Trong số các thành phần cấu tạo nên hệ phân cực kế, bia dừng muon là một trong những thành phần cần thiết nhất. Sự phân cực spin của hạt muon tới phải
ñược bảo toàn trong quá trình làm dừng. Do các tấm bia dừng còn hoạt ñộng như
một ñiện cực của buồng ghi nhận phân cực positron, yêu cầu ñược ñặt ra cho vật
liệu làm bia dừng là:
• Vật liệu phải ñược cấu thành từ những nguyên tố nhẹ ñể giảm số lượng tán
xạ positron và tạo ra chùm các hạt thứ cấp
• Các tấm bia phải ñủ cứng cáp ñể nâng ñỡ các thành phần cấu trúc. Các vật
liệu cấu thành cũng phải có ñộ cứng cao
• Bề mặt của các tấm bia hoạt ñộng như các ñiện cực nên phải ñược giữ sạch
Hình 3.4: Sơ ñồ sắp xếp các bia dừng chùm muon
Trong thí nghiệm E246, các tấm nhôm tinh khiết ñược sử dụng tuy nhiên trong thí nghiệm này chúng ta sẽ không sử dụng lại các tấm nhôm này do sự dễ biến dạng
của nó khi ñặt theo phương ngang. Với thí nghiệm kiểm tra các vật liệu làm bia
dừng ñược thực hiện vào tháng 5/2007 tại TRIUMF [10], nhóm TREK ñã tiến hành kiểm tra ñặc trưng giảm phân cực của các hợp kim nhôm và magiê (Mg). Các kim
loại nhôm và magiê tinh khiết cũng ñược kiểm tra trong ñợt này. Kết quả cho thấy
hầu hết tất cả các hợp kim ñược kiểm tra trừ một loại hợp kim của nhôm (A2017)
ñều có ñộ triệt tiêu phân cực nhỏ (nhỏ hơn vài lần so với 10−3µs−1). Do vậy, hầu hết
tất cả các vật liệu ñược xem xét ñều có thể ñược sử dụng cho bia dừng chùm tia.
3.4 MULTI-WIRE DRIFT CHAMBER (MWDC)
Trong hệ phân cực kế, vùng không gian khảo sát ñược chia thành nhiều ô cơ
sở. Mỗi ô cơ sở ñược tạo thành bởi hai tấm bia dừng và một MWDC giữa hai tấm
bia như ñược trình bày trong Hình 3.5. Hệ truc tọa ñộ dọc theo dây ñược xác ñịnh
bằng phương pháp phân chia ñiện tích (charge division method) tại hai ñầu dây.
Việc xác ñịnh góc phát của positron ñược thực hiện với ñiều kiện tốt nhất cho mỗi
sự kiện trên mặt phẳng yz. Vị trí xác ñịnh theo bán kính r có thể không có ñộ phân
giải góc tốt nhưng ñủ ñể thỏa mãn yêu cầu trong thí nghiệm này. Dù cho từ trường
muon ñược áp theo hướng phương vị nhưng các vết của positron có xung lượng
Hình 3.5: Cấu trúc của các khe trong buồng ño
MWDC chứa một hỗn hợp gồm khí Argon và Ethane với tỉ lệ 1:1. Các tín hiệu từ hai ñầu của mỗi dây sẽ ñược khuếch ñại bằng bộ tiền khuếch ñại gắn với hệ phân cực kế, các tín hiệu từ bộ tiền khuếch ñại sẽ ñược dẫn ra ngoài ñể tiếp tục xử lý. ðể làm giảm bớt số lượng các kênh, tín hiệu từ các khe MWDC sẽ ñược lấy tổng trên tất cả 12 sector. Trong trường hợp này, các vết của positron cũng vẫn dễ dàng ñược
phát hiện bằng cách kiểm tra vết µ+ phù hợp với nó.
