Йонизационен калориметър (спектрометър за пълна абсорбция)

Йонизационният калориметър (спектрометър за пълна абсорбция) е устройство за измерване на енергията на частиците (адрони, електрони, фотони), основаващо се на пълното поглъщане в дебел слой материя на енергията както на първичната частица, така и на всички частици, образувани при нейното взаимодействие с материята. Принцип на действие. В резултат на взаимодействието с материята първичната частица относително бързо изразходва цялата си енергия за образуването на голям брой вторични частици и в крайна сметка за йонизацията. Йонизацията (брой йонни двойки) може да бъде измерена чрез декомпилация. детектори. Независимо от естеството на вторичните такси. частици и техните енергии за образуване на една двойка йони в веществото се изразходва определено. енергия W (вж. йонизационен потенциал), така че общата енергия на частица, която е попаднала в IR, е равна на:

Тук I е броят на йонните двойки, образувани от частици - продукти на взаимодействие на дълбочина x. Необходимата дебелина на веществото x0 се определя от условието за пълно усвояване на енергията на първичните и всички вторични частици. В случай на електрон или g-квант в йонната киселина, в веществото на йонния кристал се развива електрон-фотонна каскада (EPC). Зависимостта I (x) (каскадна крива) има един максимум (крива 1, фиг. 1). Дължината на EPC достига десетки радиуси. единици (1 радиационна единица - път t0, по който потокът от електрони с фиксирана енергия се затихва e пъти поради тормозно излъчване: t0 = 67 cm в графит, 2 cm в Fe; 0,32 cm в U). Когато високоенергийните адрони навлизат в ИЧ, процесът на разсейване на енергията протича на два етапа; първо, адронът, когато се сблъска с ядрото, произвежда мезони (р, К и др.) и избива нуклоните от ядрото. След това има колапс на ядрото-мишена, с която се излъчват силно йонизиращи частици (протони и ядрени фрагменти). Тъй като инцидентен адрон, като правило, спестява определена част от енергията (средно

1/2), процесът се повтаря, което води до развитието на т.нар. ядрена каскада. Вторичните адрони също създават свои. каскади. Във всеки акт това означава, че част от енергията (15-20%) се прехвърля към p ° -мезони (виж Pi-мезони). В резултат на поредица от последователни взаимодействия към p ° -мезони (и след това към фотони и електрони) при първичната адронова енергия E0 = 100 GeV се прехвърля до 75-85% от енергията му. Останалата част от енергията се прехвърля към силно йонизиращи частици. В плътно вещество, само незначително. част от енергията се отнася от мюони и неутрино [1]. Част от енергията се изразходва за разрушаване на ядрените връзки по време на делене на ядра и не се записва. Въпреки това, при висока енергия E0, частта от загубената (незаписана) енергия е незначителна. В резултат на това кривата на ядрената каскада (2, фиг. 1) е суперпозиция на последователни EPO. Дължината на ядрената каскада е няколко. тн.

Фигура: 1. Електронно-фотонни (1) и ядрени (2) каскадни криви в IR с абсорбери от Fe.

обхват на ядреното взаимодействие l (l е пътят, за който адронният поток с фиксирана енергия E0 се отслабва с коефициент e; l = 86 g/cm 2 = 39 cm в графит, 132 g/cm 2 = 16,8 cm във Fe, 194 g/cm2 = 17,1 cm в Pb). Адронните каскади в инфрачервен абсорбер се колебаят както във форма, така и в дълбочина. Това се дължи на колебанията в енергията, прехвърлена на p ° -мезони, съотношението между дължината на ЕРС и l, както и разпределението на точките на последователни взаимодействия на адрони [2]. Усреднената зависимост I (x) има 1 максимум и след това може да бъде описана от f-lo:

Тук b (x) е частта от енергията, предадена на p ° -мезони и силно йонизиращи частици на единица път. На E0

10 4 GeV е Ch. обр. загуба за производството на p ° - мезони (b

0,15-0,2 за нуклони) и каскадата се абсорбира e пъти при дължина (546) l, за пиони (3-4) l. На дълбочини x/(2-3) l по-голямата част от енергията се съдържа в пиони и поглъщането на каскадата се определя от тях. С намаляването на енергията E0 все повече и повече от нея се изразходва за образуването на силно йонизиращи частици и абсорбцията се ускорява. На E0

Каскадата от 200-400 GeV се абсорбира при дължина 2l, при по-ниски енергии

л. Напречният размер на каскадата при E0/100 GeV е близо до t0. При 10 GeV неутроните, произведени от ядрено делене, играят съществена роля. В този случай повече от 90% от енергията се абсорбира в радиуса r

