В настоящее время достижения в области физики и техники электрон-позитронных накопителей открывают новые возможности в постановке физических экспериментов. Одной из таких возможностей является создание монохроматических поляризованных пучков g -квантов высокой энергии и интенсивности. Для их получения предложены следующие способы: метод аннигиляции ускоренных позитронов, метод мечения тормозных g -квантов, метод когерентного рассеяния электронов в ориентированных монокристаллах. Более перспективным по сравнению с перечисленными выше методами является метод обратного комптоновского рассеяния (ОКР) лазерных фотонов на электронах, который обладает высокой интенсивностью, достаточно жестким спектром, 100% линейной или циркулярной поляризацией, которой можно управлять в процессе эксперимента и др. Метод ОКР, предложенный в 1963 году Арутюняном и Туманяном [1] (СССР), а также независимо Мильбурном [2] (США), получил широкое распространение благодаря бурному развитию лазерной и ускорительной техники.

В ИЯФ СО РАН развитие метода ОКР началось в 1980 году. Первая установка РОКК-1 (Рассеянные Обратно Комптоновские Кванты) [3] на накопителе ВЭПП-4 была запущена в 1983 году. На установке в период 1983-1985 годах, в совместной работе с ИЯИ АН СССР были проведены первые эксперименты по фотоделению тяжелых ядер [4]. Для продолжения начатых на РОКК-1 экспериментов в 1987 году на накопителе ВЭПП-3 была запущена в действие новая установка РОКК-2. Подробное описание установки приводится в работе [5]. Новая установка РОКК-1М [6] создана на накопителе ВЭПП-4М. Строительство этой установки было начато в 1989 году, а в мае 1993 года был произведен физический запуск установки ¾ получен первый пучок комптоновских фотонов.

Кратко рассмотрим основные свойства комптоновского рассеяния, положенные в основу действия перечисленных выше установок. При рассеянии лазегного фотона на ультрарелятивистском электроне происходит передача импульса от электрона фотону, в результате рассеянные фотоны будут обладать энергиями, сравнимыми с энергией электронов. В процессе комптоновского рассеяния фотона на движущемся электроне энергия рассеянного кванта w связана с энергией рассеиваемого фотона w ₀ соотношением:

где e и р ¾ энергия и импульс электрона, a ¾ угол встречи первичного фотона с электроном, q ¾ угол вылета вторичного g -кванта относительно импульса первичного электрона, q _z ¾ угол вылета вторичного g -кванта относительно плоскости векторов k₀ и p. Кинематика процесса рассеяния показана на рис. 1.

В ультрарелятивистском приближении (e » р× с) в случае лобового столкновения (a =p ) выражение для энергии g -кванта принимает простой вид:

где g =e /m₀c² ¾ релятивистский фактор электрона, n=g × q ¾ эффективный угол рассеяния, m₀ ¾ масса покоя электрона, с ¾ скорость света, а l =2g w ₀/m₀c² ¾ энергия (в безразмерных величинах) начального фотона в системе покоя электрона. Из последней формулы видно, что энергия вторичных g -квантов однозначно связана с углом рассеяния, и достигает максимального значения:

Угловое распределение вторичных g -квантов имеет резкий максимум ¾ большая часть рассеянных обратно фотонов летит в узкий конус (с углом ~ 1/g ) по направлению импульса электрона, это иллюстрирует рис. 2. Здесь показана зависимость энергии g -квантов от угла q при фиксированных энергиях начальных световых фотонов и электронного пучка.

где r_e ¾ классический радиус электрона, x = 4e w ₀cos²(a /2)/m₀², y = w /e . На рис. 3 представлены характерные расчетные спектры рассеянных квантов при различных энергиях электронов в накопителе ВЭПП-4М и при энергии начальных фотонов w ₀ = 2.5 эВ.

Между поляризацией электронов и фотонов, принимающих участие в комптоновском рассеянии, существует тесная связь. Из-за сохранения углового момента g -кванты, рассеявшиеся под углом q = 0, имеют поляризацию начального лазерного света. Коллимирование пучка g -квантов позволяет получить поляризацию близкую к 100%. Поляризация лазерного света (линейная или циркулярная) задается обычными электрооптическими устройствами (ячейки Поккельса).

