Поляризованные протонные мишени для высокоинтенсивных пучков Алексей Прудкогляд Протвино 2 марта 2005

Какие бывают поляризованные протонные мишени (ППМ). 1.Твердотельные ППМ для экспериментов на выведенных пучках Замороженные ППМ (рефрижератор растворения 3 Не – 4 Не): мишени для экспериментов ПРОЗА – РАМПЭКС ИФВЭ [1], SMC- COMPASS CERN [2,3] и др ППМ с постоянной накачкой поляризации при Т = К (рефрижератор откачки 3 Не) [4,5] ППМ с постоянной накачкой поляризации при Т = К (рефрижератор откачки 4 Не) [6]. 2.Струйные поляризованные мишени атомарного водорода для экспериментов на внутренних пучках. ( см. доклад Д.К. Топоркова)

1.1. Замороженные ППМ [1,2,3]. --- Вещества : спирты (пропандиол, бутанол) с парамагнитной примесью Cr(5). --- Криостат растворения Не 3 – Не 4 : Тнак = 0.3 К, Тзам = 0.03– 0.06 К. --- Магнит: Н = 2.5 Тл с однородностью поля в области мишени < СВЧ – генератор: f = 70 ГГц, Р = 5.0 Вт, Рнак = 1–1.5 мВт/г --- Q-метр для измерения поляризации: f = 107 МГц. --- Поляризация: +/- (80-85) %. В замороженном режиме (Т 1000 часов В ЗППМ предельные интенсивности пучков ограничены перегревом вещества мишени, приводящим к увеличению скорости разрушения поляризации. Это интенсивности ~ /см 2. с. [1] Yu.A. Usov, Nucl. Inst. and Meth. A 526 (2004), [2] J. Kyynarainen, Nucl. Inst. and Meth. A 356 (1995), 101 [3] N. Doshita, Nucl. Inst. and Meth. A 526 (2004),

1.2. ППМ с постоянной накачкой поляризации при Т = К (рефрижератор откачки 3 Не) [4,5] Вещества : спирты (пропандиол, бутанол) с парамагнитной примесью Cr(5). --- Рефрижератор откачки Не 3 : Т = 0.3 – 0.6 К, Р = до 250 мВт. --- Магнит: Н = 2.5 Тл с однородностью поля в области мишени < СВЧ – генератор: f = 70 ГГц, Р = 5.0 Вт, Рнак = 5 – 10 мВт/г --- Q-метр для измерения поляризации: f = 107 МГц. --- Поляризация: +/- ( 75 – 80 ) %. Предельные интенсивности пучков ограничены перегревом вещества мишени, приводящим к уменьшению степени поляризации. Это интенсивности ~ /см 2 с. Для бутанола критическая доза ~ /см 2 [7]. Восстановление, т.н. «отжиг», происходит при Т ~ 120 К в течение 30 мин. [4] R.C. Fernow and A.D. Krisch, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 31 (1982), 107. [5] M. Fukushima et. al., Nucl. Inst. and Meth. 275 (1977), 140. [7] M. Borgini et al., Nucl. Inst. Meth. 84 (1970), 168.

Вещество: замороженный и облученный аммоний – NH Плотност зам. d = g/cm 3, Т пл = С, 17.5 % Н. -- Доза облучения ~ е - /см 2 : ~ радикалов/см 3 [8]. --- Рефрижератор откачки Не 3 : Т = 0.3 – 0.6 К, Р = до 250 мВт. --- Магнит: Н = 2.5 Тл с однородностью поля в области мишени < СВЧ – система : f = 70 ГГц, Р = 5.0 Вт, Рнак = 60 – 80 мВт/г --- Q-метр для измерения поляризации: f = 107 МГц. --- Поляризация: +/- ( 60 – 65 ) %. --- Предельные интенсивности пучков ограничены перегревом вещества мишени и скоростью образования радиационных повреждений, приводящим к уменьшению степени поляризации. Это интенсивности ~ /см 2 с. --- Для облученного аммония критическая доза в ~ 50 раз больше чем в бутаноле и равна ~ /см 2 [9]. Восстановление, т.н. «отжиг», происходит при Т ~ 80 К в течение 40 мин [10]. [8] W. Meyer, et. al., Nucl. Inst. Meth. A 215 (1983), 65 – 69. [9] K.H. Althoff, et. al., in: W. Meyer (Ed.), Proc. of the 4th Int. Workshop PTM&T, UofBonn, 1984, p.23. [10] D.G. Crabb, D.B. Day, Nucl. Inst. Meth. A 356 (1995), 9.

