Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2020, № 2, стр. 34-38

ВВЕДЕНИЕ

Многофункциональный ускорительный комплекс ВЭПП-4 [1 ] предназначен для проведения экспериментов в области физики высоких энергий на электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-4М с детектором КЕДР [2], с синхротронным излучением [3], в области ядерной физики на накопителе ВЭПП-3 с установкой Дейтон [4], а также для развития технологий изготовления детекторов элементарных частиц на установке “Выведенный пучок” [5].

Комплекс ВЭПП-4 входит в состав Уникальной научной установки “Комплекс электрон-позитронных коллайдеров ВЭПП-4–ВЭПП-2000” (рис. 1), состоящей из инжекционного комплекса, длинного транспортного канала К-500, электрон-позитронного коллайдера ВЭПП-2000 и комплекса ВЭПП-4. Инжекционный комплекс предназначен для производства пучков электронов и позитронов высокой интенсивности [6] и доставки их до коллайдера ВЭПП-2000 и комплекса ВЭПП-4. Инжекционный комплекс (рис. 1а) состоит из электронной пушки, линейного ускорителя электронов, конверсионной системы, линейного ускорителя позитронов и накопителя-охладителя. Частота выпуска электронов и позитронов из инжекционного комплекса составляет 1 Гц. ВЭПП-4 (рис. 1б) состоит из многофункционального накопителя электронов и позитронов ВЭПП-3, импульсного канала транспортировки из ВЭПП-3–ВЭПП-4 и электрон-позитронного коллайдера ВЭПП-4М.

Рис. 1.

Схема инжекционного комплекса (а) и комплекса ВЭПП-4 (б) электрон-позитронных коллайдеров ВЭПП-4–ВЭПП-2000: 1 – транспортный канал К-500 для ВЭПП-2000; 2 – накопитель-охладитель; 3 – электронная пушка; 4 – конверсионная система; 5 – линейный ускоритель позитронов; 6, 7 – транспортный канал К-500 для ВЭПП-3; 8 – детектор КЕДР; 9 – накопитель ВЭПП-3; 10 – коллайдер ВЭПП-4М.

Эксперименты с синхротронным излучением (СИ) на ВЭПП-3 проводятся в двух режимах: низкоэнергетическом (энергия электронного пучка 1.2 ГэВ для экспериментов по рентгеновской литографии) и основном (энергия электронного пучка 2 ГэВ). В настоящее время на ВЭПП-3 используют семь каналов вывода СИ (из поворотного магнита и трехполюсного вигглера), на которых оборудовано девять станций. Один канал предназначен для стабилизации положения орбиты электронов в ускорителе.

Для исследований на ВЭПП-4М с использованием СИ также доступны два режима работы коллайдера. Первый режим (энергия электронов в ускорителе 1.9 ГэВ) позволяет проводить эксперименты в мягком рентгеновском диапазоне от 100 эВ до 10 кэВ. Второй режим (энергия электронов 4.5 ГэВ) обеспечивает возможность работы с СИ в жестком рентгеновском диапазоне от 30 до 200 кэВ. В настоящее время на ВЭПП-4М действуют два канала вывода излучения, еще два канала готовятся к запуску в эксплуатацию. На рис. 2 представлены спектры излучения из поворотных магнитов и вигглеров для накопителей ВЭПП-3 и ВЭПП-4М.

Рис. 2.

Удельная плотность потока фотонов (ток 1 мА, горизонтальный угол 1 мрад, спектральный диапазон ΔE/E = 0.1%) для накопителей ВЭПП-3 и ВЭПП-4М: 1 – спектр СИ из поворотного магнита (поле 0.38 Тл) на ВЭПП-4М (1.8 ГэВ); 2 – спектр СИ из трехполюсного вигглера на ВЭПП-3 (2.0 ГэВ); 3 – спектр СИ из семиполюсного вигглера на ВЭПП-4М (4.0 ГэВ); 4 – спектр СИ из девятиполюсного вигглера на ВЭПП-4М (4.5 ГэВ). ШП – ширина полосы.

