0,5 Дж, длительности 333 нс, расходимости 10^-3 рад, площади пятна фокусировки 1 мм², плотности излучения 10⁹ Вт/см на подложке образуется сгусток плазмы, содержащий 3·10¹⁷ атомов и разлетающийся со скоростью 3·10⁶ см/с. К концу лазерного импульса плазменный сгусток в виде вытянутого вдоль нормали к мишенедержателю (подложке) эллипсоида имеет размеры 5 мм с плотностью 3·10¹⁸ атомов/см³.

Когда площадь пятна фокусировки составляет 10 мм² (g 10⁸ Вт/см²), сгусток, содержащий такое же количество атомов, разлетается со скоростью ≈10⁶ см/с. К концу лазерного импульса мишенное облако имеет размеры 2 мм с плотностью 10¹⁹ атомов/см³. При фокусировке лазерного излучения, например, цилиндрической линзой в виде полосы на подложке размерами 1х10 мм², ориентированной вдоль траектории пучка бомбардирующих частиц, поперечная плотность пароструйного облака составляет 10¹⁹ атомов/см² или 0,6 мг/см² (для атомов титана). Такая плотность для экспериментов считается достаточно высокой.

Камера имеет большой диапазон используемых материалов для получения импульсной пароструйной мишени. Это могут быть металлы, диэлектрики, твердые тела и жидкости, а также замороженные на ячейках газы. При этом количество примесей в отличие от аналога определяется лишь чистотой материала мишени.

В заявляемой камере обеспечиваются пространственно несовмещенные процессы: процесс образования атомов и процесс их поляризации, а также регулировки необходимым образом параметров мишенного облака и параметров поляризации поляризующего (лазерного) излучения. Это позволяет достичь высокую степень поляризации атомов, близкую к 100% плотность атомов любого элемента таблицы Менделеева 10¹⁹ атомов/см³ и экономный импульсный расход дорогостоящего материала мишени при работе с импульсными источниками бомбардирующих частиц, например с ускорителем.

Использование: в исследованиях процессов ядерных взаимодействий как средство для поляризации атомов мишени при ее облучении ускоренными частицами. Сущность изобретения: камера для поляризации атомов мишени содержит герметизированный корпус, снабженный зоной облучения мишеней, установленных в автономных ячейках мишенедержателя, каналами ввода ускоренных частиц, вывода частиц после взаимодействия, оптическими окнами для ввода лазерного излучения от двух лазеров: импульсного лазера для разогрева и испарения мишени при ее сканировании лучом лазера и импульсного перестраиваиваемого лазера для поляризации пароструйного облака, возникающего под действием излучения первого лазера. Камера содержит также магнитные катушки для ориентированных ядер, охлаждаемые коллекторы для сбора атомов мишени и продуктов их взаимодействия с ускоренными частицами, механизм перемещения ячеек мишенедержателя, линии задержки и синхронизации моментов запуска перестраиваемого импульсного лазера и ускорителя заряженных частиц, а также средства формирования лазерных лучей для облучения и сканирования соответствующих объектов в зоне облучения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. КАМЕРА ДЛЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ АТОМОВ МИШЕНИ, содержащая герметизированный корпус, в котором установлен мишенедержатель по меньшей мере с одной мишенью, электромагнитные катушки, установленный вне корпуса основной импульсный перестраиваемый лазер с размещенными на его оптической оси диафрагмой и поляризатором лазерного излучения, причем корпус снабжен каналом ввода облучающего пучка, каналом вывода излучения, возникающего при взаимодействии пучка с пароструйным облаком мишени, и съема информации о продуктах взаимодействия, а также оптическим окном для ввода излучения лазера, отличающаяся тем, что камера содержит дополнительный импульсный лазер, установленный вне корпуса, при этом мишенедержатель выполнен с мозаичным расположением автономных ячеек для установки плоских мишеней из совпадающих и/или различающихся по свойствам материалов, причем плоская поверхность мишеней, установленных в мишенедержателе, параллельна оси пучка, мишени установлены с возможностью параллельного перемещения относительно оси симметрии камеры, при этом корпус дополнительно снабжен вторым оптическим окном, оба лазера снабжены системами сканирования для обеспечения сканирования поверхностей мишеней излучением дополнительного лазера и сканирования зоны пароструйного облака, образующегося вблизи мишеней под действием излучения дополнительного лазера, излучением основного лазера, причем лазеры соединены с источником облучающего пучка через линии задержки и синхронизации. 2. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена коллекторами продуктов взаимодействия и/или паров мишени, установленными в корпусе напротив соответствующей ячейки мишенедержателя. 3. Камера по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что в качестве дополнительного импульсного лазера использован перестраиваемый лазер на красителе.