Іонізаційний калориметр (спектрометр повного поглинання)
Іонізаційний калориметр (спектрометр повного поглинання) - прилад для вимірювання енергії частинок (адронів, електронів, фотонів), заснований на повному поглинанні в товстому шарі речовини енергії як первинної частинки, так і всіх частинок, що утворюються при взаємодії з речовиною.Принцип дії. В результаті взаємодії з речовиною первинна частка порівняно швидко витрачає всю енергію на утворення великої кількості вторинних частинок і, в кінцевому рахунку, на іонізацію. Іонізація (кількість пар іонів) може бути виміряна разл. детектори. Незалежно від природи вторинних зарядів. частинок та його анергії освіту однієї пари іонів у речовині витрачається определен. енергія W (див. Іонізаційний потенціал ),так що повна енергія частинки, що потрапила в І. до., дорівнює: Тут I - число пар іонів, утворених частинками - продуктами взаємодії на глибина х. Необхідна товщина речовини х0 визначається умовою повного поглинання первинної енергії та всіх вторинних частинок. У разі влучення в І. до. електрона або g-кванта в речовині І. до. розвивається електронно-фотонний каскад (ЕФК). Залежність I(х) (каскадна крива) має максимум (крива 1, рис. 1). Довжина ЕФК досягає десятків радіацій. одиниць (1 радіац. одиниця - шлях t0, на якому потік електронів фіксованої енергії через гальмівного випромінювання послаблюється в раз: t0 = 67 см у графіті, 2 см в Fe; 0,32 см в U). При попаданні в І. до. адронів високої енергії процес дисипації енергії відбувається у 2 етапи; Спочатку адрон при зіткненні з ядром народжує мезони (p, К та ін) і вибиває з ядра нуклони. Потім відбувається розвал ядра-мішені, при якому випромінюються сильно іонізуючі частинки (протони і осколки ядер). Т. до. налітаючий адрон, як правило, зберігає означає, частина енергії (в середньому
1/2),процес повторюється, що призводить до розвитку т.з. ядерного каскаду. Вторинні адрони також створюють власні. каскади. У кожному акті означає, частка енергії (15-20%) передається p°-мезонам (див. Пі-мезони ). передається до 75-85% енергії. Решта енергії передається сильно іонізуючим частинкам. У щільній речовині лише незначні. частка енергії відноситься мюонами та нейтрино [1]. Частина енергії витрачається на руйнування ядерних зв'язків при розщепленні ядер і реєструється. Однак при високій енергії E0 частка енергії, що втрачається (не реєструється) зневажливо мала. В результаті ядерно-каскадна крива (2, рис. 1) є суперпозицією послідовних ЕФК. Довжина ядерного каскаду становить дек. т.з.
пробігів ядерної взаємодії l(l - шлях, на якому потік адронів фіксованої енергії E0 послаблюється в раз; l=86 г/см 2 =39 см у графіті, 132 г/см 2 =16,8см в Fe, 194 г /см 2 =17,1 см в Pb). Адронні каскади в поглиначі І. до. флуктують як за формою, так і за глибиною. Це пов'язано з флуктуаціями енергії, що передається p°-мезонам, співвідношенням між довжиною ЕФК і l, а також розподілом точок послідовних взаємодій адронів [2]. Усереднена залежність I(х) має 1 максимум і після нього може бути описана ф-лою:
Тут b(х) -частка енергії, що передається p°-мезонам і сильно іонізуючим частинкам на одиниці шляху. При E0
10 4 ГеВ це гол. обр. втрати на освіту p-мезонів (b
0,15-0,2 для нуклонів) і каскад поглинається в раз на довжині (546)l, для півонії (3-4)l. На глибинах х/(2-3)l більша частинаенергії міститься в півонії, і поглинання каскаду визначається ними. У міру зменшення енергії E0 все більша її частина йде на утворення сильно іонізуючих частинок і прискорюється поглинання. При E0
200-400 ГеВ каскад поглинається на довжині 2l, при менших енергіях