Перейдем к рассмотрению установки РОКК-1М, действие которой основано на методе ОКР. Как уже было сказано выше эта установка находится в ИЯФ СО РАН и входит в состав ускорительно-накопительного комплекса ВЭПП-4М, общий план которого показан на рис. 4. Части установки расположены в зале экспериментального промежутка ВЭПП-4М и в 4-х отдельных помещениях: лазерной пультовой, детекторной пультовой, детекторном зале и коллиматорной комнате. Схематическое расположение элементов установки показано на рис. 5. В настоящее время экспериментальное оборудование установлено на электронном направлении движения пучка в ВЭПП-4М.

Лазерная система. В качестве источников лазерного излучения на установке используется твердотельный лазер на основе кристаллов Nd:YAG с энергией фотона 1.17 эВ, работающий в непрерывном режиме. Для работы в импульсном режиме внутри лазерных резонаторов установлены акустооптические модуляторы добротности резонатора. Удвоение энергии лазерного фотона происходит на кристалле LiIO₃. Предусмотрено получение также третьей и четвертой гармоник лазерного излучения на кристаллах DLAP. Управление поляризацией лазерного излучения осуществляется ячейкой Поккельса. Для контроля за поляризацией устанавливается поляриметр.

Монитор g -квантного пучка. Для измерения координатных распределений g -квантного пучка используются многопроволочные пропорциональные камеры с разрешением 200 мкм и апертурой 100× 100 мм². Перед ними устанавливается свинцовый конвертер. Камеры установлены в детекторном зале. Более подробно система регистрации пучка g -квантов описана в докладе “Система регистрации пучков g -квантов высокой энергии”. Измерение энергетического спектра осуществляется с помощью монокристалла NaI(Tl). Его размеры 110× 110× 400 мм², при этом энергетическое разрешение такого калориметра составляет 8% на энергии 100 МэВ. Для работы при больших интенсивностях g -пучка используется счетчик полного поглощения, состоящий из свинцовых пластин, проложенных сцинтилляционной пластмассой. Тонкие сцинтилляционные счетчики располагаются перед монитором для измерения заряженной компоненты, присутствующей в пучке g -квантов.

Коллимирование g -квантного пучка может преследовать две цели: получение пучка с ограниченными пространственными характеристиками и получение монохроматичного поляризованного пучка. На установке имеются два промежутка, где установлены системы коллимации: в коллиматорной комнате и в детекторном зале. Расстояние между ними составляет 14 м.

В заключении, приведем экспериментальную программу установки. Основные направления, по которым ведется работа на установке, относятся к различным областям экспериментальной физики. К физике высоких энергий: проведение абсолютной калибровки системы мечения детектора КЕДР; измерение энергетического и координатного разрешения прототипа жидкокриптонового калориметра детектора КЕДР; измерение энергетического и координатного разрешения прототипа калориметра детектора BELLE (B-фабрика КЕК, Япония) на основе кристаллов CsI; изучение эффектов нелинейной квантовой электродинамики (расщепление фотона в сильном кулоновском поле ядер и дельбрюковское рассеяние). К физике ускорителей: измерение степени радиационной поляризации электронного пучка в накопителе; измерение энергии электронного пучка в накопителе методом резонансной деполяризации. К ядерной физике: измерение абсолютных сечений фоторасщепления ядер.

1. Арутюнян Ф. Р., Туманян В. А. Комптон-эффект на релятивистских электронах и возможности получения пучков жестких g -квантов. ЖЭТФ, т. 44, стр. 2101 (1963).
2. Milburn R. H. Electron scattering by an intense polarized photon field. Phys. Rev. Lett., vol. 10, p. 75 (1963).
3. Казаков А. А., Кезерашвили Г. Я., Лазарева Л. Е., Недорезов В. Г., Скринский А. Н., Тумайкин Г. М., Шатунов Ю. М. Труды 2-го Международного семинара по спиновым явлениям в физике высоких энергий, стр. 140 (1985) Серпухов. Труды 9-го Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, т. 2, стр. 268 (1985) Дубна.
4. Казаков А. А. и др. Письма в ЖЭТФ, т. 40, стр. 445 (1984).
5. Kezerashvili G. Ya. et al. Nucl. Inst. & Meth., vol. A328, p. 506 (1993).
6. Kezerashvili G. Ya. et al. Nucl. Instr. & Meth., vol. B145, p. 40 (1998).