ДВУХЧАСТОТНЫЙ РЕЗОНАТОР ДЛЯ БЛОКА ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПЕРЕХОДОВ В ПОЛЯРИЗОВАННЫХ АТОМАХ ВОДОРОДА И ДЕЙТЕРИЯ
TWO-FREQUENCY RESONATOR FOR A BLOCK OF HIGH-FREQUENCY TRANSITIONS IN POLARIZED HYDROGEN AND DEUTERIUM ATOMS

Изобретение относится к технике ускорителей заряженных частиц и предназначено для применения в источниках поляризованных ионов - протонов и дейтронов и мишенях из поляризованных атомов водорода и дейтерия.
Ускоренные пучки поляризованных частиц - протонов и дейтронов и мишени поляризованных атомов используются при проведении исследований фундаментальных свойств материи в экспериментах по изучению спиновой структуры нуклонов, сохранению симметрий в ядерных взаимодействиях, спиновой зависимости ядерных взаимодействий. Эффективность проводимых дорогостоящих экспериментов существенно определяется как степенью поляризации пучка частиц, так и его интенсивностью.
Пучки поляризованных протонов и дейтронов с высокой степенью поляризации получают методом атомарного пучка, используя пространственное разделение атомов в разных состояниях сверхтонкой структуры при прохождении магнитов с резко неоднородным полем (типа магнитов Штерна-Герлаха) и возбуждая переходы между состояниями сверхтонкой структуры (СТС) атомов при прохождении блоков высокочастотных (ВЧ) переходов [Haeberli W 1967 Ann. Rev. Nucl. Sci. 17 373-426].
В источниках поляризованных ионов используются блоки ВЧ переходов, работающие по методу адиабатического прохождения Абрагама-Винтера [Abragam A and Winter J М 1958 Phys. Rev. Lett. 1 374].
В этом методе атомы пропускаются через статическое магнитное поле, имеющее градиент вдоль оси пучка атомов. В градиентном статическом магнитном поле размещается резонатор, создающий ВЧ магнитное поле с частотой, соответствующей разности энергий между спиновыми состояниями. ВЧ магнитное поле может быть направлено перпендикулярно или параллельно статическому магнитному полю. В первом случае возбуждаемые переходы называются n -переходами, а во втором случае π - переходами. Эффективность адиабатических ВЧ переходов достигает значений, близких к единице [A. Airapetian, N. Akopov et. al., "The HERMES polarized hydrogen and deuterium gas target in the HERA electron storage ring", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 540 (2005) 68-101].
Сущность изобретения поясняется прилагаемыми чертежами.
1/2
Диаграммы энергии состояний СТС атомов водорода и атомов дейтерия в магнитном поле показаны на фиг.1. Расщепление энергетических уровней обусловлено эффектом Зеемана и происходит благодаря наличию магнитного момента у атомов водорода и дейтерия в основном состоянии 1S. По горизонтальной оси отложено магнитное поле в относительных единицах  и , где  и  По вертикальной оси - энергия состояний в единицах энергии сверхтонкого расщепления в нулевом внешнем магнитном поле. Для атомов водорода энергия сверхтонкого расщепления  соответствует частоте ВЧ колебаний 1420,4 МГц, для дейтерия  соответствует частоте 328,4 МГц. ВЧ переходы разделяются на переходы в слабом, промежуточном и сильном поле в зависимости от отношения величины статического магнитного поля в блоке ВЧ перехода по отношению к критическому полю для атомов водорода и дейтерия.
Атомы в состояниях с Ms=+1/2 при прохождении магнитов с резко неоднородным полем (разделительных магнитов) фокусируются, а атомы в состояниях с Ms=-1/2 дефокусируются, так что после прохождения магнитов в пучке остаются в основном атомы в состояниях с Ms=+1/2; для атомов водорода - это состояния сверхтонкой структуры  (см. фиг.1), а для атомов дейтерия - состояния  В сильном магнитном поле  ядерная поляризация атомов в этих состояниях будет близка к нулю, так как, например, для водорода в состоянии  проекция спина протона  а в состоянии  проекция спина протона
Для получения пучков поляризованных протонов и дейтронов поляризованные атомы ионизируют, используя ионизацию атомов различными методами, но в основном в сильном магнитном поле. Поэтому сепарации атомов по спиновым состояниям в магнитах с резко неоднородным полем для получения пучков протонов и дейтронов с высокой степенью поляризации недостаточно. Повышение ядерной поляризации достигается использованием переходов между спиновыми состояниями атомов, прошедших через разделительные магниты.
