ПРЕДСТАВЛЕНИЕ цикла работ

   Институт ядерных исследований Российской академии наук представляет цикл работ кандидата физико-математических наук А.С.Белова и доктора физико-математических наук А.Н.Зеленского по созданию высокоинтенсивных источников поляризованных ионов для ускорителей. В состав цикла входят работы с 80х годов по настоящее время, в результате которых были созданы высококачественные интенсивные источники поляризованных положительных и отрицательных ионов водорода и дейтерия, превышающие по своим характеристикам лучшие зарубежные источники и успешно работающие на ряде известных ускорителей мира, а также намеченные к использованию в планируемых крупных экспериментах. При создании своих источников А.С.Белов и А.Н.Зеленский использовали различные методы, но оба типа источников показывают высокие эксплуатационные свойства, их достоинства дополняют друг друга и позволяют удовлетворить потребности эксперимента в широком диапазоне параметров.

   В представленном цикле работ А.С.Белова, выполненных в отделе ускорительного комплекса Института ядерных исследований РАН, изложены результаты разработки источников поляризованных положительных и отрицательных ионов водорода и дейтерия, в которых используется новый метод генерации поляризованных ионов, впервые разработанный и изученный в ИЯИ РАН. В методе используется реакция резонансной перезарядки между поляризованными атомами и неполяризованными ионами в плазме. Высокая интенсивность получаемых пучков поляризованных ионов обусловлена большой величиной сечения почти резонансной перезарядки при низких энергиях сталкивающихся частиц.

   Для получения отрицательных поляризованных ионов водорода и дейтерия был впервые предложен, разработан и реализован метод обогащения плазменной струи, инжектируемой в область перезарядки, отрицательными неполяризованными ионами.

   В представленных работах также впервые проведено исследование накопления поляризованных атомов в области перезарядки.

   Разработанный источник отрицательных ионов является универсальным в том смысле, что в нём могут генерироваться импульсные пучки отрицательных поляризованных и неполяризованных ионов водорода и дейтерия.

   В импульсном источнике поляризованных ионов водорода ИЯИ РАН с ионизатором на дейтериевой плазме и с генерацией поляризованных атомов водорода по методу атомарного пучка был получен импульсный ток поляризованных протонов 11 мА с поляризацией до 90%, а также пучок отрицательных поляризованных ионов водорода с импульсным током 2.5 мА. Достигнутые интенсивности на два порядка выше полученных ранее из классических источников поляризованных ионов с атомарным пучком.

   Показана возможность дальнейшего увеличения интенсивности источника отрицательных поляризованных ионов данного типа до величины ~ 10 мА.

   А.С.Беловым было предложено использовать метод резонансной перезарядки в плазме и для получения двукратно заряженных поляризованных ионов гелия 3. Им также был предложен метод получения поляризованных электронов из фоторезонансной плазмы, а также предложен и создан поляриметр отрицательных ионов водорода низкой энергии и масс-спектрометрическая аппаратура для анализа состава и плотности импульсных молекулярных пучков.

   В сотрудничестве между ИЯИ РАН и Циклотронной лабораторией Университета Индианы, США (IUCF) и при личном участии автора данного цикла работ был создан источник отрицательных поляризованных и неполяизованных ионов водорода и дейтерия для 500 МэВ-ного ускорителя - накопителя IUCF. В этом источнике были получены импульсные пучки отрицательных поляризованных ионов водорода и дейтерия с током боле 2 мА и поляризацией 85-90 %.

   Источники данного типа планируется использовать также в лабораториях ОИЯИ (Дубна, РФ) и Институте ядерной физики (Юлих, Германия). Обсуждается возможность использования такого источника для ионов водорода, дейтерия и гелия 3 в Лаборатории им.Джефферсона (США).

   Принципиальным преимуществом созданных источников с атомарным пучком по сравнению с разработанными в ряде лабораторий поляризованными источниками с оптической накачкой является возможность генерации поляризованных отрицательных ионов дейтерия с высокой интенсивностью и предельно высокой векторной и тензорной поляризацией.

   По критерию качества Р²·I (где Р - поляризация, I - ток) и яркости Р²·I/Em²_норм (где Em_норм - нормализованный эмиттанс) разработанные источники поляризованных ионов водорода и дейтерия остаются непревзойдёнными на мировом уровне.

   Работы А.Н.Зеленского по исследованию спин-обменных методов поляризации и созданию на этой основе высокоинтенсивных источников поляризованных протонов и ионов Н^- нового типа для ускорителей высоких энергий выполнены в 1980-2002 гг в ИЯИ РАН и в сотрудничестве с лабораториями ТРИУМФ (Канада), КЕК (Япония) и БНЛ (США).

   Mетод спин-обменной поляризации при захвате поляризованных электронов (из намагниченной ферромагнитной фольги) предложен академиком Е.К.Завойским в 1957 году. Работы А.Н.Зеленского по развитию этого метода и его практической реализации закрепляют приоритет российской науки. В этом методе, первичная поляризация атомов водорода осуществляется в процессе зарядово-обменных, либо спин-обменных столкновений пучков протонов с энергиями 1-3 кэВ с оптически-ориентированными лазерным излучением атомами щелочных металлов. Использование быстрых пучков позволяет преодолеть ограничение на интенсивность присущую источникам с атомарными пучками тепловых (30-80 ^oК) энергий. Ионизация быстрых атомов водорода в ионы Н^- с эффективностью 10% производится в парах натрия (или рубидия 16%), либо в протоны с выходом до 80% в гелиевой-газовой ячейке.

