Для измерения давлений порядка 10^-9 торр обычно используются различные типы вакуумметров, общим недостатком которых является зависимость их чувствительности от массы или заряда молекул (ионов). Для независимого измерения давления внутри вакуумной камеры накопителя ВЭПП-4М было предложено использовать тормозное излучение, образующееся при движении электронов в поле ядер и электронов атомов остаточного газа. Полученные значения в несколько раз отличаются от данных вакуумметров и хорошо согласуются с ними в характерах зависимостей от тока и энергии пучка.

Коллайдер ВЭПП-4М является частью ускорительно-накопительного комплекса ВЭПП-4М и используется для проведения различных экспериментов по физике высоких энергий, фотоядерной физике, работ, связанных с использованием синхротронного излучения. На нем расположены три экспериментальные установки (рис.1) – детектор КЕДР, РОКК-1М [1] и недавно заработавшие станции бункера СИ (не показаны). Коллайдер имеет следующие характеристики: максимальная энергия пучка – 6 GeV, период обращения в односгустковом режиме – 1.2 мкс, число частиц в сгустке ~ 10¹⁰. В настоящее время существует задача перехода коллайдера на работу с низкими энергиями (1-3 GeV), что требует изменения его режимов работы и определения различных параметров как самого пучка, так и его "среды обитания".

Одним из существенных параметров, влияющих на время жизни пучка, является давление остаточных газов внутри вакуумной камеры коллайдера. Кроме того, для работы детектора необходимо иметь как можно более высокий вакуум в месте встречи (в середине экспериментального промежутка), что повышает интерес именно к этому участку ускорительного кольца. Вакуум в экспериментальном промежутке ВЭПП-4М определяется с помощью вакуумметров ВМБ-8 и инверсно-магнетронных датчиков вакуума ПММ-46 с диапазоном измерения 10^-13-10^-4 торр и погрешностью -40% ¸ +80%.

Скорость счета g -квантов тормозного излучения линейно зависит от числа атомов, встречаемых пучком (т.е. от давления), и квадратично от Z атомных ядер остаточного газа. Таким образом, в этом способе измерения есть 2 неизвестных параметра – заряд ядер и давление.

Для определения среднего Z с помощью омегатронного масс-спектрометра ИПДО-1 с диапазоном регистрируемых масс 2-100 а.е.м. и порогом чувствительности 3× 10^-8 Па (2× 10^-10 торр) исследовался вопрос о спектральном составе остаточного газа. Был получен следующий результат (табл.1)

Что дает среднее значение .

где E₀ – энергия пучка, Eg - энергия g - кванта, Z – заряд ядра.

В приближении полного экранирования и E>>137m_ec²Z^-1/3, с учетом возможности излучения на атомных электронах:

где , r₀ – классический радиус электрона, a - постоянная тонкой структуры.

где N_nucl., n_nucl. - число и плотность атомов газа, N_e - число электронов в пучке (пересчитывается из известного тока пучка), – участок прямолинейного промежутка, расположенный под нулевым углом к оси пучков, тормозное излучение с которого попадает в регистрирующую систему (между поворотными магнитами М1), f - частота обращения пучка, T - температура, k - постоянная Больцмана. Константы: = 1221 cм, f = 819 кГц, r₀ = 2.82× 10^-13 см, k = 8.6× 10^-11 МэВ/К, T = 300 K.

Подставляя (2) и (3) в (1), в пересчете на ток пучка при Z = 1.22, получаем

(4),

где I - ток в мА, p - давление в 10^-9 торр (при таком разряжении газ считался идеальным и p=nkT), - скорость счета, в кГц.

Вычисленные по формуле (4) значения в 2.5 раза отличаются от показаний вакуумметров. Если же считать показания последних верными, то они дают значение Z » и .

Измерения проводились в основном на установке РОКК-1М (рис.2), где имеется возможность регистрации высокоэнергетичных g -квантов, вылетающих под нулевым углом к оси пучка, в частности g -квантов тормозного излучения. Для контроля использовалась система мечения детектора КЕДР [2] (т.е. измерялась скорость счета рассеянных и выбывших из пучка за счет тормозного излучения электронов).

Регистрация тормозного излучения проводилась с помощью пропорциональной камеры с конвертором, толщиной 0.5 рад. длин, и расположенном за ней кристаллом NaI(Tl). Система была настроена на регистрацию g - квантов с энергией выше 20 MeV, что давало возможность не учитывать фотоны синхротронного излучения и низкоэнергетичный фон от конверсионных частиц (для уменьшения фона последних на пути пучка g - квантов дополнительно находились очищающие магниты, уводящие заряженные частицы в стороны от системы регистрации). Для контроля координатного распределения пучка и совпадения размеров пучка и кристалла NaI(Tl) использовалась пропорциональная камера с разрешением ~200 мкм, работающая на смеси Ar/CO₂ (70/30). Ошибка от потери фотонов за счет раздувания пучка с ростом тока составляла менее 1% для тока меньше 3 мА и вырастала до 5% для 10 мА тока, что оказалось несущественным в данном случае.

Следует отметить, что набор статистики проходил в самых разнообразных условиях, в разных режимах работы ускорителя и в течение достаточно длительного промежутка времени. При этом различие в скорости счета при одних и тех же значениях тока, энергии и положении орбиты пучка оказывалось менее 1%, что также свидетельствует о стабильности состояния вакуума в экспериментальном промежутке.

1. G.Ya. Kezerashvili G. Ya. et al. Nucl. Instr. & Meth. B 145 (1998) 40.