Время накачки поляризации в облученном NH 3 при Т = 0.5 К ( 3 Не рефрижератор) и Н = 2.5 Тл [8] W. Meyer, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 215 (1983) 65.

1.3. ППМ с постоянной накачкой поляризации при Т = К (рефрижератор откачки 4 Не) [6]. --- Вещество: замороженный и облученный аммоний – NH 3. Доза облучения ~ е - /см 2 : ~ радикалов/см Рефрижератор откачки Не 4 : Т = 1.0 – 1.2 К, Р = 1 Вт. --- Магнит: Н = 5.2 Тл с однородностью поля в области мишени < СВЧ – система: f = 140 ГГц, Р = 20.0 Вт, Рнак = 70 – 80 мВт/г --- Q-метр для измерения поляризации: f = 21 МГц. --- Поляризация: + / - ( 90 – 95)% [11,12]. --- Критическая доза равна ~ /см 2. Восстановление, т.н. «отжиг», происходит при Т ~ 80 К в течение 40 мин. Это лучшие ППМ для работы на пучках частиц интенсивности до ~ /см 2. с. [11] M. Seely, et. al., Proc. of the HESP, Brookhaven, 1982, AIP Proc. No. 95, 1982, p [12] D.G. Crabb, et. al., Phys. Rev. Lett. 64 (1990), p

Зависимость поляризации мишени от накопленой дозы после «отжигов» [13]. При инт-сти пучка ~ /см 2. с доза часов работы на пучке. [13] L. De Marco, A. Brill, D. Crabb, J. Chem. Phys. 108 (1998), 1423.

О возможности создания ППМ с NH 3. Что для этого надо? И Сколько стоит? 1. Сверхпроводящий магнит: Н = 5.2 Тл, Н/Н < в объеме мишени с рефрижератор откачки 4 Не: Т = К, Р = 1 Вт K$.US 2. Источник питания магнита: I = 300 A, I/I < K$.US 4. СВЧ-система: f = 140 ГГц, Р = 20 Вт ( CPI Canada) K$.US или f = 93 ГГц, Р = 5 Вт ( «ИСТОК» Фрязино) ( альтер.) ( 170 K$.US) 5. Система контроля и измерения поляризации: Ливерпульский Q-метр f = 217 (160) МГц ? 40 K$.US 6. Установка для приготовления и облучения мишени из аммония, приготовление образцов и их облучение K$.US 7. Гелиевое оборудование и система откачки K$.US ~ 430 K$.US ? 8. Подготовка и эксплуатация: 4 специалиста (криогеника и вакуум, электроника, ЯМР и ЭПР – системы) 8. Обеспечение жидким гелием в сеансах 30 сут по 200 л/сут.: 6,000 л по 2.0 $/л на сеанс ~ 12 K$.US

Библиография [1] Yu.A. Usov, Nucl. Inst. and Meth. A 526 (2004), [2] J. Kyynarainen, Nucl. Inst. and Meth. A 356 (1995), 101 [3] N. Doshita, Nucl. Inst. and Meth. A 526 (2004), [4] R.C. Fernow and A.D. Krisch, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 31 (1982), 107. [5] M. Fukushima et. al., Nucl. Inst. and Meth. 275 (1977), 140. [6] D.G.Crabb, et. al., Observation of a 96% Proton Polarization in Irradiated Ammonia. Preprint UM HE 89-31, Dec.7, [7] M. Borgini, et al., Nucl. Inst. Meth. 84 (1970), 168. [8] W. Meyer, et. al., Nucl. Inst. Meth. A 215 (1983), 65 – 69. [9] K.H. Althoff, et. al., in: W. Meyer (Ed.), Proc. of the 4th Int. Workshop PTM&T, UofBonn, 1984, p.23. [10] D.G. Crabb, D.B. Day, Nucl. Inst. Meth. A 356 (1995), 9. [11] M. Seely, et. al., Proc. of the HESP, Brookhaven, 1982, AIP Proc. No. 95, 1982, p [12] D.G. Crabb, et. al., Phys. Rev. Lett. 64 (1990), p [13] L. De Marco, A. Brill, D. Crabb, J. Chem. Phys. 108 (1998), 1423.