Файл: Жданов Г.Б. Множественная генерация частиц.pdf

Рис. 4. Сцинтилляционный (люминесцентный) счетчик с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ)

Энергия, затраченная ионизующей частицей в веществе люминофора^, частич­ но высвечивается фотонами, которые вырывают электроны с фотокатода г а последние размножаются на динодах з ФЭУ 4 за счет вторичной электронной эмиссии и собираются на коллекторе 5

Рис. 5. Большой газовый дифференциальный черенковский счетчик в разрезе

Зеркальная оптическая система в фокусирует черенковское свечение частиц пучка 1 на диафрагму з при строго определенной скорости частиц пучка 1, и это свечение регистрируется фотоумножителями 4. Настройка на заданное значение скорости осуществляется изменением давления газа и требует кор­ рекции на хроматическую (5) и сферическую (6) аберрацию (счетчик изго­ товлен в ЦЕРНе)

Для получения такого же разрешения по времени про­ лета со сцинтилляционными счетчиками и наносекунд­ ной техникой 1 понадобилась бы установка длиной око­ ло 100 км.

В 1961 г. советские физики А. И. Алиханян и Г< М. Га­ рибян с сотрудниками разработали еще один тип счет­

1 Напомним, что этим термином обозначается аппаратура с разрешающим временем порядка одной миллиардной секунды (10~* сек).

17

чика, основанный на явлении так называемого переход­ ного излучения. Это — излучение, возникающее при пе­ реходе легких, но очень энергичных заряженных частиц (электроны и позитроны) из одной среды в другую. В отличие от черенковского излучения, интенсивность которого быстро достигает насыщения с ростом скорости частицы, переходное излучение продолжает непрерывно расти с ростом отношения полной энергии частицы к ее энергии покоя. Для электрона или позитрона с энер­ гией порядка 1 Гэв достаточно поставить на пути «вафлю» из нескольких сот очень тонких слоев вещества с воз­ душными промежутками, чтобы с вероятностью ~ 50% зарегистрировать сзади «вафли» один или несколько у-квантов переходного излучения (рис. 6). Еще проще использовать для этой цели кусок пористого вещества типа пенопласта.

Электронные и световые детекторы, обладая большим быстродействием, позволяют за сравнительно небольшое время работы ускорителя собрать огромный, исчисляе­ мый миллионами микрособытий, экспериментальный мате­ риал. Немаловажно и то, что данные от сложной ком­ бинации электронных приборов сразу получаются в фор­ ме, доступной обработке на электронных вычислительных машинах. Поэтому предварительный «сырой» итог слож­ ного эксперимента получается сразу же по его окончании, несмотря на обилие громоздких промежуточных вычисле­ ний, и может быть представлен не только в табличном, но и в графическом виде.

Электронная аппаратура очень удобна тогда, когда надо регистрировать, хотя и очень быстро, но малое число частиц одновременно и при этом не требуется высокой степени пространственного разрешения. Исполь­ зуя различного рода взаимодействия нейтральных и заряженных частиц, можно «мобилизовать» электронную аппаратуру для счета и измерений (косвенным образом) нейтральных частиц, в частности фотонов, я°-мезонов и нейтронов.

Электронике можно поручать не только обнаружение и счет частиц, обладающих теми или иными физическими характеристиками, но и более сложную задачу их «узна­ вания». Для этой цели часто бывает достаточно опре­ делить массу частиц, хотя бы и не очень точно. Для определения массы можно в свою очередь использовать

18

две какие-нибудь независимые характеристики, связан­ ные со скоростью и массой частицы. Во многих случаях при работе на ускорителях импульс уже задан условиями пропускания частиц сквозь какой-либо канал за счет использования электромагнитного оборудования, фокуси­ рующего пучки частиц определенного знака заряда и близких по значению импульса.

Основной частью такой электронной оптики служат обычно квадрупольные линзы — обмотки, создающие точ­ но регулируемые, неоднородные магнитные поля с коль­ цевой симметрией. Тогда в качестве второй характерис­ тики можно использовать, например, скорость, опреде­ ляемую в свою очередь либо по наличию черенковского свечения (как в обычных счетчиках), либо по углу ис­ пускания этого свечения (в дифференциальном черенковском счетчике), либо по ионизующей способности ча­ стицы (в пропорциональном счетчике). Вместо скорости можно использовать пробег частиц, который при заданном импульсе зависит от удельных энергетических потерь на ионизацию вещества.