Далее используется упрощенное обозначение ВЧ переходов между состояниями СТС атомов водорода и дейтерия в соответствии с обозначениями СТС на фиг.1 например, переход между состояниями |1> и |3> обозначен как 1-3.
I
Для атома водорода используются переходы 1-3 в слабом поле и 2-4 в сильном поле. ВЧ переход 2-4 для атома водорода относится к а переходам, в которых направление ВЧ магнитного поля совпадает с направлением статического магнитного поля. После прохождения разделительного магнита и блока ВЧ перехода 2-4 атомы водорода оказываются в состояниях 1 и 4, что приводит к векторной поляризации протонов +1 после ионизации атомов в сильном магнитном поле, так как в сильном магнитном поле  для водорода в состоянии  проекция спина протона  а в состоянии  проекция спина протона M=+1/2 (см. фиг.1).
Переход возбуждается высокочастотным магнитным полем, частота поля определяется разностью энергий между спиновыми состояниями, между которыми возбуждается переход и, следовательно, значением статического магнитного поля, в котором находятся атомы. Частота ВЧ колебания, соответствующая переходу вычисляется по формуле:
24
где , а частота выражена в мегагерцах. В статическом поле В=15 mT, которое используется для перехода 2-4 в атомах водорода, F=1480,148 МГц.
Для получения поляризованных дейтронов с предельно высокой степенью тензорной поляризации используют более сложную схему. Вначале, используя разделительные магниты, получают пучок атомов дейтерия в состояниях  и  Затем пропускают пучок атомов через блок ВЧ перехода 1-4 так что после прохождения этого блока в пучке атомы дейтерия оказываются в состояниях  Далее пучок проходит через второй разделительный магнит, после которого в пучке остаются атомы дейтерия в состояниях  так как атомы в состояниях  при прохождении разделительного магнита дефокусируются и выбывают из пучка. Затем пучок атомов дейтерия пропускается через блок ВЧ перехода 3-5, так что после прохождения этого ВЧ перехода атомы дейтерия в пучке оказываются в состояниях  в которых тензорная поляризация атомов дейтерия имеет максимальное теоретическое значение -2. Реально достижимое значение тензорной поляризации определяется эффективностью ВЧ переходов 1-4 и 3-5.
-4
Переход 2-6 в атомах дейтерия используется для получения векторной поляризации дейтронов, близкой к +1. При этом пучок атомов дейтерия в состояниях  (после первого разделительного магнита) пропускают через блок ВЧ перехода с промежуточным полем, в котором возбуждается переход 3-4 так что после перехода в пучке атомы оказываются в состояниях   Атомы в состоянии  дефокусируются затем при прохождении второго разделительного магнита, так что в пучке остаются атомы в состояниях  Пучок затем проходит через блок ВЧ переходов 2-6, так что после блока в пучке атомы оказываются в состояниях  в которых в сильном поле векторная поляризация дейтронов равна +1. Переходы 3-5 и 2-6 показаны на фиг.3. Частота ВЧ колебаний для этих переходов выбирается одинаковой для того, чтобы можно было использовать один и тот же ВЧ резонатор для обоих переходов и равна обычно - 380 МГц. Необходимая для обеспечения высокой эффективности ВЧ перехода (близкой к единице) величина составляющей Вх равна (1-2)⋅10 Т [A. Airapetian, N. Akopov et. al., "The HERMES polarized hydrogen and deuterium gas target in the HERA electron storage ring", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 540 (2005) 68-101].
Оба перехода 3-5 и 2-6 для атомов дейтерия относятся к а переходам, в которых ВЧ магнитное поле параллельно внешнему статическому. Следует отметить, что наличие поперечной составляющей ВЧ магнитного поля приводит к возникновению переходов 2-5 и 3-6, которые относятся к % переходам. Одновременное возбуждение переходов 2-6 и 2-5 приводит к снижению векторной поляризации дейтронов, а одновременное возбуждение переходов 3-5 и 3-6 приводит к снижению тензорной поляризации дейтронов.
В источниках поляризованных ионов с атомарным пучком могут поочередно генерироваться пучки поляризованных протонов и дейтронов. Для переключения работы источника с поляризованных протонов на поляризованные дейтроны необходимо, в частности, использовать вместо ВЧ перехода 2-4 в атомах водорода переходы 2-6 и 3-5 в атомах дейтерия
Устройство ВЧ перехода в сильном поле для атомов водорода или дейтерия показано схематически на фиг.4.
