Ждем Ваших писем...
   

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО ГАЗА В ВАКУУМНОЙ КАМЕРЕ КОЛЛАЙДЕРА ВЭПП-4М ПО СКОРОСТИ СЧЕТА g - КВАНТОВ ТОРМОЗНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Е.В. Кремянская, Л.А. Мироненко, А.И. Науменков

Институт Ядерной Физики им Г. И. Будкера СО РАН, Новосибирск

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".

Рис.1 Схема и основные характеристики коллайдера ВЭПП-4М.

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%.

В 1998 г. во время работы коллайдера возникла проблема с уменьшением времени жизни пучка, одной из причин которой могло быть ухудшение вакуума. При этом показания датчиков существенно не изменялись, что могло быть вызвано появлением внутри вакуумной камеры атомов тяжелых элементов (по массе тяжелее 100 а.е.м.), к которым вакуумметры мало чувствительны. Для решения этой задачи требовался независимый способ измерения вакуума и было предложено использовать тормозное излучение от движения электронов пучка в поле ядер и электронов атомов остаточного газа.

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)

Таблица. 1.

Спектральный состав газа в вакуумной камере экспериментального промежутка коллайдера ВЭПП-4М.

Газ

H2

CH4

N2,CO

Ar

CO2

Z/A

1 / 2

6;1 / 16

7;6;8 / 28

18 / 40

6;8 / 44

Содержание, %

94

3

2

0.3

0.3

Элемент

H

C

N

O

Ar

Содержание, %

96

2

1

0.7

0.1

Что дает среднее значение .

Количество тормозных g - квантов, излучаемых в единицу времени (скорость счета),

, (1)

где s - сечение процесса, L – его светимость.

Сечение тормозного излучения зависит от энергии пучка электронов и степени экранирования ядра атомными электронами. Параметр экранирования:

,

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

Экранирование существенно при e << 1 и при e >>1 им можно пренебречь (таких 2%).

В приближении полного экранирования и E>>137mec2Z-1/3, с учетом возможности излучения на атомных электронах:

, (2)

где , r0классический радиус электрона, a - постоянная тонкой структуры.

Cветимость процесса:

, (3)

где Nnucl., nnucl. - число и плотность атомов газа, Ne - 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).

Рис. 2. Схема установки РОКК-1М. L1, L2 ¾ квадрупольные линзы и M1, M2 ¾ поворотные магниты – элементы магнитной структуры коллайдера ВЭПП-4М, TS1-TS4 ¾ система мечения детектора КЕДР [2].

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.

Все измерения проводились для двух вариантов фоновых условий - до напыления Ti в качестве сорбирующей пленки и после (напыление дало улучшение вакуума в 4-5 раз). Измерения с омегатроном после напыления не проводились, т.к. парциальные давления большинства газов оказывались за пределами чувствительности прибора.

Полученные данные приведены на рис.3 и рис.4.

Рис.3 Кривые зависимости скорости счета тормозного излучения и вакуума, вычисленного по формуле (4), от тока пучка; 1-до напыления Ti, 2-после.

На рис.3 показана кривая зависимости давления от тока пучка. Она, как и следовало ожидать, линейна на всем диапазоне рассматриваемых токов. Верхняя кривая соответствует вакууму до напыления сорбирующей пленки Ti, нижняя - после напыления. При этом отношения значений верхней кривой к значениям нижней совпадали с данными вакуумметров.

На рис.4 показана кривая зависимости давления от энергии пучка. Можно заметить спад скорости счета (а значит, сечения), из чего следует, что изменения давления внутри вакуумной камеры за счет действия синхротронного излучения незначительны, т.е. гашения со стенок почти нет и камера внутри является очень чистой.

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.

Рис.4. Кривая зависимости вакуума от энергии пучка.

Подводя итоги можно сказать, что данный метод пригоден для определения вакуума в камере ускорителя (при наличие выведенного канала пучка g -квантов). Вопрос о точности результатов по сравнению с традиционными методами измерения по показаниям вакуумметров остается открытым, но в силу большой погрешности всех методов измерения высокого вакуума (до 100%), он заслуживает некоторого доверия.

В заключение хотелось бы поблагодарить руководителя группы установки РОКК-1М - Г.Я. Кезерашвили за чрезвычайно ценные комментарии к этой работе.

Литература

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

V.M. Aulchenko et.al. Nucl. Instr. & Meth. A 355 (1995) 261.

Ќ § ¤‚ ­ з «®
 

Copyright © 1999-2004 MeDia-security, webmaster@media-security.ru

  MeDia-security: Новейшие суперзащитные оптические голографические технологии, разработка и изготовление оборудования для производства и нанесения голограмм.Методика применения и нанесения голограмм. Приборы контроля подлинности голограмм.  
  Новости  
от MeDia-security

Имя   

E-mail

 

СРОЧНОЕ
ИЗГОТОВЛЕНИЕ
ГОЛОГРАММ!!!

г.Москва, Россия
тел.109-7119
vigovsky@media-security.ru

Голограммы.Голограммы
на стекле.Голограммы на
плёнке.Голографические
портреты.Голографические
наклейки.Голографические
пломбы разрушаемые.
Голографические стикеры.
Голографическая фольга
горячего тиснения - фольга полиграфическая.

HOLOGRAM QUICK PRODUCTION!!!
Moscow, Russia
tel.+7(095)109-7119
vigovsky@media-security.ru

Holograms. Holograms on glass. Holographic film. Holographic portraits. Holographic labels. Holographic destructible seals. Holographic stickers. Holographic foil for hot stamping - polygraphic foil.