УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ЧЕРЕЗ ГАЗОНАПОЛНЕННЫЕ ТРЕКОВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

Полезная модель относится к области создания ионопроводов - систем непрерывной транспортировки пучков элементарных частиц и тяжелых ионов, и может быть использована в ядерно-физических экспериментальных установках.
Известны вакуумные ионопроводы [1-2], широко используемые в экспериментах с ускоренными заряженными частицами. Внутри известных ионопроводов имеется заранее созданный вакуум с целью минимизировть число столкновений пучка ускоренных частиц с атомами остаточного газа внутри ионопровода. Стенки таких ионопроводов изготавливаются из прочных материалов (медь, нержавеющая сталь) с хорошими вакуумными свойствами. Однако известные вакуумные ионопроводы создают значительный фон дельта-электронов, рождающихся при взаимодействии вторичных частиц, образующихся в мишени, за счет большого количества вещества в стенках ионопровода. Эти дельта-электроны, попадающие в чувствительный объем детекторов, ограничивают работу детектирующих трековых систем при повышении интенсивности пучков ионов. Кроме того, существенным недостатком вакуумных ионопроводов является необходимость использовать систему откачки или систему геттеров для поддержания внутри него требуемого вакуума в течение длительного времени, что усложняет конструкцию ионопровода.
2
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности является известный гелиевый ионопровод [3], предназначенный для транспортировки пучков заряженных частиц (электронов или ионов) через газонаполненные трековые детекторы, который принят в качестве прототипа. Главным его преимуществом перед вакуумными ионопроводами является существенное уменьшение фона, вызванного попаданием дельта-электронов в активную область трекового детектора. Известный ионопровод [3] устанавливается вдоль линии проводки пучка внутри детекторной трековой системы, наполняется легким газом (гелием) при нормальном давлении, а стенки ионопровода изготавливаются из тонкой полимерной пленки. Кроме того, в известном гелиевом ионопроводе предусматривается конструкция, предотвращающая диффузию гелия в объем газонаполненной трековой системы. Основные особенности известного гелиевого ионопровода заключаются в следующем. Для предотвращения попадания гелия, диффундирующего через тонкую стенку ионопровода, в рабочий объем газонаполненной трековой системы, применяется двухконтурная конструкция ионопровода: внутренняя тонкостенная труба с гелием, образующая первый контур, окружена защитным слоем азота, содержащимся во втором контуре, образованном промежутком между внутренней и внешней, концентрически расположенной тонкостенной трубой, постоянно продуваемой азотом для отвода продиффундировавшего гелия. Минимизация вещества достигается за счет применения в качестве материала для стенок ионопровода высокопрочных пленок из тедлара, толщина которых составляет только 30 мкм. Механическая стабильность двухконтурного гелиевого ионопровода длиной 2.5 м с двумя тонкостенными трубами диаметром 75 и 96 мм, достигается подбором давления в объемах двухконтурной газовой системы (Не и N).
Недостатками известного устройства являются ограниченность диапазона по быстроте вторичных частиц, регистрируемых газонаполненным трековым детектором, в экспериментах на фиксированной толстой мишени за счет невозможности расположить мишень внутри трекового детектора, а также повышение фона дельта-электронов в чувствительном объеме детектора в случае работы в сильном магнитном поле за счет расположения ионопровода внутри трекового детектора строго вдоль оси первичного пучка заряженных ионов.
Техническим результатом заявленной полезной модели является существенное увеличение диапазона по быстроте вторичных частиц, попадающих в активную область трекового детектора, в экспериментах с фиксированной толстой мишенью, а также уменьшение фона, вызванного попаданием дельта-электронов в активную область трекового детектора при работе в сильных магнитных полях.
Указанный технический результат заявленной полезной модели достигается тем, что передняя торцевая заглушка гелиевого ионопровода выполнена подвижной и перемещается вдоль оси внутренней трубы на заданное расстояние, что позволяет размещать мишень внутри трекового детектора. Кроме того, технический результат достигается размещением гелиевого ионопровода внутри трекового детектора под углом к оси первичного пучка заряженных ионов при работе в сильных магнитных полях.
Сущность заявленной полезной модели поясняется Фиг. 1.
На Фиг. 1. представлена конструкция устройства для транспортировки пучков заряженных частиц через газонаполненные трековые детекторы.
На Фиг. 2. представлена фотография рабочей модели устройства для транспортировки пучков заряженных частиц через газонаполненные трековые детекторы.
Заявленная полезная модель (Фиг. 2) размещается в корпусе газонаполненного трекового детектора и содержит две коаксиальные тонкостенные трубы (1-2), выполненные из высокопрочной пленки из тедлара толщиной 30 мкм, концы которых соединяются с торцевыми углепластиковыми цилиндрами (3-4) и заглушкой с майларовыми окнами (5) для входа и выхода пучка, сопряженными также со стенками газонаполненной трековой системы (6). Внутренняя труба (2) с заглушкой (5), образующая первый газовый контур (7), наполнена гелием, что обеспечивает существенное по сравнению с рабочей газовой смесью трекового детектора уменьшение фона, обусловленного дельта-электронами. Промежуток между внутренней и внешней трубой, образующий второй газовый контур (8), продувается азотом, предотвращая попадание гелия в рабочий объем газонаполненной трековой системы. Передняя торцевая углепластиковая заглушка (5) имеет радиальное сальниковое скользящее уплотнение (9), расположенное между торцевым углепластиковым цилиндром и этой заглушкой, что делает ее подвижной и обеспечивает сохранение вакуумной плотности при перемещении заглушки вдоль оси внутренней трубы на заданное расстояние.
Заявленная полезная модель была апробировано в лабораторных условиях на пучке релятивистских ионов протонного суперсинхротронав Европейской организации ядерных исследований на базе экспериментальной установки NA61 в режиме реального времени. Результаты апробации показали существенное уменьшение фона количества дельта-электронов в чувствительном объеме детектора и двукратное увеличение диапазона по быстроте регистрируемых вторичных частиц.
Список использованной литературы:
1. Буранов В.В., Веников Н.И., Тарасов Ю.Ф., Унежев В.Н. // Автономный вакуумный ионопровод // Патент CCCP SU 1238013, 15.06.1986.//
2. Кошкарев Д.Г. // Автономный гибкий вакуумный ионопровод // Патент России RU 2330341, 27.07.2008.//
3. N. Abgrall, … G.A. Feofilov, … S.N. Igolkin, .. V.P. Kondratiev et al. // NA61/SHINE facility at the CERN SPS: beams and detector system // Journal of Instrumentation, Volume 9, Issue 6, Pages P06005_1-51, 2014 (прототип).