Статическое магнитное поле имеет вертикальное направление и создается С-образным магнитом, полюса которого профилированы, чтобы обеспечить градиент величины магнитного поля в направлении движения атомов водорода или дейтерия в магните (показано на фиг.4 стрелкой). Высокочастотное магнитное поле генерируется в резонаторе, помещенном между полюсами статического магнита.
Решением, позволяющим реализовать резонансную систему в ограниченном объеме и с поперечной составляющей магнитного поля Вх, является использование внутри резонатора отрезка двухпроводной линии, проводники которой, являющиеся вибраторами, одним концом закорочены на теле резонатора и имеют разомкнутые вторые концы. Чтобы обеспечить требуемую частоту колебаний с длиной волны в свободном пространстве λ~92 см при размерах резонатора по любой из координат << λ/4, на разомкнутых концах необходимо обеспечить сильную емкостную нагрузку.
Одно из таких устройств используется в источнике поляризованных дейтронов [V.V. Fimushkin, D. Е. Donets, A.D. Kovalenko, L.V. Kutuzova, Yu.V. Prokofichev, V.B. Shutov (JINR), A.S. Belov, V.N. Zubets, A.V. Turbabin (INR RAS), "Polarized Ion Source for the JINR accelerator complex ", report on XVII WORKSHOP ON HIGH ENERGY SPIN PHYSICS DSPIN2017, Dubna, September 15, 2017, IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf.Series 938(2017) 012017], вибраторы в нем выполнены как отрезки плоской полосковой линии. В системе из двух вибраторов существуют два колебания с синфазным или противофазным направлением поверхностных токов. Рабочим является колебание с противофазным распределением токов.
Устройство резонатора блока ВЧ перехода в сильном поле показано на фиг.5, где:
1 - входной кабель (ввод ВЧ мощности);
2 - измерительная петля;
3 - полосковый вибратор;
4 - настроечный (перемещаемый) стержень.
Ввод высокочастотной мощности осуществляется через гальваническое соединение входного кабеля (1) с одним из двух полосковых вибраторов (3) резонатора. В системе из двух вибраторов возможно существование двух ВЧ колебаний. Рабочим является противофазное ВЧ колебание, для которого магнитное поле ВЧ колебания в рабочей области между вибраторами максимально. Частота первого ВЧ колебания заземленного на одном конце вибратора длиной L приблизительно равна f1 = c/(4L), где с - скорость света и понижается введением емкостной нагрузки на свободном конце вибратора. Величина емкости изменяется изменением величины зазора за счет перемещения настроечного стержня (4). Измерительная петля (2) может быть использована в системе обратной связи для измерения амплитуды колебаний и стабилизации частоты резонатора.
В источниках поляризованных ионов, для переключения с работы с поляризованными протонами на режим работы с поляризованными дейтронами необходимо два блока ВЧ перехода в сильном поле: один для работы с поляризованными атомами водорода, а второй для атомов дейтерия. Для повышения интенсивности пучка поляризованных ионов в источнике важно уменьшить общую длину блоков ВЧ переходов. Как правило, используют один и тот же магнит статического поля для ВЧ переходов в атомах водорода (2-4) и атомах дейтерия (2-6 и 3-5), но разные резонаторы, настроенные на разную частоту для атомов водорода (~ 1480 МГц) и атомов дейтерия (~380 МГц). При переходе с работы с поляризованными протонами на работу с поляризованными дейтронами приходится заменять резонаторы, что является достаточно длительной процедурой, так как связано с напуском воздуха в вакуумную установку, затем откачки установки на высокий вакуум, настройкой блока ВЧ перехода для работы с атомами водорода или дейтерия, измерениями поляризации протонов или дейтронов. Эта процедура оказывается также дорогостоящей, если при замене резонаторов происходит простой работающего ускорителя.
Для упрощения процедуры перехода и сокращения ее длительности разработан резонатор, в котором возможно возбуждений ВЧ колебаний на двух рабочих частотах [V. Carassiti, G. Ciullo, P. Lenisa, A. Nass, Dual H and D cavity for the PAX target polarimeter, Physics of Particles and Nuclei 45, 283-284 (2014)]. Данный резонатор является прототипом предлагаемого изобретения, показан на фиг.6.