Trong thí nghiệm này không có cách nào có thể sử dụng bộ ñếm trigger cho
phép ño positron bởi vì nó có thể tạo ra sự thiên lệch positron trước/sau. Việc này có thể ñược thực hiện bởi bộ ñếm trigger cho muon tới ở mặt trước của hệ phân cực (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
kế. Việc xác ñịnh thời gian và ñiện tích ion hóa của positron sẽ ñược thực hiện
trong một khoảng thời gian lớn (~ 10 µs) bằng cách sử dụng các ống TDC có ñộ
phân giải cao (~ 1 ns).
3.5 THIẾT BỊ TẠO TỪ TRƯỜNG ðO PHÂN CỰC MUON
Trong thí nghiệm TREK, chúng ta sẽ sử dụng một hệ thống nam châm tạo từ trường mới. Hình 3.6 trình bày sơ ñồ bố trí của thiết bị tạo từ trường cho một sector.
Hình 3.6: Sơ ñồ bố trí của thiết bị tạo từ trường cho một sector
Từ trường cho muon là cần thiết cho phép ño sự phân cực với ñộ chính xác cao nhằm mục ñích
• Giảm sự triệt tiêu phân cực trong các vật liệu làm dừng chùm tia, ñảm bảo
ñược ñộ nhạy của thí nghiệm
• Làm giảm tác dụng của từ trường bên ngoài (ví dụ từ trường của trái ñất)
trong phép ño
Phân tích cùng với từ trường sẽ tương ñối hơi khó trong trường hợp xảy ra tán xạ qua các tấm bia dừng, trừ khi chúng ta có một từ trường ñủ mạnh. ðộ lớn của từ
trường cần thiết ñược xác ñịnh ñể thỏa hai ñiều kiện trên là vào cỡ 300G. Ở ñây
không ñược có từ trường ảnh hưởng tới sự triệt tiêu phân cực dọc theo phương
chuyển ñộng ñược ghi nhận ñối với các vật liệu làm bia dừng. Ngay cả khi muon
dừng trong chất khí trong buồng ño và hình thành nên muonium, một từ trường
mạnh cỡ 300G cũng sẽ làm chúng tách ra trở lại như cũ hầu như hoàn toàn.
Giả sử ta có từ trường ngoài cỡ 0.3G trong khu vực làm thí nghiệm, từ trường
tác dụng 300G sẽ dẫn tới sai số ở mức 0.3/300 = 10−3. Ngay cả khi trong cấu hình lý
tưởng của các nam châm, chúng ta phải xem 10−3 này như là một ñộ lệch của phân
bố không thẳng hàng của vector từ trường. Trong trường hợp thực tế, sự ảnh hưởng của từ trường ngoài trong không gian giữa hai cực nam châm nhỏ hơn nhiều do hiệu
ứng che chắn của hai cực nam châm. ðiều này dẫn tới việc chúng ta sẽ thực hiện
khảo sát phân bố từ trường với ñộ phân giải góc vào cỡ 10−3 = 1mr và ñộ lệch theo
phương ngang của từ trường cũng sẽ ñược xác ñịnh với dộ chính xác này.
Trong quá trình ñánh giá cường ñộ và ñộ ñồng nhất của vector từ trường, chỉ
có tính chất phân bố ñối xứng của từ trường là cần thiết nhất, một ñộ ñồng nhất cỡ
vài phần trăm là ñủ. Khi chúng ta phân tích sơ ñồ pion trái/phải với PT trong mode
tuế sai, ñộ không ñồng nhất của từ trường có thể gây ra một số khó khăn trong việc phân tích. Tuy nhiên, một sự khảo sát từ trường một cách chính xác sẽ cung cấp những thông tin cần thiết cho việc phân tích. Trong luận văn này, một sự khảo sát như vậy ñã ñược tiến hành và sẽ ñược trình bày chi tiết trong chương sau.
