Файл: Григоров, Н. Л.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 15.10.2024

Просмотров: 82

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Нужно подчеркнуть, что^метод ионизационного калориметра для измерения энергии отдельных частиц основан на том, что сильно взаимодействующие частицы (адроны) при своем взаимо­ действии ^рождают снова спльно взаимодействующие частицы,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8 Хд/К

63

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

40

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О

Ю

20,5

28

 

16

32

48

84

80

36

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Xgt кат. Единицы

 

 

Рис. 1.8. Градуировка иониза­

Рис.

1.9.

Зависимость

дисперсии,

ционного

калориметра

на

у с ­

отнесенной к среднему числу ча­

корителе [14] . Среднее значе­

стиц в ионизационном калоримет­

ние полного

[числа

частиц

ре,

от х0

для первичных а-частиц

<SiV|>, зарегистрированных в

 

разных

энергий

[15] .

 

приборе,

в зависимости

от

 

 

 

 

 

 

 

энергии первичной частицы

Еа.

 

 

 

 

 

 

 

в том числе я°-мезоны. Однако, если при очень высоких энергиях появится новый процесс, в котором часть энергии первичной части­ цы при ее взаимодействии с атомными ядрами будет передаваться слабо взаимодействующим с веществом частицам (например, по­ явятся реакции fпрямой генерации мюонов), то в этом случае метод ионизационного калориметра начнет давать систематическое занижение энергии первичной частицы.

Глава I I

Параметры ионизационного калориметра

§ 1. Основные требования,

предъявляемые

к ионизационному

калориметру

Основным назначением ионизационного калориметра является определение энергии отдельной частицы путем измерения мгновен­ ного распределения ионизации, созданпой первичной частицей в блоке плотного вещества. В зависимости от конкретного вида эксперимента, от условий проведения измерений, параметры ио­ низационного калориметра могут изменяться. Мы будем исходить из предположения, что прибор применяется для работы с частица­ ми космических лучей.

При конструировании ионизационного калориметра основная забота состоит, с одной стороны, в обеспечении наиболее полного перехода энергии первичной частицы в энергию электронно-фо­ тонной компоненты и других ионизующих компонент в пределах ионизационного калориметра и, с другой стороны, в том, чтобы обеспечить измерение энерговыделения только одного адрона, устранив или отделив другие источники выделения энергии в иони­ зационном калориметре.

В условиях работы на уровне моря и на высотах гор имеется ряд особенностей, которые должны быть приняты во внимание при конструировании прибора. Одна из особенностей заключается в том, что в атмосфере адроны высокой энергии часто образуют груп­ пы, т. е. на установку падает одновременно по нескольку частиц [16]. Чем больше площадь установки, тем больше вероятность одновременного падения на нее двух, трех и более сильно взаимо­ действующих частиц. Очевидно, что в случае одновременного падения на установку нескольких частиц энергия, которая выде­ лится в ионизационном калориметре, будет равна сумме энергий всех упавших на установку частиц.

Для обеспечения надежного измерения энергии отдельной частицы конструкция ионизационного калориметра должна да­ вать возможность различать случаи падения на калориметр оди­ ночного адропа, группы адронов, случай падения широкого ат­ мосферного ливня и т. д. Это условие может быть выполнено, если ионизационный калориметр состоит из большого числа детекторов ионизации, расположенных соответствующим образом (см. ниже).

В гл. I были рассмотрены физические процессы, которые могут привести к систематическому занижению энергии. Но возможен и обратный процесс — завышение энергии первичной частицы; завышение возможно из-за конечной продолжительности измере­ ния ионизации. Для оценки этого эффекта будем считать, что при­ меняемые детекторы ионизации не обладают «порогом» регистра­ ции, т. е. могут измерять сколь угодно малое значение ионизации. Если время, в течение которого длится измерение ионизации, равно т, то за это время в ионизационном калориметре всеми кос­ мическими частицами выделится энергия, равная

АЕ = Ё«.„. St,

где S — площадь ионизационного калориметра, Ёк.л. — поток энергии проникающих частиц космического излучения, прохо­ дящего через 1 см2 в секунду. На высоте гор Ёк.я. ^

^5-Ю7 звісм-сек. Если энергия отдельной частицы, упавшей на

калориметр, равна Е0,

то, чтобы существенно

не завысить величи­

ну измеряемой энергии Е0 за счет конечного

времени измерения,

необходимо выполнить

условие

 

 

 

(2.1)

Размеры ионизационного калориметра (его площадь S) од­ нозначно определяются энергиями тех частиц, с которыми иссле­ дователь собирается работать. Так, например, для получения при­ емлемой статистики с частицами с энергией — 101 1 эв площадь ионизационного калориметра, установленного на высоте порядка 3000 м над уровнем моря, должна быть — 104 см2. Отсюда т

1/5

сек. Если

допустить

среднее завышение энергии частицы

на 10%, то

т ^

1/50 сек.