В данном резонаторе вместо одной пары параллельных вибраторов в одночастотном резонаторе (см. фиг.5) имеется две пары параллельных вибраторов в виде стержней, смещенных относительно плоскости симметрии прямоугольного корпуса резонатора и установленных на одной и той же стенке резонатора. Вибраторы для работы на частоте 1480 МГц при работе с атомарным водородом заканчиваются дисками, образующими конденсатор, укорачивающий длину резонатора. Вибраторы для работы на частоте 380 МГц (при работе с атомарным дейтерием) закорачиваются на корпус резонатора двумя сосредоточенными конденсаторами, один из которых - перестраиваемый. Настройка резонатора на требуемую частоту осуществляется изменением емкости перестраиваемого конденсатора. Статическое магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости, в которой находится съемная крышка корпуса резонатора (см. фиг.6). При этом направление ВЧ поля, как следует из геометрии установки вибраторов, не совпадает с направлением статического поля. По отношению к статическому магнитному полю ВЧ поле и на частоте 1480 МГц и на частоте 380 МГц в данном резонаторе имеет и параллельную статическому полю составляющую и поперечную составляющую. Это является принципиальным свойством данного резонатора. Это свойство приводит к одновременному возбуждению переходов 2-6 и 2-5 и 3-5 и 3-6. Причем, если резонансные кривые для соответствующих переходов перекрываются, то это одновременное возбуждение переходов приводит к снижению максимально достижимой поляризации в атомах дейтерия. Для достижения максимальной поляризации дейтронов при использовании переходов 2-6 и 3-5 следует обеспечить параллельность магнитного ВЧ поля статическому магнитному полю.
Первый вариант предлагаемого резонатора, в котором обеспечивается получение двух мод возбуждения на частотах, соответствующим переходам в атомах водорода 2-4 и дейтерия 2-6 и 3-5, а также параллельность магнитного ВЧ поля статическому магнитному полю, показан на фиг.7. Двухчастотный резонатор для блока ВЧ перехода 2-4 для атомов водорода, 2-6 и 3-5 для атомов дейтерия с высокой однородностью ВЧ поля и направлением магнитного ВЧ поля вдоль статического магнитного поля:
1 - корпус резонатора;
2 - полосковые вибраторы низкочастотной системы;
3 - полосковые вибраторы высокочастотной системы.
Резонатор содержит в себе две колебательные системы, каждая из которых состоит из двух симметричных относительно плоскостей YZ и XZ полосковых вибраторов. Атомы проходят резонатор в направлении оси Z. Пары вибраторов каждой системы основаниями закреплены на противоположных стенках резонатора. Для каждой пары вибраторов рабочим является колебание с противофазным распределением поверхностных токов. Симметрия вибраторов обеих пар относительно плоскости YZ обеспечивает единое направление поперечной составляющей магнитного поля для обоих рабочих колебаний. Это направление совпадает с направлением статического магнитного поля в блоке ВЧ перехода, которое направлено вдоль оси X. Этим данный резонатор отличается от прототипа, в котором ВЧ поля для перехода 2-4 в атомах водорода, 2-6 и 3-5 в атомах дейтерия направлены под углом друг к другу, близким к 70°-90°, и поэтому не совпадают с направлением статического магнитного поля. Такое свойство предлагаемого резонатора приводит к повышению эффективности ВЧ переходов 2-6 и 3-5 и является преимуществом рассматриваемой конструкции резонатора.
Для обеспечения максимальной величины поперечной составляющей магнитного поля электрические длины в каждой паре вибраторов должны быть равны. Для этого в технической конструкции для каждого вибратора будет предусмотрен независимый индивидуальный элемент подстройки. Критерием правильной настройки каждой пары вибраторов является требуемая величина частоты рабочего колебания при минимальной разнице частот рабочего и синфазного колебаний.
Электрическая длина вибраторов низкочастотной системы много больше длины вибраторов высокочастотной. Поэтому вибраторы низкочастотной системы выполняются огибающими, а вибраторы высокочастотной с последующими изгибами. Для низкочастотной системы поверхность высокочастотной является заземленной.
-4
Необходимая величина Вх ~ 2⋅10 Т соответствует низкой максимальной напряженности электрического поля и расстояние ~ (2-3) мм между вибраторами систем достаточно для обеспечения электрической прочности.
Максимальная величина составляющей Вх для каждого колебания достигается в районе оснований соответствующей пары вибраторов. Поэтому максимумы распределений Вх для рабочих колебаний систем смещены вдоль оси пучка (продольной оси z).