CHƯƠNG 4
KHẢO SÁT PHÂN BỐ TỪ TRƯỜNG CỦA HỆ PHÂN CỰC KẾ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Như ñã ñược nhắc ñến trong Chương 3, chúng ta sẽ sử dụng hệ phân cực kế chủñộng nhằm ñạt ñược sai số toàn phần cỡ 10-4. ðể chắc chắn rằng hệ phân cực kế dự tính sẽ ñạt ñược các yêu cầu ñề ra, trước khi bắt tay vào xây dựng một hệ phân cực kế hoàn chỉnh, chúng ta sẽ xây dựng một mô hình mẫu và tiến hành các kiểm tra trên mô hình mẫu này. Hệ phân cực kế có thể ñược chia làm hai phần: phần tạo từ trường và phần theo dõi vết của hạt. Trong chương này, thí nghiệm kiểm tra mô hình nam châm tạo từ trường sẽ ñược trình bày. ðối tượng khảo sát ở ñây là phân bố từ trường ñược tạo ra bởi nam châm lưỡng cực và hệ số bất ñối xứng của phân bố ñó.
4.1 THIẾT LẬP HỆðO
ðể khảo sát tính ñối xứng của từ trường ñược sử dụng trong thí nghiệm TREK, chúng ta sẽ thử nghiệm trên một mô hình có kích thước bằng 1/5 so với kích thước thật. Việc khảo sát này sẽ giúp ta xác ñịnh ñược sự bất ñối xứng trong phân bố từ trường ñể từ ñó ñưa ra những chỉnh sửa cần thiết trong quá trình thiết kế hệ phân cực kế.
Hình 4.1 trình bày sơ lược về sơ ñồ bố trí thí nghiệm khảo sát phân bố từ trường ñược tạo ra bởi mô hình thử nghiệm. Từ trường ñược tạo ra bằng cách cho dòng ñiện ñi qua các cuộn dây ñồng ñược quấn quanh hai lõi sắt (312 vòng/lõi). Tùy theo chiều dòng ñiện mà ta sẽ có các phân bố từ trường khác nhau giữa hai lõi sắt, ñiều này sẽ ñược nói kĩ hơn ở phần dưới. Thể tích bên trong giữa hai lõi sắt là 580×314×322 mm3.
Hình 4.1: Sơ ñồ bố trí thí nghiệm
Hình 4.2 và Hình 4.3 trình bày toàn cảnh thí nghiệm bao gồm nam châm tạo từ trường và các thiết bị ño ñạc:
• Nguồn nuôi: cung cấp dòng ñiện cho các cuộn dây ñồng ñược quấn quanh hai lõi sắt ñể tạo từ trường.
• Từ kế: sử dụng một sensor ño từ trường theo 3 chiều x,y,z; ñơn vị ño của từ kế này là µT (10 mG). Sensor ñược gắn cố ñịnh trên một thanh nhôm ñược nối với một giá ñỡ bằng sắt.
• Thiết bị ñịnh vị: bao gồm một thiết bị xác ñịnh vị trí của sensor ño từ trường dựa trên hệ trục toạ ñộ ñã ñược xác lập sẵn trước khi tiến hành thí nghiệm, khung giá ñỡ bằng sắt có thể di chuyển trên một ñế cố ñịnh giúp sensor có thể di chuyển theo cả 3 chiều không gian bên trong nam châm từ.
• Volt kế số và ñiện trở chuẩn: dùng ñể theo dõi, ñiều chỉnh ñiện thế và dòng ñiện chạy qua các cuộn dây tạo từ trường.
Hình 4.2: Hình chụp bố trí thí nghiệm
Trong thí nghiệm này, chúng ta sẽ tiến hành khảo sát phân bố từ trường tại mặt phẳng giữa hai lõi sắt và tại các cặp mặt phẳng ñối xứng nhau qua mặt phẳng giữa này ñể từ ñó tính ñược ñộ bất ñối xứng của từ trường. Tại mỗi ñiểm bên trong nam châm từ, chúng ta lần lượt ño ba loại từ trường khác nhau:
• Từ trường trái ñất và các loại từ trường ngoài khác do các vật liệu sắt từ xung quanh tạo ra (ñể cho ngắn gọn, từ nay về sau ta sẽ gọi chung các loại từ trường này là từ trường ngoài).