   В процессе развития методов спин-обменной поляризации протонов и ионов Н^- была исследована оптическая накачка паров щелочных металлов высокой плотности, измерены сечения спин-обменных столкновений, предложены и успешно внедрены многочисленные инновации, в том числе: схема источника с использованием высокоинтенсивного инжектора пучка атомов водорода, натриевая струйная перезарядная ячейка-ионизатор, твердотельные перестраиваемые лазеры для оптической накачки, поляриметр на основе метода Лэмбовского сдвига и многие другие, в результате которых были созданы источники поляризованных протонов и ионов Н^- с рекордными параметрами:

   -в источнике с оптической накачкой в ИЯИ РАН был впервые получен ток поляризованных ионов Н^- более 100 мкА и ток поляризованных протонов 1 мА в 1985 году.

   -в непрерывном источнике ТРИУМФ был впервые получен ток поляризованных ионов Н^- более 1 мА в 1995 году, что более чем на два порядка превышает интенсивность действующих непрерывных источников с атомарным пучком.

   -в импульсном источнике с атомарным инжектором впервые получен ток поляризованных ионов H- более 10 мА и протонов 40 мА в 1999 году и показана возможность получения импульсных токов ионов Н^- до 30-50 мА.

   Таким образом, применение источников со спин-обменной поляриза-цией полностью решает проблему поляризованных инжекторов для ускорителей и ускорительно-накопительных комплексов высоких энергий.

   Высокая стабильность работы и очень малые изменения параметров пучка при изменении направления спина позволили успешно применить непрерывный источник с оптической накачкой для прецизионного эксперимента по измерению нарушения пространственной чётности в рассеянии протонов при энергии 221 МэВ, выполненную в коллаборации ИЯИ и ТРИУМФ (Канада).

   Источник поляризованных ионов Н^- для коллайдера RHIC (США), созданный в коллаборации ИЯИ-БНЛ-КЕК-ТРИУМФ под научным руководством А.Н.Зеленского, обеспечивает программу исследований с встречными поляризованными пучками протонов при энергии до 500 ГэВ в с.ц.и. Интенсивность источника достигает 1.6 мА при длительности импульса до 500 мкс, частоте повторения 6.7 Гц и поляризации 82 ± 1.5%, что существенно превышает проектные параметры инжектора для получения интенсивности в RHIC ~2·10¹¹ протонов/банч. В будущих проектах увеличения интенсивности применение схемы с атомарным инжектором позволит увеличить интенсивность вплоть до предела определяемого взаимным влиянием двух встречных пучков.

Представление принято на заседании Учёного совета Института ядерных исследований РАН 3 ноября 2005 года.
Председатель Учёного совета ИЯИ РАН академик В.А.Матвеев
Учёный секретарь А.Д.Селидовкин

• Belov A.S., Esin S.K., Kubalov S.A., Kuzik V.E., Stepanov A.A., Yakushev V.P, "Pulsed high-intensity source of polarized protons", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A255, 442-459 (1987).
• Belov A.S., Dudnikiv V.G., Kuzik V.E., Plokhinsky Yu.V., Yakushev V.P., "A source of polarized negative hydrogen ions with deuterium plasma ionizer", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A333, 256-259 (1993).
• Belov A.S., Esin S.K., Netchaeva L.P., Plokhinsky Yu.V., Vasil'ev G.A.., Klenov V.S., Turbabin A.V., Yakushev V.P., and Dudnikiv V.G., " High intensity source of polarized negative hydrogen ions with resonant charge - exchange plasma ionizer", Review of Scientific Instruments, 67, 1293-1296 (1996).
• Belov A.S., "Polarized Ion Sources for High-Energy Accelerators", in Proc. of 13th International Symposium on High Energy Spin Physics, Protvino, Russia, 9-12 September, 1998, eds. N.E. Tyurin et.al., World Scientific, 1999, p.p. 255-266.
• ЗеленскийА.Н., Кохановский С.А., Лобашев В.М., Полушкин Г.Н., "Лазерный источник поляризованных протонов и ионов H-", Письма в ЖЭТФ, т.42, с.6-9, 1985.
• Zelenski A.N, S.A.Kochanovski, V.M.Lobashev, V.G.Polushkin, " A laser source of polarized protons and H- ions", Nucl.Inst.Meth., v.A245, p.223-229, (1986).
• Zelenski A.N, C.D.P.Levy, M.McDonald, R.Ruegg, P.W.Schmor, "Optimization studies of proton polarization in the TRIUMF OPPIS", NIM A, v.334, p.285-293, (1993).
• Zelenski A.N and S.A.Kokhanovski, "A Study of Spin-Exchange Polarization Transfer in Hydrogen-Rubidium Collisions", Proc. Int Workshop on polarized ion sources and gas targets, AIP Conf.Proc. No.293, p.164, (1994).
• Zelenski A.N et al., "Polarized Beam for the TRIUMF Parity Violation Experiment" Proc. 6th Int.Conf on Intersections between particle and nuclear physics, Montana 1997, AIP Conf.Proc. No.412, p.328, (1997).
• Zelenski A.N, C.D.P.Levy, P.W.Schmor, W.T.H.vanOers, G.W.Wight, G.Dutto, "OPPIS development at TRIUMF", Nucl.Instr.Meth. A402, p.185-190, (1998).
• Levy C.D.P., Zelenski A.N, "Polarized ion sources for high energy accelerators", Rev.Sci.Instr., v.69, p.732-736, (1998).
• Zelenski A.N et al., "Optically-Pumped Polarized H- Ion Sources For RHIC and HERA Colliders", APAC 99, Mainz, "Hyperfine Interaction",v.127,p.475, (2000).
• A.Zelenski, J.Alessi, et al., "An Optically-Pumped Polarized H-Ion Source for RHIC Spin Physics", Rev. Scientific Instruments, v.73, p.888, (2002).

  ---