0,5л. Формата на каскадните криви дава възможност да се установи естеството на частицата, която е влязла в йонизиращата камера (EPC е много по-къса от ядрените частици). Разликата във формата е особено голяма в случая на Pb, W или U, където t0bl. Видове и характеристики на IR. Използват се както хомогенни IR, състоящи се от дебел сцинтилаторен слой, така и слоести структури, при които абсорбиращите слоеве се редуват с детектори (по-често). В първия случай пълната йонизация се измерва незабавно, във втория йонизациите се сумират на дълбочини xi, където се намират детекторите. Като абсорбиращи вещества се използват графит, мрамор, бетон, Pb, месинг, Fe. Дебелината на слоя между детекторите се избира от условието за надеждна интерполация на каскадната крива между слоевете i и i + 1 (няколко t0). Общата дебелина x0 на веществото в IR зависи от скоростта на поглъщане на ядрената каскада. При E0 = 100-500 GeV x0/(748) l. Следователно общият брой на слоевете детектори в IR се определя от съотношението t0 и l. Оптималният брой детекторни слоеве (15-30) се извършва с абсорбер, направен от Fe. В IRC с по-леки абсорбатори броят на детекторите е по-малък, но x0 се увеличава силно. Naib, компактни IR от Pb, W или U, но те изискват по-голям брой детекторни слоеве. Като детектори се използват полупроводникови детектори, йонизационни камери, пропорционални камери, броячи на Черенков, сцинтилационни детектори. В експерименти с косми. лъчи се използват йонизация. камера, която ви позволява да изчислите абс. калибриране на I. до. [4]. Ускорителните експерименти изискват по-бързи детектори (вижте Комбинирани детекторни системи). Енергични. разделителна способност на IR със сцинтилационни детектори (900 g/cm 2 Fe, 30 слоя детектор) DE/E

200-300 GeV и варира

Д - 1/2. При ниски енергии може да се постигне висока разделителна способност чрез увеличаване на броя на откриващите слоеве. Най-добрата резолюция се постига при хомогенна I. до. (

1 GeV). Пространства, разделителната способност на детектора се определя от дължината t0 и вида на детектора. Пропорционални камери или други детектори с голямо пространство, разделителна способност и дебелина на пролуката за откриване

t0 ви позволява да получавате интервали. разрешение в уран I. до.

1-3 mm (измерва се напречното разпределение на йонизацията). Практически приложения. Първият И. к. Е създаден през 1957 г. в Памир за изследване на космоса. адрони, електрони и фотони с Е0

60-1000 GeV. Съдържа 109 йонизация. камери [3]. В продължението, I. в. С x0

(7-10) l и 20-30 слоя йонизация. камери са били използвани в комбинация с камери на Уилсън, искрови камери, ходоскопични. системи от броячи и с ядрени фотографски емулсии (фиг. 2). Те са били използвани при експерименти в планините и върху изкуствата, земните спътници (Протон, Интеркосмос и др.). Спектрите на първични космически частици до E0

10 6 GeV и спектри на определени ядра с E0 [10 5 GeV, както и взаимодействието на адроните с dec. ядра (вж. Космически лъчи). I. до. Използват се при изследване на слаби взаимодействия. Когато неутрино vj (i = e, m) взаимодействат с ядрата, възникват реакции с заредени токове

Фигура: 2. Диаграма на йонизационен калориметър в комбинация с ядрени фотоемулсии: 1 - мишена, при която възниква взаимодействието на космическа частица с ядра, водещо до появата на високоенергийни g-кванти; 2 - Pb слоеве, в които g-лъчението генерира електронно-фотонни каскади; 3 - фотографски емулсии, регистриращи следи от заредени частици; 4 - Fe слоеве, забавящи заредените частици; 5 - импулсни йонизационни камери.