ЭКСПЕРИМЕНТЫ С СИНХРОТРОННЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ В МЯГКОМ РЕНТГЕНОВСКОМ ДИАПАЗОНЕ

Все работы с мягким рентгеновским и вакуумным ультрафиолетовым излучением ведутся на метрологической станции “Космос”, использующей излучение из поворотного магнита накопителя ВЭПП-4М. Эксперименты проводятся на энергии инжекции ВЭПП-4М (1.9 ГэВ).

На станции был установлен модернизированный монохроматор, использование которого позволило устанавливать в качестве спектральных элементов не только многослойные зеркала, но и кристаллы и дифракционные решетки. Многослойные рентгеновские зеркала покрывают спектральный диапазон 80–3000 эВ с характерным спектральным разрешением (в зависимости от участка рабочего спектра) ΔE/E ≈ 0.6–4%. Дифракционные решетки дают возможность проводить работы в спектральном диапазоне 10–100 эВ. Использование кристаллов Si(111) позволяет покрывать диапазон 2200–6000 эВ со спектральным разрешением ΔE/E = 10^–4. При таком спектральном разрешении монохроматора можно измерять в указанном диапазоне XAFS-спектры элементов, K- и L3-края которых лежат в области, недоступной для станций жесткого рентгеновского излучения. Речь идет об элементах с атомными номерами от 16 до 24 и от 40 до 59 соответственно.

На станции был проведен ряд измерений в целях калибровки спектров отражения различных кристаллов. Откалиброванные кристаллы будут использованы для диагностики лазерной плазмы на пикосекундной установке, работающей во ВНИИТЭФ (г. Снежинск). Измерения проводили для кристаллов кварца, слюды и бифталата калия в спектральном диапазоне 1–6 кэВ методом кривой качания. Измеряли пиковый коэффициент отражения и спектральное разрешение этих кристаллов. По результатам разработана и подготовлена к аттестации методика выполнения измерений.

Кроме того, на станции был проведен ряд экспериментов по калибровке различного рода детекторов. Так, была измерена абсолютная спектральная чувствительность коаксиальных алмазных детекторов в диапазоне 100–3000 эВ. Детекторы такого типа могут быть использованы для наблюдения за высокотемпературной плазмой в новейших установках термоядерного синтеза типа ИТЭР или УФЛ-2М. Также была разработана методика абсолютной калибровки детекторов в вакуумном ультрафиолетовом диапазоне, и был прокалиброван измеритель ультрафиолетового излучения Солнца ВУСС-Э (диапазон калибровки 5–11 эВ) для спутника Электро-Л № 3. Как и в случае калибровки кристаллов, разработана и подготовлена к аттестации методика выполнения измерений. Калибровку детекторов проводят методом эталонного детектора с использованием в качестве эталона фотодиода ФДУК-100УВ (производство ФТИ им. А.Ф. Иоффе, г. Москва), прокалиброванного в национальном метрологическом центре Германии PTB. Совместно с ИНХ СО РАН на станции ведутся работы по вводу в строй рентгеновского спектрометра “Стеарат” для реализации методов эмиссионной спектроскопии в мягкой рентгеновской области.

ЭКСПЕРИМЕНТЫ С СИНХРОТРОННЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ В ЖЕСТКОМ РЕНТГЕНОВСКОМ ДИАПАЗОНЕ

В 2017 г. для повышения интенсивности СИ в высокоэнергетическом рентгеновском диапазоне был установлен девятиполюсный вигглер (поле 1.9 Тл) (рис. 3) [7, 8], который заменил старый семиполюсный вигглер (поле 1.2 Тл). В дополнение была проведена модернизация ускоряющей системы ВЭПП-4М, позволившая поднять энергию электронов в коллайдере до 4.5 ГэВ. Также для увеличения интенсивности СИ был реализован многосгустковый режим (до восьми сгустков) с полным током около 30 мА.