 

Из

этих

оценок следует,

что детекторы ионизации, применяе­

мые в ионизационном калориметре, должны быть достаточно быст­ родействующими (пропорциональные счетчики, импульсные иони­ зационные камеры, люминесцентные детекторы).

Следует иметь в виду, что, как правило, ионизационный ка­ лориметр применяется в сочетании с аппаратурой наблюдения взаимодействия первичной частицы с атомными ядрами мишени (с камерой Вильсона, искровыми камерами, ядерными фотоэмуль­ сиями). Поэтому его габариты (в основном поперечные размеры) должны быть согласованы с размерами этой аппаратуры.

Суммируя все изложенное, можно следующим образом сфор­ мулировать основные требования, которым должны удовлетворять параметры ионизационного калориметра для измерения энергии отдельной частицы космических лучей.

1. При минимальной протяженности ионизационного кало­ риметра (вдоль движения первичной частицы) надо в поглотителе обеспечить максимальную трансформацию энергии первичной частицы в я°-мезоны.

2 II . Л. Григоров и др.

33

2.Расположение детекторов ионизации должно обеспечивать разделение различных по своей физической природе случаев энер­ говыделения в ионизационном калориметре (отдельная частица, группа частиц, атмосферный ливень).

3.Детекторы ионизации должны быть достаточно быстродейст­ вующими.

4.Детекторы ионизации не должны вносить искажения в энер­ гетическое и угловое распределение вторичных частиц в поглоти­ теле калориметра. Они должны без искажений регистрировать

ионизацию, создаваемую сильно ионизующими частицами.

£ 2. Выбор вещества поглотгітеля

Выбор вещества ионизационного калориметра, в котором про­ исходит диссипация энергии первичной частицы, определяется рядом факторов.

Во-первых, этот выбор связан с методами регистрации иониза­ ции: измерение ионизации по всему объему вещества или на дис­ кретных уровнях.

Во-вторых, этот выбор связан с допустимыми габаритами иони­ зационного калориметра, его светосилой, диапазоном энергий детектируемых первичных частиц.

В-третьих, этот выбор связан с чувствительностью применяе­ мых детекторов ионизации.

В§ 3 гл. I были получены оценки толщины х0 для поглотите­ лей из веществ с разным атомным номером, которая обеспечивает передачу я9 -мезонам в среднем 90% энергии первичной частицы.

Для веществ с

большим Z мы получили х0

X. Для

веществ

с малым Z толщина х0 ^ 9Х — 10,5Х. Как

видно, толщина

х0,

выраженная в пробегах для взаимодействия, слабо зависит от Z.

Однако некоторые физические свойства веществ с разным Z, в пер­

вую очередь плотность, заставляют отдать

предпочтение доста­

точно тяжелым

элементам.

 

 

 

В самом деле, если плотность вещества р, то протяженность

ионизационного

калориметра в высоту будет равна

h —

х0/р

(пренебрегая размерами детекторов ионизации). Принимая для оценки х0 значения пробегов для взаимодействия, известные для частиц с энергиями — 101 0 эв, получим:

для углерода х0

=

810ч~950 г/см\ hG =

(810ч-950)/1,6 =

510ч-

-=--590 см;

 

 

 

 

для

железа х0

=

900 г/см2, h^e = 900/7,8 = 115 см;

 

для

свинца х0

— 1440 г/см2, h-рь =

1440/11,3 = 125

см.

Ионизационный калориметр должен обладать определенной «светосилой», задаваемой из условия достаточно частого наблюде­ ния космических частиц высокой энергии. «Светосила» ионизацион­ ного калориметра определяется геометрическими размерами. Если обозначить через ^ и S2 площади верхнего и нижнего осно-

ваний калориметра, а через h — расстояние между ними, то «све­ тосила» ионизационного калориметра будет приближенно равна

Г = зд/л2.

Из этого выражения видно, что при изменении h для сохранения неизменной «светосилы» нужно изменять iS*! и S2 пропорциональ­ но h. Следовательно, применение в качестве поглотителей в иони­ зационном калориметре веществ с малым Z приведет к тому, что размеры такого калориметра будут примерно в 4 раза больше, чем размеры прибора с поглотителем из тяжелого вещества. Это об­ стоятельство нужно иметь в виду в связи с применением аппарату­ ры для наблюдения первичного взаимодействия.