vi + A''li + ca (където A е ядро, li е зареден лептон, cа е система от вторични адрони) и реакции с неутрални токове vi + A''vi + ca. Първите се появяват в резултат на обмена на W + -бозони, а вторите - от Z ° -бозони (вж. Електрослабо взаимодействие, Междинни векторни бозони). Тъй като напречното сечение за взаимодействие на неутрино с ядра е малко, целта трябва да има маса от десетки и стотици тона. В такава мишена се получава почти пълно разсейване на енергията на вторичните частици, тоест тя може да служи като абсорбер на инфрачервеното лъчение, което прави възможно едновременното измерване на характеристиките на вторичните частици. Такава цел - калориметър - е приложена, например, в експеримент, чиято цел е да се изследват свойствата на неутрално и заредено. течения (сътрудничество ЦЕРН - Хамбург - Амстердам - Рим - Москва). Инсталацията включва целеви калориметър, изработен от мрамор (абсорбер) и тороидален магнит от Fe, който служи за измерване на импулса на мюоните, произведени върху ядрата на абсорбера чрез тяхното отклонение в магнит. поле (обща монтажна дължина 20 m, напречно сечение 333 m 2). Високи пространства. разделителната способност се осигурява от сложна структура на детекторните слоеве, състояща се от сцинтилационни броячи, пропорционални и стримерни камери (фиг. 3). При изучаване на неутрални токове е необходимо да се определи импулсът pv и ъгълът на излъчване Vv на вторичното неутрино. Енергията Eа и ъгълът на излъчване Vа на адронната система са практически измерими. В експериментите е използван неутринен лъч с фиксирана енергия E0. Величините Ev, pv, Vv са свързани с E0, Vа, pa, Eа чрез съотношенията:

В случай на зареждане. токовете ve и pe се измерват директно. Точката на взаимодействие на неутрино с материя се определя с помощта на дрейфови и стримерни камери, адронната енергия Еа се определя с помощта на сцинтилационни броячи, а ъгълът Vа се определя от разпределението на амплитудите на сигналите от сцинтилационните броячи в напречната посока. Линията, свързваща точката на взаимодействие с йонизационните максимуми във всеки ред детектори, дава посоката на получения импулс на адрони Pa [5]. Naib, развитието на информационните технологии е постигнато в експерименти с ускорители на сблъскващи лъчи (колидери).

Фигура: 3. Инсталация за изследване на слаби взаимодействия (CERN): а - общ изглед; б - раздел.

Тук системите за инфрачервени измервания се използват за измерване на енергията на адрони, електрони и фотони в целия твърд ъгъл. Една от тези системи, UA-1 (CERN), предназначена да изследва взаимодействието на p протони и антипротони, беше използвана за откриване на бозоните W 6 и Z °. Инсталацията съдържа 108 I. k. При сблъсък p и кварк d и антикварк u например могат да генерират W - бозон, който след това се разпада в e и. Останалите кварки, заедно с двойките антикварки (родени от вакуум) дават началото

адронни струи, летящи по оста на сблъсъка (фиг. 4). Z ° бозоните се раждат по подобен начин. Центърът, част от настройката (център, детектор) е дрейф камера в магнит. поле, което ви позволява да възстановите траекториите на частиците, получени при сблъсък и да определите техните импулси. Центърът, детекторът по дължината си (6 м) е заобиколен от 48 полуцилиндрични. електрон-фотон I. до., в който се абсорбират електрони, позитрони и фотони и до ръж измерват енергията на тези частици. Те се състоят от сцинтилатор и Pb слоеве. Енергичните адрони проникват през тях в адронния калориметър, който служи като железен хомот на магнит, притиснат от 16 слоя сцинтилатори. И двете системи I.C.измерват енергията на адроните. Цялата настройка (UA-1) е заобиколена от 8 слоя дрейфови камери - мюонни детектори (фиг. 5). Вероятностите за образуване на бозони W 6 и Z ° са много малки:
адроните са от порядъка на 10 -8, а частта от процеса на адроните е от порядъка на 10 -9 от общия брой процеси, протичащи при сблъсъка p и. При идентифициране на W 6 -бозони се разглеждат събития, при които се появява електрон (позитрон) с голям напречен импулс. Единичният заряд се счита за електрон. частица, регистрирана от детектор на цент, енергията на порязване (

40 GeV) е напълно наводнен в спектъра на електронно-фотонното излъчване, а кадърният профил съответства на EPC. В този случай енергията, дадена в I.K., съвпада с тази, измерена в центъра, детектори Dr. характерен знак за разпадането на W 6 '' + е липсата на баланс на напречната енергия, което показва, че електронът избягва в посока, положителна към посоката на полета. В резултат неутриното изчезва от съзнанието, всички останали частици или спират в ИЧ (електроните, фотонните адрони), или оставят следа (мюони) в него. И двете. Това, комбинирано с оценка на масата на електронно-неутринната система, показва съществуването на бозона W 6. Z ° бозонът се открива от измерената инвариантна маса на две наблюдавани двойки m + m - или e + e -. В последния случай се използват калориметрия, данни за енергията на електрон и позитрон за определяне на масата на Z ° -бозона [6].