Экспериментальное обнаружение и исследование объемного отражения протонов высокой энергии в изогнутых кристаллах Ю.М.Иванов (ПИЯФ) Сессия секции ядерной физики ОФН РАН Москва, ИТЭФ, 29 ноября 2007

Исследование началось с эксперимента в ИФВЭ по изучению многооборотного вывода протонного пучка из ускорителя У-70 с помощью короткого изогнутого кристалла ( )

Схема эксперимента на У-70

Кристаллы-полоски (ИФВЭ) Размеры 3 x 1 x 60 mm 3

О-кристаллы (ПИЯФ) Размеры 5 x 5 x 50 mm 3

Установка кристаллов в кольцо У-70

Полученные результаты Длина кристаллов по пучку 2-7 mm Эффективность вывода 20-85% Интенсивность выведенного пучка ~1x10 12 Радиационная стойкость ~10 20 (продолжает работать с эффективностью ~ 40%)

Зависимость эффективности вывода от длины кристалла

Как еще уменьшить длину изогнутого кристалла вдоль пучка? Использовать эффект упругой квазимозаичности.

В.М.Самсонов и Е.Г.Лапин, О нескольких возможностях и особенностях использования изогнутого кристалла в кристалл-дифракционных приборах, Препринт ЛИЯФ 587, 1980, Ленинград T – толщина пластины k 9 – изгиба коэффициент Изгиб = 2k 9 T

Эффект упругой квазимозаичности в кремнии: искривление плоскости (111), нормальной большим граням изгибаемой пластины Кривые качания до и после изгиба пластины на K α1 Mo Ю.М.Иванов, А.А.Петрунин и В.В.Скоробогатов, Письма в ЖЭТФ 81, 129 (2005) Зависимость коэффициента k 9 от угла выреза пластины для радиуса изгиба 1 м Ориентация пластины относительно атомных плоскостей

Изгибающее устройство

Схема эксперимента на выведенном пучке протонов с энергией 70 ГэВ в ИФВЭ (2002) Crystal 1 Magnets Crystal 2 Emulsion 1 S1 S2 S3 Background Channeled_1 30 m 35 m 4.6 m Collimator 1.3 m Emulsion 2 Channeled_2 70 GeV p-beam 5 m R=3 m

Элементы экспериментальной установки

Управление пучковым каналом Управление экспериментальной установкой

Найден каналированный пучок протонов

Профиль протонного пучка, прошедшего через кристалл, измеренный с помощью фотоэмульсии C – каналирование Почему A и В ?

Samples 0.3 mm and 2.7 mm with ~0.4 mrad bending angle

Sample 10 mm with ~100 μrad bending angle

Crystals for experiment on extraction of high entensive proton beam at IHEP Plane (111) Length along beam 2.65 mm Bending angle 400 μrad

Crystal mounted on station

Result Beam in the U-70 ring p Intensity of extracted beam p Efficiency 70%

Объяснение профиля пучка на фотоэмульсии Траектории протонов в горизонтальной плоскости

Эффекты каналирования, деканалирования, объемного захвата и объемного отражения в изогнутых кристаллах

Э.Н.Цыганов и др. (1979) Отклонение протонов изогнутым кристаллом

О.И.Сумбаев, В.М.Самсонов и др. (1982) Наблюдение эффекта объемного захвата

А.М.Таратин и С.А.Воробьев (1985) А.М.Таратин и С.А.Воробьев, ЖТФ 55, 1598 (1985) Объяснение эффекта объемного захвата через многократное рассеяние

О.И.Сумбаев (1986) О.И.Сумбаев, К теории объемного захвата протонов в режим каналирования изогнутыми кристаллами, препринт ЛИЯФ-1201, Ленинград, 1986 Первое упоминание об «отраженных» протонах

А.М.Таратин и С.А.Воробьев, 1987 A.M.Taratin and S.A.Vorobiev, Phys.Lett. A119 (1987) 425 and A.M.Taratin and S.A.Vorobiev, NIM in PR B26 (1987) 512 Предсказание отклонения отраженных частиц

Каналирование и объемное отражение в изогнутом кристалле

Расчет А.М.Таратина для протонов с энергией 400 ГэВ и толщины кристалла 1 мм. Угол отражения около 14 мкрад. Зависимость направления движения частицы от глубины проникновения

Каналирование в плоском кристалле (модель с прямоугольным потенциалом) U0U0 U0U0 U0U0 U0U0 θ1θ1 θ1θ1 Channeled ( Ландау и Лифшиц, Механика )

