Поляризованные протонные мишени для высокоинтенсивных пучков

1. Поляризованные протонные мишенидля высокоинтенсивных пучков Алексей Прудкогляд Протвино 2 марта 2005

2. Какие бывают поляризованные протонные мишени (ППМ). • Твердотельные ППМ для экспериментов на выведенных пучках. • 1.1. Замороженные ППМ (рефрижератор растворения 3Не – 4Не): мишени для экспериментов ПРОЗА – РАМПЭКС ИФВЭ [1], SMC- COMPASS CERN [2,3] и др.. • 1.2. ППМ с постоянной накачкой поляризации при Т = 0.5-0.6 К (рефрижератор откачки 3Не) [4,5]. • 1.3. ППМ с постоянной накачкой поляризации при Т = 1.0-1.2 К (рефрижератор откачки 4Не) [6]. • Струйные поляризованные мишени атомарного водорода для экспериментов на внутренних пучках. • ( см. доклад Д.К. Топоркова)

3. 1.1. Замороженные ППМ[1,2,3]. • --- Вещества : спирты (пропандиол, бутанол) с парамагнитной примесью Cr(5). • --- Криостат растворения Не3 – Не4 : Тнак = 0.3 К, Тзам = 0.03– 0.06 К. • --- Магнит: Н = 2.5 Тл с однородностью поля в области мишени < 1.10-4 . • --- 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 < 0.06 K) времена релаксации t > 1000 часов • В ЗППМ предельные интенсивности пучков ограничены перегревом вещества мишени, приводящим к увеличению скорости разрушения поляризации. • Это интенсивности ~ 107 - 108 1/см2.с. • [1] Yu.A. Usov, Nucl. Inst. and Meth. A 526 (2004), 153-156. • [2] J. Kyynarainen, Nucl. Inst. and Meth. A 356 (1995), 101 • [3] N. Doshita, Nucl. Inst. and Meth. A 526 (2004), 138-143

4. 1.2. ППМ с постоянной накачкой поляризации при Т =0.5-0.6 К (рефрижератор откачки 3Не) [4,5]. 1.2.1. Вещества : спирты (пропандиол, бутанол) с парамагнитной примесью Cr(5). --- Рефрижератор откачки Не3 : Т = 0.3 – 0.6 К , Р = до 250 мВт. --- Магнит: Н = 2.5 Тл с однородностью поля в области мишени < 1.10-4 . --- 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 ~ 1010 1/см2 с. Для бутанола критическая доза ~ 3.7.1014 1/см2 [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.

5. 1.2.2. Вещество: замороженный и облученный аммоний –NH3. -- Плотност зам. d = 0.817 g/cm3, Тпл= - 77.70 С, 17.5 % Н. -- Доза облучения ~1017е-/см2: ~ 1.1020радикалов/см3[8]. --- Рефрижератор откачки Не3 : Т = 0.3 – 0.6 К , Р = до 250 мВт. --- Магнит: Н = 2.5 Тл с однородностью поля в области мишени < 2.10-4 . --- 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 мишении скоростью образования радиационных повреждений, приводящим к уменьшению степени поляризации. Это интенсивности ~ 1011 1/см2 с. --- Для облученного аммония критическая доза в ~ 50 раз больше чем в бутаноле и равна ~ 6.6.10161/см2 [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.

6. Время накачки поляризации в облученном NH3при Т = 0.5 К (3Не рефрижератор) и Н = 2.5 Тл [8] W. Meyer, et al., Nucl. Instr. and Meth. A 215 (1983) 65.

7. 1.3. ППМ с постоянной накачкой поляризации при Т = 1.0-1.2 К (рефрижератор откачки 4Не) [6]. --- Вещество: замороженный и облученный аммоний –NH3. Доза облучения ~1017е-/см2: ~ 1.1020радикалов/см3. --- Рефрижератор откачки Не4 : Т = 1.0 – 1.2 К , Р = 1 Вт. --- Магнит: Н = 5.2 Тл с однородностью поля в области мишени < 1.10-4 . --- СВЧ – система: f = 140 ГГц, Р = 20.0 Вт, Рнак = 70 – 80 мВт/г --- Q-метр для измерения поляризации: f = 21МГц. --- Поляризация: + / - ( 90 – 95)% [11,12]. --- Критическая доза равна ~ 6.6.10161/см2 . Восстановление, т.н. «отжиг», происходит при Т ~80 К в течение 40 мин. Это лучшие ППМ для работы на пучках частиц интенсивности до ~1011 1/см2.с. [11] M. Seely, et. al., Proc. of the HESP, Brookhaven, 1982, AIP Proc. No. 95, 1982, p. 526. [12] D.G. Crabb, et. al., Phys. Rev. Lett. 64 (1990), p. 2627.

8. Зависимость поляризации мишени от накопленой дозы после «отжигов» [13]. При инт-сти пучка ~ 10111/см2.с доза 5.101514 часовработы на пучке. [13] L. De Marco, A. Brill, D. Crabb, J. Chem. Phys. 108 (1998), 1423.

9. О возможности создания ППМ с NH3. • Что для этого надо? И Сколько стоит? • 1. Сверхпроводящий магнит: Н = 5.2 Тл, Н/Н < 10-4 в объеме • мишени с рефрижератор откачки 4Не: Т = 1.0-1.2 К, Р = 1 Вт.----- 160 K$.US • 2. Источник питания магнита: I = 300 A, I/I< 10-4 -------------- 10 K$.US • 4.СВЧ-система: f = 140 ГГц, Р = 20 Вт ( CPI Canada) ------------ 190 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$.US • 6. Установка для приготовления и облучения мишени из аммония, приготовление образцов и их облучение -------------- 10K$.US • 7. Гелиевое оборудование и система откачки -------------- 20 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

10. Библиография [1] Yu.A. Usov, Nucl. Inst. and Meth. A 526 (2004), 153-156. [2] J. Kyynarainen, Nucl. Inst. and Meth. A 356 (1995), 101 [3] N. Doshita, Nucl. Inst. and Meth. A 526 (2004), 138-143 [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, 1989. [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. 526. [12] D.G. Crabb, et. al., Phys. Rev. Lett. 64 (1990), p. 2627. [13] L. De Marco, A. Brill, D. Crabb, J. Chem. Phys. 108 (1998), 1423.