• Từ trường thuận ñược tạo ra khi cho hai dòng ñiện qua hai lõi sắt từ chuyển ñộng cùng chiều với nhau.
• Từ trường nghịch ñược tạo ra bằng cách ñảo chiều một trong hai dòng ñiện (phân cực thuận) hoặc cả hai dòng ñiện (phân cực nghịch) (xem Hình 4.7).
4.2 SENSOR ðO TỪ TRƯỜNG
ðể có thể khảo sát ñược phân bố từ trường một cách chính xác, chúng ta cần phải sử dụng một sensor có ñộ nhạy cao. Trong tất cả các loại sensor hiện nay, flux- gate sensor là loại thường ñược sử dụng ñể ño các phân bố từ trường rất thấp với một ñộ chính xác cao. Sensor này có thể ño ñược từ trường với ñộ chính xác cỡ 1
µT (10 mG). Ba sensor khảo sát từ trường theo 3 chiều x,y,z ñược ñặt trong một hộp kích thước 25×25×40 mm3 (Hình 4.4). Từ trường tổng sẽ ñược tính theo công thức 2 z 2 y 2 x B B B B= + + (4.1)
Hình 4.4: Sơ ñồ sắp xếp của 3 sensor (ñơn vị tính mm)
Hình 4.5 trình bày cấu hình cơ bản của một flux-gate sensor. Sensor này có cấu tạo bao gồm một lõi sắt từ và hai cuộn dây dẫn ñiện: cuộn kích thích (drive coil) và cuộn ghi nhận (sense coil). Một ñiện thế xoay chiều (alternating current – AC) ñược áp vào cuộn kích thích.
Nguyên lý hoạt ñộng của flux-gate sensor dựa trên sự bão hòa tuần hoàn của lõi sắt từ dưới tác dụng của từ trường do dòng ñiện AC tạo ra nhằm ghi nhận sự
thay ñổi pha trong thông lượng từ trường bên ngoài ñi qua lõi. Nếu không có sự hiện diện của từ trường ngoài, thông lượng ñi qua lõi trong một nửa chu kì sẽ triệt tiêu với nửa chu kì kia và do vậy tổng thông lượng ñi qua cuộn ghi nhận là bằng không. Khi có sự xuất hiện của từ trường ngoài B0 vuông góc với mặt cắt của lõi (xem Hình 4.5), tại một khoảng thời gian quan sát, thông lượng sẽ bị giảm trong một nửa chu kì và tăng trong nửa chu kì còn lại. ðiều này sẽ gây ra sự mất cân bằng thông lượng giữa hai nửa chu kì, do vậy chúng không triệt tiêu lẫn nhau ñược. Dòng ñiện sẽ ñược tạo ra trong cuộn ghi nhận và làm xuất hiện một ñiện thế ñầu ra. Dựa vào ñiện thế ñầu ra này chúng ta có thể xác ñịnh ñược cường ñộ của từ trường ngoài.
Hình 4.5: Cấu hình cơ bản của flux-gate sensor [16]
Hình 4.6 trình bày sự bố trí của sensor trong thí nghiệm khảo sát phân bố từ trường. Các trục toạ ñộ của sensor ñược thiết lập như trong hình.
Hình 4.6: Bố trí sensor Cuộn kích thích Cuộn ghi nhận
Lõi sắt từ Từ trường ngoài Dòng ñiện xoay chiều
Trong Hình 4.6, sensor ñược ñặt trên một thanh nhôm ñược gắn vào một giá ñỡ bằng sắt. Giá ñỡ này cho phép dịch chuyển vị trí của thanh nhôm với ñộ chính xác cao (~ 1mm).