Каналирование и объемное отражение в изогнутом кристалле (модель с прямоугольным потенциалом) U0U0 U0U0 U0U0 U0U0 U0U0 θ1θ1 θ3θ3 θ2θ2 Reflected Channeled

Некоторые результаты опытов по кристаллической коллимации пучков на коллайдерах

LHC Project Report 918 (2006): The basic idea of crystal based collimation for the LHC is to use bent crystals for channelling and extracting the halo protons at 6 σ from the central beam orbit onto a special absorber where they hit with large offsets (impact parameters). Due to large extraction angles and high impact parameters the extracted halo protons can in principle be efficiently removed from the LHC beam. For example, a channelling and extraction efficiency of 90% would leave 10 times less load on the standard collimation system, enhancing its performance by a factor of 10.

Crystal collimation at RHIC (BNL-IHEP, )

Crystal collimation at RHIC STAR

Volume capture occurs when the crystal angle is between 900 and 1200 μrad. At these angles, the particles are not aligned to the planes upon entering the crystal, but can scatter into the planes after traversing some distance in the crystal. Phys.Rev.ST, 9, (2006) 40 turns Crystal collimation at RHIC

Crystal collimation at RHIC (slide from report of A. Drees to CC-2005 at CERN, March 7-8, 2005)

Crystal collimation at Tevatron ring (Fall 2005)

А.М.Таратин (1995) Раскачка бетатронных колебаний за счет эффекта объемного отражения

Volume Reflection of 1-GeV Protons by a Bent Silicon Crystal Yu.M.Ivanov, N.F.Bondar, Yu.A.Gavrikov, A.S.Denisov, A.V.Zhelamkov, V.G.Ivochkin, L.P.Lapina, S.V.Kosyanenko, A.A.Petrunin, V.V.Skorobogatov, V.M.Suvorov, A.I.Shchetkovsky (PNPI) A.M.Taratin (JINR) W.Scandale (CERN) Published in JETP Letters, 2006, Vol. 84, No. 7, pp. 372–376.

Layout of the experiment with 1 GeV protons at PNPI, Gatchina Beam divergence ~ 160 μrad Beam size ~ 0.08 mm Critical angle for channeling ~ 170 μrad Crystal length along beam ~ 30 μm Bend angle of (111) planes ~ 380 μrad

Collimator Crystal mounted on goniometer

Horizontal profiles of the p-beam vs. crystal angle measured with PPC p-beam reflection channeling p-beam Crystal angle, step 62.5 μrad Channel number, step 200 m

Beam profiles measured with scintillators Beam profile in the angular position of the crystal that corresponds to the maximum channeling. Beam profile in the angular position of the crystal that corresponds to the maximum volume reflection.

Results Deflection angle of reflected protons: 2 R ~ 240 rad = 1.4 c Probability of the volume reflection: P R ~ 0.7 Probability of the volume capture: P VC ~ 0.3

Channeling experiment with 400 GeV protons at SPS CERN (H8-RD22 Collaboration, 2006) H8 beam line FAR_DETECTOR area CRYSTAL area

Result with crystal ST4

Наблюдение эффекта объемного отражения от двух кристаллов (H8-RD22, 2007)

QM2+QM1

QM2

Channeling angle ( ) μrad Volume reflection deflection ( ) μrad Volume capture ε ( ) %

QM1

Channeling angle ( ) μrad Volume reflection deflection ( ) μrad Volume capture ε ( ) %

Кристаллы не выстроены Кристаллы выстроены

QM2+QM1 Channeling angle Volume reflection deflection ( ) μrad Volume capture ε (5 1) %

Наблюдение эффекта объемного отражения от пяти кристаллов (H8-RD22, 2007)

Кристаллы не выстроены Кристаллы выстроены ~55 мкрад

Многополосковый кристалл (8 стрипов), разработан в ИФВЭ ~70 мкрад

Другие результаты в 2007 Аксиальное каналирование и объемное отражение в изогнутом кристалле Каналирование, объемное отражение и радиация электронов и позитронов с энергией 180 ГэВ Каналирование и объемное отражение в кристаллах с разным Z (алмаз, германий)

Планы в Продолжить исследование эффективности каналирования и многократного объемного отражения для применения в системе коллимации пучков LHC Провести эксперименты в кольцах SPS, Tevatron и LHC