При измерении полной ионизации, созданной в плотном погло­

тителе,

можно идти двумя принципиально различными

путями.

1. Можно пытаться реализовать измерение ионизации

во всех

точках

поглотителя.

 

Такие измерения можно осуществить, применяя в качестве поглотителя сцинтиллятор, а в качестве детекторов — большое число ФЭУ, позволяющих измерить полное количество света, выделившегося во всех точках сцинтиллятора в момент попадания на него частицы. (В этом методе наилучшим из всех доступных спо­ собов регистрировалась бы энергия, теряемая на ядерные расщеп­ ления.) Возможен вариант, когда вместо люминесценции, вы­ зываемой заряженными частицами, используется черенковское излучение (при этом сильно ионизующие частицы не регистри­ руются).

Большинство доступных сцинтилляторов и прозрачных ве­ ществ для использования черепковского излучения обладают малой плотностью, ~ 1 г/см3, поэтому полное собирание света должно осуществляться с объема в несколько десятков кубиче­ ских метров. Это технически сложно. Еще важнее, что интеграль­ ное собирание света хотя и дает величину, пропорциональную Е0, но не разделяет различные по физической природе случаи данного энерговыделения (отдельная частица, группа частиц, атмосфер­ ный ливень). Поэтому нам представляется, что такой метод яв­ ляется мало перспективным для измерения энергии отдельной частицы космических лучей в нижней части атмосферы.

2. Можно измерять распределение ионизации (или величины, ей пропорциональной) вдоль глубины поглотителя; при этом от­ дельные детекторы располагаются на фиксированных глубинах по­

глотителя (рис.

2.1).

 

Рассмотрим

подробнее

эту возможность.

Пусть весь поглотитель толщиной х0 разбит на п слоев толщи­

ной хх = . . . =

хп — xjn.

Под каждым слоем находятся детекто­

ры ионизации.

Если они

не вносят изменений в энергетическое

и угловое распределение частиц лавины, то ионизация, измерен­ ная детекторами, находящимися на глубине х, однозначно связана

35

2*

с ионизацией, созданной в поглотителе калориметра

на

глуби­

не х всеми частицами

лавины,

т. е.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г /т\ —

И Де т

^погл

'2^Дет (X)i

 

 

 

 

 

3 \ I

 

а

В

 

 

 

 

 

 

 

ногл

і-^дет

 

і

 

 

 

 

 

 

где / д е т

— ионизация,

измеренная

 

і-п

детектором,

находя­

щимся под /-м слоем поглотителя;

 

Ij (х) — ионизация

в

ве­

ществе

калориметра

на

глубине х

под '/-м

слоем поглотителя;

о — средняя энергия,

расходуемая на образование одной пары

 

 

 

 

ионов; В —средние потери энер­

 

 

 

 

гии

 

на

ионизацию в

1 г/см2

ве­

 

 

 

 

щества.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким

образом,

измерение

 

 

 

 

ионизации

при

помощи

конеч­

 

 

 

 

ного

числа

детекторов

позво­

 

 

 

 

ляет

построить

кривую

/

(х),

 

 

 

 

дающую

мгновенное

распреде­

 

 

 

 

ление ионизации по всей толще

 

 

 

 

ионизационного

калориметра в

 

 

 

 

момент падения на него частицы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х, г/смг

Рис.

2.1.

Схема расположения иони­

Рис.

2.2.

Прпмер

распределения

зационных детекторов в ионизацион­

ионизации / (х) в ионизационном ка ­

 

 

ном калориметре.

лориметре

при

мгновенном

измере­

 

 

 

 

нии

ее в конечном

числе сечений.

высокой энергии (рис. 2.2). Далее по известному уже

соотношению

(1.1) (стр. 15) определяется энергия

упавшей частицы.

 

Очевидно, что чем тоньше каждый слой поглотителя (чем боль­

ше число слоев п),

тем увереннее отождествление средней

кривой

/ (х)

с

истинным

распределением

ионизации

по

всем

точкам

поглотителя. Однако рост п влечет за собой рост числа детекторов

ионизации.

Поэтому п не

может быть неограниченно большим

и должно

быть выбрано

с учетом технических возможностей.

Минимальное число рядов может быть получено из следующих соображений.

Основная часть энергии первичной частицы в ионизационном калориметре растрачивается на ионизацию электронами каскад­ ных лавин, образованных у-квантамп от распада п°-мезонов. Полуширина каскадной кривой для широкого диапазона энергий

Смотрите также файлы