Ряд важных физических задач, особенно при иссле­ довании космических лучей, требует знания энергии частицы. Энергию можно определить методом полного поглощения всех продуктов взаимодействия частицы с веществом. В случае электронов используются вторичные электромагнитные процессы, приводящие к сравнительно быстрому развитию и затуханию каскадной лавины электронов и позитронов. Если применить для поглоще­ ния тяжелый прозрачный материал (например, свинцо­ вое стекло), то можно зарегистрировать и измерить суммарный поток черенковского свечения, испущенного всеми частицами лавины. Подобный прибор называют обычно спектрометром полного поглощения.

В случае сильно взаимодействующих частиц (адронов) надо ставить поглотитель всех продуктов последователь­ ных ядерно-каскадных взаимодействий, для чего требу­ ются фильтры гораздо большей толщины. В качестве

И. Д. Раппопортом, либо суммарный поток света, возникше­

го

го в последовательных рядах черенковских счетчиков, как

вполне приемлемую для масштабов микромира точность измерения. Достаточно сказать, что при толщинах филь­ тров порядка 1 кг на 1 см2 площади, перекрываемые иониза­ ционным калориметром современных установок, исчис­

тем точность измерения энергии, начиная со 150—200 Гэв (~ 0,3 эрг, или ~ ІО-8 кал), можно довести до 20—30%. Если бы такое же энерговыделение мы захотели измерять не электроникой, а тепловыми приборами (как в обыч­ ном калориметре), то пришлось бы иметь дело с мгновен­ ным повышением температуры железа на величину по­ рядка 10-1В градуса.

Для определения существенно новой, зависящей от скорости, а не от массы частицы характеристики, очень полезным оказался многорядный пропорциональный счет­ чик, примененный, в частности, В. С. Мурзиным и Л. И. Сарычевой на высокогорной станции на горе Арагац. Несмотря на большой разброс числа ионов, созда­

ного счетчика оказывается достаточно точной мерой ско­ рости. В таком счетчике удается, как правило, различать пионы и протоны с энергиями до 1012 электрон-вольт.

Есть и другие задачи, для решения которых важна не столько высокая точность измерения ионизующей способности, сколько возможность определения (с разум­ ной точностью) координаты проходящей частицы, а также времени ее прохождения. Для этой цели в ЦЕРНе (Же­ нева) были сконструированы многонитяные пропорцио­ нальные камеры. Каждая камера представляет собой сравнительно легкую (весом ~ 6 кг) плоскую прямоуголь­ ную коробку площадью ~ 0,5 м2, внутри которой с шагом ~ 2 мм натянуты тонкие металлические нити. Каждая нить выполняет функцию независимого счетчика,1

1Эти приборы рассчитаны на полное поглощение испускаемого всей лавиной света, поэтому они тоже называются спектрометрами полного поглощения.

21

дающего очень короткий (25-ІО-10 сек) импульс, амплитуда которого пропорциональна ионизующей способности про­ ходящей частицы и тем самым является мерой скорости этой частицы. Несколько таких камер, помещенных в магнитное поле, могут давать информацию, достаточ­ ную для определения импульса той же частицы по кри­ визне ее траектории. Но известным импульсу и скорости нетрудно узнать массу частиц.

Л как все-таки сфотографировать частицы?

Чтобы документально запечатлеть сцены из человеческой

же документально зафиксировать «сцены из жизни» эле­

стицы. Любая заряженная частица оставляет свой след в веществе — это цепочка «поврежденных», электрически заряженных атомов и молекул.

элементарных частиц приобрели необходимую физикам чувствительность и стабильность характеристик. При всей своей простоте и дешевизне метод фотоэмульсий имеет ряд серьезных недостатков.

Прежде всего картинки взаимодействий частиц полу­ чаются объемными. Казалось бы, на первый взгляд, это лучше, чем плоские проекции. Однако при дальнейшем рассмотрении возникают серьезные трудности с просмот­ ром и измерениями следов. Это невероятно кропотливая и медленная работа, которую крайне трудно автоматизи­ ровать. Поэтому приходится выносить суждения и делать выводы на основании анализа нескольких сот событий.

Для изучения микромира, в котором все процессы подвержены «капризам» вероятности, требуется солидная статистическая обеспеченность, и фотоэмульсионные дан­ ные оставляют чувство неудовлетворенности.

Кроме того, ядерный состав фотоэмульсий очень неод-

22