Khi có dòng ñiện ñi vào các dây cuốn quanh hai lõi sắt, từ trường bên trong vùng không gian giữa hai lõi sắt sẽ có hướng chủ yếu song song với mặt phẳng của hai lõi sắt. Trong thí nghiệm này, trục y của sensor ñược thiết lập tương ứng với chiều của từ trường. Phân bố từ trường ñược khảo sát trong thí nghiệm này là phân bố của BY (thành phần từ trường hướng dọc theo trục y) do ñây là thành phần quyết ñịnh trong phép ño sự phân cực muon vuông góc với mặt phẳng phân rã (trong trường hợp này là mặt phẳng xz).
Hình 4.7 trình bày cấu hình hệ trục tọa ñộ ñược thiết lập cho sensor. Dựa vào kích thước vùng không gian bên trong nam châm từ, chúng ta thiết lập gốc tọa ñộ nằm ngay chính giữa vùng không gian này.
4.3 HỆ SỐ BẤT ðỐI XỨNG (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chúng ta ñịnh nghĩa hệ số bất ñối xứng như là tỉ số giữa hiệu và tổng của hai giá trị nằm trên hai mặt phẳng song song cách ñều nhau nằm về hai bên của mặt phẳn trung tâm. Hiệu của các giá trị giữa hai mặt phẳng này ñược xác ñịnh theo công thức
Diff = B(−y)−B(+y) (4.2) Hệ số bất ñối xứng ñược cho bởi công thức
) y ( B ) y ( B ) y ( B ) y ( B ) y ( Asym + + − + − − = (4.3)
với y là khoảng cách ñến mặt phẳng trung tâm.
Hệ số bất ñối xứng cũng có thể cung cấp cho ta thông tin về sự không ñồng nhất trong phân bố từ trường giữa hai mặt phẳng ñối xứng nhau qua mặt phẳng trung tâm. Trong trường hợp từ trường giữa hai mặt phẳng không ñối xứng, tuế sai trung bình của thành phần phân cực trên mặt phẳng phân rã (bảo toàn ñối xứng thời gian) sẽ trộn lẫn với PT. ñiều này sẽ tạo ra các kết quả ño ñạc không chính xác và gây ra sai số trong phép phân tích sự phân cực của muon.
4.4 KẾT QUẢ KHẢO SÁT PHÂN BỐ TỪ TRƯỜNG
ðể khảo sát tính chất ñối xứng của thành phần từ trường BY, trước tiên chúng ta sẽ khảo sát sự phân bố của BY trên mặt phẳng xz. Trong trường hợp phân bố từ trường thuận, từ trường từ hai cuộn dây sẽ tăng cường cho nhau trong khoảng giữa hai lõi sắt, tạo nên từ trường cao. Do ñó việc phát hiện các từ trường ngoài sẽ là một công việc rất khó khăn. Do vậy, thay vì khảo sát với từ trường thuận, trước tiên chúng ta sẽ khảo sát phân bố BY trong trường hợp từ trường nghịch với vùng không gian ở gần mặt phẳng trung tâm của nam châm từ. Hai loại từ trường nghịch sẽ ñược khảo sát ở ñây, một là từ trường nghịch với phân cực thuận và kia là từ trường nghịch với phân cực ngược (thu ñược bằng cách ñảo chiều các dòng ñiện). Cấu hình các chiều từ trường ñược cho như trong Hình 4.8.
Trong quá trình khảo sát phân bố từ trường, tác giả thực hiện phép ño từ trường 2 lần ở mỗi vị trí, một lần khi có dòng ñiện và lần thứ hai khi không có dòng
ñiện. Giá trị giữa hai lần ño ñược trừ ñi cho nhau ñể triệt tiêu ñóng góp của từ trường ngoài. ðơn vịño của từ trường trong thí nghiệm này là µT (10 mG).
Hình 4.8: Cấu hình ño từ trường: a) từ trường thuận; b) từ trường nghịch (phân cực thuận); c) từ trường nghịch (phân cực nghịch)
Ba mặt phẳng xz tại các vị trí y = 0, ±12 mm ñược dùng ñể khảo sát phân bố của BY (Hình 4.9). Trên mỗi mặt phẳng, chúng ta ño 13 vị trí dọc theo phương x và