l. Поперечний розмір каскаду при E0/100 геВ близький до t0. При 10 геВ помітну роль грають нейтрони, що утворилися при ядерних розщеплення. При цьому понад 90% енергії поглинається у радіусі r
0,5l. Форма каскадних кривих дає можливість встановити природу частинки, що потрапила в І. до. (ЕФК значно коротша за ядерні). Особливо велика різниця форми у разі Рb, W або U, де t0Ъl. Типи і характеристики І. до. У першому випадку вимірюється відразу повна іонізація, у другому підсумовуються іонізації на глибинах хi, де розташовані детектори. Як поглинаючу речовину використовуються графіт, мармур, бетон, Рb, латунь, Fe. Товщина шару між детекторами вибирається з умови надійної інтерполяції каскадної кривої між шарами i та i+1 (неск. t0). Повна товщина x0 речовини І. до. залежить від швидкості поглинання ядерного каскаду. При E0=100-500 ГеВ x0/(748)l. Тому повне число шарів детекторів І. до. визначається співвідношенням t0 і l. Оптимальна кількість шарів детекторів (15-30) здійснюється з поглиначем Fe. В І. до. з легшими поглиначами число детекторів менше, але сильно зростає х0. Найбільш компактні І. к. з Pb, W або U, але вони вимагають більшого числа шарів детекторів. Як детектори застосовуються напівпровідникові детектори, іонізаційні камери, пропорційні камери, черенківські лічильники, сцинтиляційні детектори. Уексперименти з косміч. променями використовуються іонізація. камери, що дозволяє розрахувати абс. калібрування І. к. [4]. В експериментах на прискорювачах необхідні швидкодіючі детектори (див. Комбіновані системи детекторів). Енергетичні. роздільна здатність І. к. зі сцинтиляційними детекторами (900 г/см 2 Fe, 30 шарів детекторів) DE/E
200-300 ГеВ та змінюється
E-1/2. При низьких енергіях висока роздільна здатність може бути досягнуто збільшенням числа шарів, що детектують. Найкращий дозвіл досягається в гомогенних І. до.
1 ГеВ). Просторів, роздільна здатність І. до. визначається довжиною t0 і типом детектора. Пропорційні камери або ін.
t0 дозволяють отримати простори. дозвіл в урановому І. до.
1-3 мм (вимірюється поперечний розподіл іонізації). Практичні застосування. Перший І. до. був створений у 1957 на Памірі для дослідження косміч. адронів, електронів та фотонів з E0
60-1000 ГеВ. Він містив 109 іонізацій. камер [3]. Надалі І. до. з x0
(7-10)l і 20-30 шарами іонізації. камер застосовувалися разом із камерами Вільсона, іскровими камерами, годоскопич. системами лічильників та з ядерними фотоемульсіями (рис. 2). Вони використовувалися в експериментах у горах і мистецтв, супутниках Землі ("Протон", "Інтеркосмос" та ін.). За допомогою І. до. були досліджені спектри первинних космічних частинок до E0
10 6 ГеВ і спектри деяких ядер з E0 [10 5 ГеВ, а також взаємодія адронів з разл. ядрами (див. Космічні промені). І. до. використовуються при дослідженні слабких взаємодій. При взаємодії нейтрино vj(i=e, m) з ядрами відбуваються реакції із зарядженими струмами
vi+A''li+ca (де А - ядро, li - зарядж. лептон, cа - система вторинних адронів) та реакції з нейтральними струмами vi+A''vi+ca. Перші відбуваються в результаті обміну W+-бозонами, другі - Z°-бозонами (див. Електрослабку взаємодію, Проміжні векторні бозони). Оскільки перетин взаємодії нейтрино з ядрами мало, то мета повинна мати масу в десятки і сотні тонн. У такій мішені відбувається майже повна диссипація енергії вторинних частинок, тобто вона може служити поглиначем І. до., який дозволяє одночасно виміряти характеристики вторинних частинок. Така мета - калориметр реалізована, напр., в експерименті, мета якого - вивчення якостей нейтральних і заряд. струмів (співпраця ЦЕРН – Гамбург – Амстердам – Рим-Москва). Установка включає мішень-калориметр з мармуру (поглинач) і тороїдальний магніт з Fe, який служить для вимірювання імпульсу поглинача мюонів, що народжуються на ядрах, за їх відхилення в магн. поле (загальна довжина установки 20 м, перетин 333 м2). Висока простір. роздільна здатність забезпечується складною структурою детекторних шарів, що складаються з сцинтиляційних лічильників, пропорційних і стримерних камер (рис. 3). При дослідженні нейтральних струмів необхідно визначити імпульс рv та кут вильоту Vv вторинного нейтрино. Практично вимірними є енергія Eа та кут вильоту Vа адронної системи. В експериментах використовувався нейтрино пучок з фіксованою енергією E0.Величини Ev, pv, Vv пов'язані з E0, Vа, ра, Eа співвідношеннями: У разі зарядж. струмів vе і ре вимірюються безпосередньо. Точка взаємодії нейтрино з речовиною визначається за допомогою дрейфових та стримерних камер, енергія адронів Ea – за допомогою сцинтиляційних лічильників, а кут Vа за розподілом амплітуд сигналів сцинтиляційних лічильників у поперечному напрямку. Лінія, що з'єднує точку взаємодії з максимумами іонізації у кожному ряду детекторів, дає напрямок результуючого імпульсу адронів Рa [5]. Наиб розвитку І. до. досягли в експериментах на прискорювачах з зустрічними пучками (колайдерах).
Тут застосовуються системи І. до. для вимірювання енергії адронів, електронів та фотонів у межах всього тілесного кута. Одна з таких систем UA-1 (ЦЕРН), призначена для вивчення взаємодії протонів р і антипротонів, була використана для відкриття W 6 - Z-бозонів. Установка містить 108 І. к. При зіткненні р і кварк d і антикварк u, напр., можуть породити W - бозон, який потім розпадається на е і . Інші кварки разом з антикварковими парами (народженими з вакууму) дають початок струменям адронним, що летять уздовж осі зіткнень (рис. 4). Аналогічно народжуються і Z-бозони. Центр, частина установки (центр, детектор) є дрейфової камери в магн. поле, яка дозволяє відновити траєкторії частинок, що народжуються при зіткненні , і визначити їх імпульси. Центр, детектор уздовж своєї довжини (6 м) оточений 48 напівциліндрич. електронно-фотонними І. до., в яких брало поглинаються електрони, позитрони і фотони і які вимірюють енергію цих частинок. Вони складаються з шарів сцинтилятора та Рb. Енергійні адрони проникають через них уадронний калориметр, яким служить залізне ярмо магніту, прошароване 16 шарами сцинтиляторів. Обидві системи І. до. вимірюють енергію адронів. Вся установка (UA-1) оточена 8 шарами дрейфових камер – мюонних детекторів (рис. 5). Імовірності народження W 6 і Z°-бозонів дуже мала: частка процесу адрони порядку 10 -8 , а частка процесу адрони порядку 10 -9 від повного числа процесів, що йдуть при зіткненні р і. При ідентифікації W 6 -бозонів розглядалися події, в яких брало виникав електрон (позитрон) з великим поперечним імпульсом. Електроном вважалася одиночна заряд. частка, зареєстрована цент детектором, енергія к-рой (
40 ГеВ) повністю лотилася в електронно-фотонному І. до., а профіль Када відповідав ЕФК. При цьому енергія, видав в І. до., збігається з виміряною в центр, діток Др. характерною ознакою розпаду W 6 ''+ є відсутність балансу поперечної енергії вказує на виліт але у напрямку, положеному напрямку літа електрона. З умки нейтрино зникає слідом, всі інші тици або зупиняється в І. к. (електрони, фотоадрони), або залишати нею слід (мюони). Обидва. Нака в поєднанні з оцінкою маси системи електрон-нейтрино вказували на існування W 6 -бозону. Z°-бозон виявлено за виміряною інваріантною масою двох пар m + m - або е + е - . В останньому випадку для визначення маси Z°-бозону використовуються калориметрія, дані про енергію електрона та позитрону [6].