Рис. 3.

Гибридный девятиполюсный вигглер, установленный на ВЭПП-4М.

Начиная с 2014 г. на ускорительном комплексе ВЭПП-4М проводятся эксперименты, направленные на разработку новых методов лучевой терапии злокачественных опухолей в организме человека [9]. Совместно с сотрудниками Института цитологии и генетики СО РАН был разработан и создан стенд для радиационного воздействия на онкологические ткани лабораторных животных. В качестве основного метода лучевой терапии применяют технику микропучкового облучения, которая является одним из передовых средств для борьбы с нейроонкологическими заболеваниями [10]. Использование массивов интенсивных микропучков рентгеновского излучения дает возможность снизить радиационные повреждения здоровых органов, окружающие злокачественные образования. Повышение интенсивности СИ в высокоэнергетическом диапазоне позволило достичь более равномерного распределения поглощенной дозы в тканях лабораторных животных (отклонение менее 5%), что значительно повысило эффективность микропучкового облучения.

Повышение энергии электронов до 4.5 ГэВ и монтаж гибридного девятиполюсного вигглера увеличили интенсивность СИ в энергическом диапазоне 40–70 кэВ более чем в 100 раз. Особенно это стало актуально при экспериментальных исследованиях деформации кристаллической решетки при быстром импульсном нагреве [11]. Модернизация ускорителя ВЭПП-4М позволила зафиксировать распространение ударной тепловой волны в монокристалле вольфрама с временны́м разрешением на уровне 50 мкс. Эксперименты по исследованию механизмов деформации кристаллической решетки вольфрама, возникающей в результате импульсного нагрева, дают возможность смоделировать процессы, происходящие в первой стенке термоядерного реактора, создающегося на базе проекта ИТЭР.

Благодаря высокой интенсивности СИ из девятиполюсного вигглера в “жестком” энергетическом диапазоне стало возможным поднять минимальный предел обнаружения редкоземельных элементов при проведении рентгенофлуоресцентного анализа горных пород от 1 до 0.2 млн^–1 [12]. Это важно при проведении разведывательных мероприятий при поиске новых месторождений и геохронологическом анализе донных осадков.

Высокопроникающая способность СИ в диапазоне от 30 до 200 кэВ позволяет проводить рентгенографические исследования внутренней структуры крупных образцов с использованием техники фазового контраста. Фазово-контрастная интроскопия основана на регистрации отклонения направления рентгеновской волны, возникающей на границе сред, имеющих различную электронную плотность. Техника получения фазово-контрастных рентгеновских изображений очень актуальна во многих областях науки, таких как медицина, геология, материаловедение, археология и других. Исследование, проводимое с помощью фазово-контрастных методов, – удобный, а иногда и единственный способ изучения уникальных объектов, не требующий их разрушения. В 2018 г. после модернизации ВЭПП-4М были проведены исследования структуры ряда археологических и палеонтологических объектов, выявившие детали с контрастом менее 0.1%.

ДИАГНОСТИКА ПУЧКОВ

Абсолютное измерение энергии пучка

Для калибровки энергии пучка ВЭПП-4М применяется метод резонансной деполяризации [13]. Частота спиновой прецессии, связанная с энергией пучка через аномальный магнитный момент электрона, определяется по резонансному разрушению поляризации при воздействии на пучок бегущей TEM-волной. Точность метода ограничена шириной спиновой линии 10^–6. Энергию пучка измеряют в основном для нужд физики элементарных частиц, но это может быть также востребовано для экспериментов с СИ, например, метрологических измерений при использовании накопителя в качестве эталонного источника.

