Создание систем управления пучками заряженных частиц и источников мощного излучения с помощью новых кристаллических устройств на ускорителях

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-12-01532

НазваниеСоздание систем управления пучками заряженных частиц и источников мощного излучения с помощью новых кристаллических устройств на ускорителях

Руководитель Чесноков Юрий Андреевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт физики высоких энергий имени А.А. Логунова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" , Московская обл

Конкурс №18 - Конкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-103 - Физика ускорителей

Ключевые слова каналирование в кристаллах, изогнутые кристаллы, объемное отражение, когерентное излучение, ускорители, пучки заряженных частиц, вывод пучков, коллимация пучков, фокусировка

Код ГРНТИ29.01.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
На протяжении ряда лет под руководством доктора физ-мат наук, лауреата Госпремии России Чеснокова Ю.А. в ГНЦ ИФВЭ ведутся работы по формированию потоков частиц и излучений с помощью каналирования в ориентированных кристаллах. В этой отрасли знаний ГНЦ ИФВЭ занимает лидирующие в мире позиции. Всесторонние теоретические и экспериментальные исследования привели к созданию на ускорителе У-70 реально-действующих систем. В частности, на У-70 создан уникальный медленный вывод пучка протонов с помощью каналирования частиц в коротких изогнутых кристаллах, имеющий беспрецедентно высокие параметры: эффективность вывода около 85% при интенсивности пучка 10^12 частиц в цикле. Однако до сих пор этот метод формирования пучков имеет ограничения в применении, поскольку в процесс каналирования вовлекаются частицы пучков с малой угловой расходимостью, ограниченной углом Линдхарда (он равен 25 микрорадиан для энергии Протвинского ускорителя У-70 для 70 ГэВ). Цель настоящего проекта – расширить границы применения метода по энергии частиц и сделать его более универсальным (уход от малого критического угла) за счет использования фокусирующих кристаллов и новых, сложных кристаллических структур, использующих кроме каналирования другие ориентационные эффекты в кристаллах, такие как отражение частиц от изогнутых плоскостей. Объемное отражение обусловлено взаимодействием налетающего протона с потенциалом изогнутой атомной решетки и происходит на малой длине в области касательной к изогнутой атомной плоскости, приводя к отклонению частицы в сторону, противоположную изгибу. Вероятность отражения высока и при энергиях около 100 ГэВ приближается к единице. Явление отражения происходит в широкой области углов и более эффективно, чем обычное каналирование. Уже существует необходимый экспериментальный задел для создания новых отражающих структур. Подготовлено необходимое оборудование для установки этих приборов в ускоритель У-70. В проекте предусматривается их исследование и применение для защиты от облучения выводных септум-магнитов при выводе пучка максимальной интенсивности, несколько единиц на 10^13 за цикл. Разрабатываемые фокусирующие кристаллы раскрывают возможности новой оптики для сверхвысоких энергий. Современные ускорители уходят в Тэвную область энергий, БАК уже оперирует на 6.5 ТэВ. Планируются FCC и SPPC с энергиями до 100 ТэВ. В этой области энергий разлет частиц с мишеней очень узок, доли миллирадиана. Мы предлагаем для формирования пучков частиц таких энергий специальные кристаллические элементы с фокусирующей кромкой. Эти кристаллы могут работать как сверхсильные линзы с фокусным расстоянием около 1 м, с эквивалентным магнитным полем 1000 Тесла. Проект предусматривает проведение экспериментов на У-70 с этими кристаллическими элементами: Фокусировка параллельного пучка в точку, Фокусировка из точки в параллель, Из точки в точку. Также становятся возможными важные применения при более низких энергиях – вывод пучков для ядерной медицины (меньше 1 ГэВ). Для этих целей нами готовятся два новых устройства – слойка каналирующих кристаллов, и веерный отражатель. Также в компьютерном моделировании нами предсказано, что процесс отражения легких частиц сопровождается мощным когерентным излучением, в десятки раз превосходящим по интенсивности излучение в аморфной среде. Этот новый источник излучения выгодно отличается также от излучения при каналировании, так как нет острой зависимости от входных углов и знака заряда частицы. Проект предусматривает проведение детальных опытов по исследованию этого излучения и создание оптимизированных кристаллических устройств, генерирующих это излучение для внедрения на электронных ускорителях. Многослойные кристаллические радиаторы, примененные вместо медных радиаторов, позволяют упростить и улучшить систему коллимации пучка на будущих линейных коллайдерах электронов типа ILC.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. В.Скандале, А.Г.Афонин, М.К.Булгаков, Ю.А.Чесноков, А.А.Дурум, В.А.Маишеев, Ю.Е.Сандомирский, А.А.Янович и др. Comprehensive study of beam focusing by crystal devices Physical Review AB (год публикации - 2018)

2. Ю.А.Чесноков, А.Г.Афонин. В.Т.Баранов, Г.И.Бритвич, П.Н.Чирков, В.А.Маишеев, Д.А.Савин, В.И.Терехов Study of crystal extraction of a circulating beam from the U-70 at the injection energy Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B, Volume 402, 1 July 2017, Pages 287-290 (год публикации - 2017)
10.1016/j.nimb.2017.03.027

