Кристалл - Белорусский государственный университет

ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В
УСКОРИТЕЛЬНОЙ ФИЗИКЕ
Белорусский государственный университет
Физический факультет
Кафедра теоретической физики и астрофизики
Алексей Сытов
магистрант
физического факультета БГУ
Научный руководитель
Виктор Васильевич Тихомиров
Институт ядерных проблем,
Белорусский государственный университет
BSU
INP
IT технологии в ускорительной физике
Мат. моделирование динамики пучков в ускорителе
Реконструкция траекторий продуктов реакций
сталкивающихся частиц => поиск новых
элементарных частиц
Моделирование процесса работы и радиационных
повреждений ускорительных установок:
отклоняющих магнитов, детекторов и др.
Организация параллельных вычислений с
применением суперкомпьютеров и ГРИД
Организация ГРИД сетей различного уровня для
передачи и обработки экспериментальных данных
в других научных центрах
2
Отклонение пучка изогнутым кристаллом
Применение изогнутых кристаллов на ускорителях:
Система коллимации ускорителей
Медленное выведение пучков из ускорителей
Генерация рентгеновского и гамма излучения
Ускорение электромагнитных ливней в детекторах, что
позволит значительно уменьшить размер детекторов
Управление пучками в установках пучковой терапии
3
Алгоритм моделирования динамики пучка в
изогнутом кристалле
4
Система коллимации на Большом адронном коллайдере
Гало частицы могут нанести вред оборудованию БАК
из-за большой амплитуды бетатронных колебаний. Для
их выведения из ускорителя необходимо использовать
систему коллимации:
прежняя система
коллимации
(после увеличения светимости в ходе модернизации
БАК будет малоэффективной)
Absorber
Новая система
коллимации
Absorber
5
Эксперимент UA9 по кристаллической
коллимации на ускорителе SPS (ЦЕРН)*
Зависимость числа неупругих ядерных взаимодействий протонов
в кристалле С1 от его ориентации:
эксперимент
моделирование
*W.Scandale et al.
Phys. Let.,
B692 78-82, 2010.
6
Проблема мискат угла
Положительный
мискат угол
Распределение прицельного параметра
падения на кристалл для UA9 (SPS)*
Отрицательный
мискат угол
Вероятность ядерных реакций в кристаллическом коллиматоре по отношению к углу
miscut при идеальной ориентации кристалла*
UA9
Зона влияния
мискат угла
*V. Tikhomirov, A. Sytov, “VANT” (57), 2012, N1, p. 88-92;
V. Tikhomirov, A. Sytov. arXiv:1109.5051 [physics.acc-ph]
7
Многократное объемное отражение в одном кристалле*
Оси формируют
много
наклонных
отражающих
плоскостей
x
Эволюция углов частицы в плоскости y-r**
*V. Tikhomirov,
PLB 655 (2007) 217;
V. Guidi, A. Mazzolari
and V. Tikhomirov,
JAP 107 (2010) 114908
**V. Tikhomirov, A. Sytov,
NIMB 59353 (2013)
8
First MVROC observation
W. Scandale et al, PLB 682(2009)274
Угол отклонения возрастает в 5 раз
9
Модификации многократного объемного отражения*
Угловые
распределения
протонов энергией 7 ТэВ на
кремния и вольфрама
многократного объемного
одном кристалле
отклонения
кристаллах
в режиме
отражения
Угловые
распределения
отклонения
протонов энергией 7 ТэВ на кристалле
кремния в режимах многократного
объемного отражения одном кристалле и
комбинированного действия многократного объемного отражения и каналирования
Угол отклонения на кристалле вольфрама в Угол отклонения в 3-4 раза больше в случае
3-4 раза больше , этого достаточно для
комбинации 2 эффектов; фракция пучка
попадания на вторичный коллиматор за
малой угловой расходимости будет
одно прохождение
отклоняться в режиме каналирования
10
*V. Tikhomirov, A. Sytov, NIMB 59353 (2013)
Выведение пучка из накопительных колец в
Национальной лаборатории имени Ферми в США
11
Выведение пучка из накопительного кольца*
Параметры кристалла
и пучка**:
E = 8 GeV
Длина кристалла = 1mm
Толщина кристалла = 1mm
Угол изниба = 0.5mrad
Приложения:
Выведение высокоинтенсивного пучка для:
Нейтринных экспериментов (ArgoNeuT,
MINERvA, MiniBooNE, MINOS, NOvA, LBNE)
Мюонных экспериментов (Mu2e, MICE)
*V. Shiltsev, FNAL,
No. DE-AC02-07CH11359;
**A.I. Drozhdin, FNAL,
No. DE-AC02-07CH11359. 12
Увеличение эффективности каналирования при
помощи разрыва кристаллической структуры
(кристаллического выреза) до 99%*
Узкий вырез способен значительно увеличить
вероятность захвата положительно заряженных
частиц в режим стабильного каналирования
Кристалл
Пучок
z
вырез
0 z1
z2
z3
*V. Tikhomirov, JINST, 2 P08006, 2007
zc
13
С вырезом
Без выреза
Фазовое пространство в различных точках кристалла
14
Применение идеи выреза на накопительном кольце
Эффективность каналирования в
зависимости от угловой расходимости
Фазовое пространство на входе
в кристалл (при первом попадании)
С вырезом
Без
выреза
Фазовое пространство выведенного пучка
15
Применение идеи выреза на накопительном кольце
Зависимость доли потерянных частиц от ориентации кристалла
Потери пучка уменьшаются в 2 раза! Многооборотная
эффективность выведенного пучка возрастает с 95% до 98%.
Расчет производился по Монте-Карло при помощи
программы, модифицированной для параллельных
вычислений, на суперкомпьютере СКИФ К-1000-2
16
Выведение пучка из Дебанчера
θL for 8 GeV
θL for 8 GeV
Угловое распределение при первом прохождении кристалла
На входе в кристалл
На выходе из кристалла
Угловое распределение
выведенного пучка
Зависимость эффективности
выведения от ориентации кристалла
Выводы
Создана программа, позволяющая моделировать методом МонтеКарло процессы каналирования, объемного отражения в кристалле.
Эффект многократного объемного отражения в одном кристалле
позволяет увеличить угол отклонение в 5 раз по сравнению с
обычным объемном отражением.
Применение эффекта многократного объемного отражения в
кристалле вольфрама, как и комбинированного действия
каналирования и многократного объемного отражения позволит
выводить большинство частиц за одно прохождение кристалла.
Проведено моделирование планируемых экспериментов по
выведению пучка из накопительных колец в Национальной
лаборатории имени Ферми в США.
Эффективность выведения при помощи изогнутого кристалла в
экспериментах в ФНАЛ способна достигнуть 95-96%.
Использование идеи кристаллического выреза в эксперименте на
накопительном кольце в ФНАЛ позволит уменьшить потери
выведенного пучка в 2 раза, а эффективность выведения достигнет
97-98%.
18