При энергии пучка ВЭПП-4М меньше 2 ГэВ его поляризацию измеряют по интенсивности внутрисгусткового рассеяния (эффект Тушека) [14]. Для этого используют восемь подвижных сцинтилляционных счетчиков, расположенных в разных промежутках накопителя ВЭПП-4М, позволяющих регистрировать “тушековские” пары частиц. При работе на энергии пучка свыше 3.5 ГэВ, например, в планируемых экспериментах по измерению массы Y-мезонов, для измерения поляризации используют эффект асимметрии обратного комптоновского рассеяния циркулярно поляризованного лазерного излучения на вертикально поляризованном электронном пучке [15, 16]. Для этого применяют импульсный твердотельный Nd:YLF-лазер с диодной накачкой при средней мощности 2 Вт, частоте повторения импульсов до 4 кГц и длительности импульса 5 нс. Поляризацией лазерного излучения управляют при помощи ячейки Поккельса. Система запуска позволяет переключать поляризацию лазера с левой циркуляцией на поляризацию с правой циркуляцией при каждой вспышке лазера. Место встречи лазерного и электронного пучков находится в прямолинейном экспериментальном промежутке ВЭПП-4М вблизи квадрупольных линз и до поворотных магнитов, где минимален угловой разброс импульсов в пучке. Рассеянные гамма-кванты регистрируют с помощью двухкоординатного детектора на основе GEM [16] на расстоянии около 30 м от места рассеяния (рис. 4). Система используется для калибровки энергетической шкалы ВЭПП-4М в эксперименте по измерению сечения рождения адронов R в диапазоне энергии 2E = 4.6–7.0 ГэВ. Скорость счета рассеянных гамма-квантов составляет около 4 кГц при токе пучка ВЭПП‑4М 8 мА.

Рис. 4.

Лазерный поляриметр ВЭПП-4М: 1 – двухкоординатный детектор на основе GEM; 2 – свинцовый конвертор; 3 – лазер 257 нм; 4 – фазовая пластинка λ/4; 5 – ячейка Поккельса; 6 – система фокусировки лазера (телескоп); 7 – подвижное зеркало; 8 – поворотный магнит накопителя; 9 – места встречи электронного и лазерного сгустков; 10 – детектор КЕДР; 11 – квадрупольные линзы накопителя.

В настоящее время ведется работа по увеличению скорости счета, а также по автоматизации калибровки энергии с использованием лазерного поляриметра.

Диагностика в оптическом диапазоне

Для измерения продольного и поперечного размеров сечений пучков электронов и позитронов на коллайдере регистрируют оптическую часть спектра СИ. Выводы СИ в двух направлениях расположены в поворотных магнитах полуколец в техническом промежутке, каждое направление в отдельности предназначено для регистрации излучения только электронов либо позитронов. Видимая часть СИ отражается от охлаждаемого металлического зеркала, расположенного внутри вакуумной камеры коллайдера, и выводится наружу через кварцевое окно.

Оптическая система диагностики пучков дает следующую регулярную информацию о пучках частиц в накопителе: продольные и поперечные размеры сечений пучков электронов и позитронов, синхротронная частота колебаний электронов, время жизни пучка электронов, возникновение фазовых колебаний электронов. Кроме того, “электронное” направление используется для проведения экспериментов в области ускорительной физики [17]. Недавно система оптической диагностики была дополнена стрик-камерой PS-1/S1, с помощью которой был измерен энергетический разброс в пучке ВЭПП-4M в широком диапазоне значений энергии пучка (рис. 5) [18].

Рис. 5.

Зависимость энергетического разброса в пучке от энергии накопителя ВЭПП‑4М.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Эксперименты с пучками синхротронного излучения регулярно проводятся на накопителе ВЭПП-4М в широком диапазоне длин волн. Увеличение энергии пучка электронов от 4 до 4.5 ГэВ, а также замена семиполюсного вигглера (поле 1.2 Тл) на девятиполюсный гибридный вигглер (поле 1.9 Тл) позволило увеличить поток жестких фотонов с энергией 100 кэВ в 50 раз.