Для обеспечения максимальной однородности (минимальной неоднородности) Вх по поперечным направлениям, у оснований полосковые вибраторы обеих систем выполнены в виде цилиндрической поверхности сегментов с углом раскрывания (45+-2) градусов, фиг.8. Поперечное сечение вибраторов с элементами цилиндрических поверхностей в приосевой области с углом раскрывания 45+-2 градуса. Ось пучка направлена перпендикулярно плоскости фигуры.
Распределение ВЧ магнитного поля в резонаторах, определение размеров элементов и определение рабочих частот моделировалось с использованием программного пакета COMSOL.
На фиг.9 показано полученное при моделировании распределение амплитуды ВЧ магнитного поля на оси первого варианта резонатора вдоль оси Z. Красным цветом показано распределение для колебаний с частотой 1480 МГц, синим цветом - распределение для колебаний частоты 380 МГц. Распределение амплитуды ВЧ магнитного поля вдоль оси резонатора для двух мод первого варианта резонатора. Красным цветом показано распределение для колебаний с частотой 380 МГц, синим цветом - распределение для колебаний частоты 1480 МГц. По горизонтальной оси отложено расстояние вдоль оси пучка в мм, по вертикальной оси - амплитуда ВЧ магнитного поля в относительных единицах.
В предлагаемом резонаторе возможно возбуждение ВЧ магнитного поля как с частотой 1480 МГц, так и с частотой 380 МГц для реализации ВЧ переходов 2-4 в атомах водорода и переходов 2-6 и 3-5 в атомах дейтерия. Направление ВЧ магнитного поля совпадает с направлением статического магнитного поля, что приводит к повышению эффективности вышеуказанных ВЧ переходов.
Для обеспечения малых размеров резонатора необходимо обеспечивать сильную емкостную нагрузку на разомкнутых концах вибраторов низкочастотной системы, что ведет к малым расстояниям между поверхностями вибраторов и резонатора, которые необходимо выдерживать при изготовлении с высокой точностью.
Введение пластин из СВЧ диэлектрика, плотно прилегающих к поверхности резонатора и разомкнутых концов вибраторов низкочастотной системы позволяет как увеличить расстояние между вибраторами и поверхностью резонатора, так и сократить длину вибраторов, фиг.9. Размеры пластин диэлектрика и вибраторов выбираются в результате численных расчетов с учетом характеристик диэлектрика. Сформированный таким образом второй вариант двухчастотного резонатора показан на фиг.10. Двухчастотный резонатор для блока ВЧ перехода 2-4 для атомов водорода и 2-6 и 3-5 для атомов дейтерия с высокой однородностью ВЧ поля и направлением магнитного ВЧ поля вдоль статического магнитного поля:
1 - корпус резонатора;
2 - вибраторы низкочастотной системы;
3 - вибраторы высокочастотной системы;
4 - прилегающие пластины из диэлектрика;
5 - ось пучка.
Реализуется двухчастотный резонатор и с одной колебательной системой из двух вибраторов, закрепленных на одной стенке резонатора. Частота второго ВЧ колебания заземленного на одном конце вибратора длиной L приблизительно равна f2=3c/(4L). Необходимые величины рабочих частот f1=380 МГц и f2=1480 МГц обеспечиваются как подбором длины вибраторов, так и введением емкостной нагрузки, вместе с размещением прилегающих пластин из СВЧ диэлектрика, на разомкнутых концах вибраторов. Сформированный таким образом третий вариант резонатора показан на фиг.11. Необходимые размеры пластин диэлектрика и вибраторов выбираются в результате численных расчетов с учетом характеристик диэлектрика. В качестве рабочего колебания с частотой 380 МГц используется первое противофазное ВЧ колебание вибраторов, а в качестве рабочего колебания с частотой 1480 МГц - второе противофазное СВЧ колебание. Двухчастотный резонатор для блока ВЧ перехода 2-4 для атомов водорода и 2-6 и 3-5 для атомов дейтерия с высокой однородностью ВЧ поля и направлением магнитного ВЧ поля вдоль статического магнитного поля.
В данной конструкции, фиг.11, область взаимодействия частиц с полем рабочих ВЧ колебаний расширяется по оси пучка до полной длины резонатора. Расчетные распределения амплитуд ВЧ магнитного поля вдоль оси пучка для двух мод показанного на фиг.11 резонатора приведены на фиг.12, где: 1 - распределение для колебаний с частотой 380 МГц, 2 - распределение для колебаний с частотой 1480 МГц. По горизонтальной оси отложено расстояние вдоль оси пучка в мм, по вертикальной оси - амплитуда ВЧ магнитного поля в относительных единицах.