3. Афонин А.Г., Барнов Е.В., Бритвич Г.И., Булгаков М.К., Дурум А.А., Костин М.Ю., Лутчев А.В., Маишеев В.А., Сандомирский Ю.Е., Питалев В.И., Полуэктов И.В., Решетников С.Ф., Чесноков Ю.А., Чирков П.Н., Янович А.А. Focusing of a high-energy particle beam at an extremely short distance JETP Letters, June 2017, Volume 105, Issue 12, pp 763–765 (год публикации - 2017)
10.1134/S0021364017120050

4. В.Скандале, А.Г.Афонин, М.К.Булгаков, Ю.А.Чесноков, А.А.Дурум, В.А.Маишеев, Ю.Е.Сандомирский, А.А.Янович и др. Focusing of a particle beam by a crystal device with a short focal length Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B, Volume 414, 1 January 2018, Pages 104-106 (год публикации - 2018)
10.1016/j.nimb.2017.10.036

5. В.А.Маишеев, Ю.А.Чесноков New beam optics on the basis of bent single crystals Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B, Volume 402, 1 July 2017, Pages 300-303 (год публикации - 2017)
10.1016/j.nimb.2017.02.086

Публикации

1. Ю.А.Чесноков, В.А.Маишеев High energy neutrino beam generation based on crystal optics Nucl.Instrum. Meth A (год публикации - 2018)
10.1016/j.nima.2018.08.116

2. А. Г. Афонин, Е. В. Барнов, Г. И. Бритвич, А. П. Бугорский, А. А. Дурум, М. Ю. Костин, И. С. Лобанов, А. В. Лутчев, Ю. Е. Сандомирский, В. И. Питалев, И. В. Полуэктов, С. Ф. Решетников, Ю. А. Чесноков, П. Н. Чирков, А. А. Янович Emission of Photons at the Interaction of a High-Energy Electron Beam with a Sequence of Bent Single Crystals JETP Letters (год публикации - 2018)
10.1134/S0021364018080076

3. Ю.А.Чесноков, А.Г.Афонин, В.Т.Баранов, Г.И.Бритвич, П.Н.Чирков, В.А.Маишеев, Д.А.Савин, В.И.Терехов Application of Crystal Elements for Charged Particle Beam Steering and Radiation Beam Generation on the U-70 Synchrotron JETP (год публикации - 2018)
10.1134/S1063776118070166

4. А.Г.Афонин, В.Т.Баранов, Е. В. Барнов, Г.И.Бритвич, Ю.А.Чесноков, П.Н.Чирков, В.А.Калинин, В.А.Маишеев, С. Ф. Решетников, Д.А.Савин, В.И.Терехов Positive features of crystal extraction of protons and carbon ions from the U-70 on basis of long-term experience INTERNATIONAL JOURNAL OF MODERN PHYSICS A (год публикации - 2018)
10.1142/S0217751X18501385

5. В.Скандале, А.Г.Афонин, Ю.А.Чесноков, А.А.Дурум, В.А.Маишеев, Ю.Е.Сандомирский, А.А.Янович и др. Dechanneling of high energy particles in a long bent crystal Nucl. Instum. Meth. B (год публикации - 2019)
10.1016/j.nimb.2018.10.035

Публикации

1. Г. И. Бритвич , А. А. Дурум , М. Ю. Костин , В. А. Маишеев , Ю. А. Чесноков, А. А. Янович Новый способ получения пучков вторичных частиц на ускорителях ЖЭТФ (год публикации - 2019)
10.1134/S1063776119070045

2. Чесноков Ю.А., Маишеев В.А. New method for the generation of neutrino beams at accelerators International Journal of Modern Physics, A 34, 1950159 (2019) (год публикации - 2019)
10.1142/S0217751X19501598

3. В.Скандале...А.Г.Афонин, Ю.А.Чесноков, А.А.Дурум, В.А.Маишеев, Ю.Е.Сандомирский, А.А.Янович и др. Focusing of 180 GeV/c pions from a point-like source into a parallel beam by a bent silicon crystal Nuclear Inst. and Methods in Physics Research B, B 446, 15 (2019) (год публикации - 2019)
10.1016/j.nimb.2019.03.024

4. А.Г.Афонин, Е.В.Барнов, Г.И.Бритвич, Ю.А.Чесноков, П.Н.Чирков, А.А.Дурум, М.Ю.Костин, И.С.Лобанов, В.А.Маишеев, И.В.Полуэктов, С.Ф.Решетников, Ю.Е.Сандомирский, Д.А.Савин, А.А.Янович Implementation of multistrip crystals to protect the septum magnets and to generate gamma radiation PHYSICAL REVIEW ACCELERATORS AND BEAMS, 22, 033001 (2019) (год публикации - 2019)
10.1103/PhysRevAccelBeams.22.033001

5. А.Г.Афонин, В.Т.Баранов, Е.В.Барнов, Г.И.Бритвич, Ю.А.Чесноков, А.А.Дурум, В.Н.Горлов, В.Н.Гресь, М.Ю.Костин, В.А.Маишеев, С.Ф.Решетников, И.Ю.Сандомирский, Е.А.Сыщиков, Д.А.Савин, В.И.Терехов, М.Н.Уханов, А.А.Янович Apparatus for crystal extraction system at the U-70 synchrotron of IHEP Nuclear Inst. and Methods in Physics Research B, 457, 10 (2019) (год публикации - 2019)
10.1016/j.nimb.2019.07.021