ионизационный калориметр

ИОНИЗАЦИОННЫЙ КАЛОРИМЕТР (спектрометр полного поглощения) - прибор для измерения энергии частиц (адронов, электронов, фотонов), основанный на полном поглощении в толстом слое вещества энергии как первичной частицы, так и всех частиц, образующихся при её взаимодействии с веществом. Принцип действия. В результате взаимодействия с веществом первичная частица сравнительно быстро растрачивает всю энергию на образование большого числа вторичных частиц и, в конечном счёте, на ионизацию. Ионизация (число пар ионов) может быть измерена разл. детекторами. Независимо от природы вторичных заряж. частиц и их анергии на образование одной пары ионов в веществе тратится определ. энергия W (см. Ионизационный потенциал ),так что полная энергия частицы, попавшей в И. к., равна:

Здесь I - число пар ионов, образованных частицами - продуктами взаимодействия на глубина х. Необходимая толщина вещества х₀ определяется условием полного поглощения энергии первичной и всех вторичных частиц. В случае попадания в И. к. электрона или g-кванта в веществе И. к. развивается электронно-фотонный каскад (ЭФК). Зависимость I(х) (каскадная кривая) имеет один максимум (кривая 1, рис. 1). Длина ЭФК достигает десятков радиац. единиц (1 радиац. единица - путь t₀, на к-ром поток электронов фиксированной энергии из-за тормозного излучения ослабляется в е раз: t₀=67 см в графите, 2 см в Fe; 0,32 см в U). При попадании в И. к. адронов высокой энергии процесс диссипации энергии происходит в 2 этапа; вначале адрон при столкновении с ядром рождает мезоны (p, К и др.) и выбивает из ядра нуклоны. Затем происходит развал ядра-мишени, при к-ром испускаются сильно ионизирующие частицы (протоны и осколки ядер). Т. к. налетающий адрон, как правило, сохраняет значит, часть энергии (в среднем ~¹/₂), процесс повторяется, что приводит к развитию т. н. ядерного каскада. Вторичные адроны также создают собств. каскады. В каждом акте значит, доля энергии (15-20%) передаётся p°-мезонам (см. Пи-мезоны ).В результате серии последовательных взаимодействий p°-мезонам (а затем фотонам и электронам) при энергии первичного адрона E₀=100 ГэВ передаётся до 75-85% его энергии. Остальная энергия передаётся сильно ионизующим частицам. В плотном веществе лишь незначнт. доля энергии уносится мюонами и нейтрино [1]. Часть энергии расходуется на разрушение ядерных связей при расщеплении ядер и не регистрируется. Однако при высокой энергии E₀ доля теряемой (не регистрируемой) энергии пренебрежимо мала. В результате ядерно-каскадная кривая (2, рис. 1) представляет собой суперпозицию последовательных ЭФК. Длина ядерного каскада составляет неск. т. н.

Рис. 1. Электронно-фотонные (1) и ядерные (2) каскадные кривые в И. к. с поглотителями из Fе.

пробегов ядерного взаимодействия l(l - путь, на к-ром поток адронов фиксированной энергии E₀ ослабляется в е раз; l=86 г/см²=39 см в графите, 132 г/см²=16,8см в Fe, 194 г/см²=17,1 см в Pb). Адронные каскады в поглотителе И. к. флуктуируют как по форме, так и по глубине. Это обусловлено флуктуациями энергии, передаваемой p°-мезонам, соотношением между длиной ЭФК и l, а также распределением точек последовательных взаимодействий адронов [2]. Усреднённая зависимость I(х) имеет 1 максимум и после него может быть описана ф-лой:

<I(x)>~exp[-b(x)x]. (2)

Здесь b(х) -доля энергии, передаваемая p°-мезонам и сильно ионизующим частицам на единице пути. При E₀ ~10⁴ ГэВ это гл. обр. потери на образование p°- мезонов (b~0,15-0,2 для нуклонов) и каскад поглощается в е раз на длине (546)l, для пионов (3-4)l. На глубинах х/(2-3)l большая часть энергии содержится в пионах, и поглощение каскада определяется ими. По мере уменьшения энергии E₀ всё большая её часть уходит на образование сильно ионизующих частиц и поглощение убыстряется. При E₀~200-400 ГэВ каскад поглощается на длине 2l, при меньших энергиях ~l. Поперечный размер каскада при E₀/100 ГэВ близок к t₀. При 10 ГэВ заметную роль играют нейтроны, образовавшиеся при ядерных расщеплениях. При этом более 90% энергии поглощается в радиусе r~0,5l. Форма каскадных кривых даёт возможность установить природу попавшей в И. к. частицы (ЭФК значительно короче ядерных). Особенно велика разница формы в случае Рb, W или U, где t₀Ъl. Типы и характеристики И. к. Применяются как гомогенные И. к., состоящие из толстого слоя сцинтиллятора, так и слоистые структуры, где слои поглотителя чередуются с детекторами (чаще). В первом случае измеряется сразу полная ионизация, во втором суммируются ионизации на глубинах х_i, где расположены детекторы. В качестве поглощающего вещества используются графит, мрамор, бетон, Рb, латунь, Fe. Толщина слоя между детекторами выбирается из условия надёжной интерполяции каскадной кривой между слоями i и i+1 (неск. t₀). Полная толщина x₀ вещества в И. к. зависит от скорости поглощения ядерного каскада. При E₀=100-500 ГэВ x₀/(748)l. Поэтому полное число слоев детекторов в И. к. определяется соотношением t₀ и l. Оптимальное число слоев детекторов (15-30) осуществляется с поглотителем из Fe. В И. к. с более лёгкими поглотителями число детекторов меньше, но сильно растёт х₀. Наиб, компактны И. к. из Pb, W или U, но они требуют большего числа слоев детекторов. В качестве детекторов применяются полупроводниковые детекторы, ионизационные камеры, пропорциональные камеры, черенковские счётчики, сцинтилляционные детекторы. В экспериментах с космич. лучами используются ионизац. камеры, что позволяет рассчитать абс. калибровку И. к. [4]. В экспериментах на ускорителях необходимы более быстродействующие детекторы (см. Комбинированные системы детекторов). Энергетнч. разрешающая способность И. к. со сцинтилляционными детекторами (900 г/см² Fe, 30 слоев детекторов) DE/E~12-13% при E₀~200-300 ГэВ и изменяется ~E^-1/2. При низких энергиях высокое разрешение может быть достигнуто увеличением числа детектирующих слоев. Наилучшее разрешение достигается в гомогенных И. к. (~10% при E₀~10 ГэВ; ~20% при E₀~1 ГэВ). Пространств, разрешение И. к. определяется длиной t₀ и типом детектора. Пропорциональные камеры или др. детекторы с высоким пространств, разрешением и толщиной детектирующего промежутка ~t₀ позволяют получить пространств. разрешение в урановом И. к. ~1-3 мм (измеряется поперечное распределение ионизации). Практические применения. Первый И. к. был создан в 1957 на Памире для исследования космич. адронов, электронов и фотонов с E₀~60-1000 ГэВ. Он содержал 109 ионизац. камер [3]. В дальнейшем И. к. с x₀~(7-10)l и 20-30 слоями ионизац. камер применялись в сочетании с камерами Вильсона, искровыми камерами, годоскопич. системами счётчиков и с ядерными фотоэмульсиями (рис. 2). Они использовались в экспериментах в горах и на искусств, спутниках Земли ("Протон", "Интеркосмос" и др.). С помощью И. к. были исследованы спектры первичных космических частиц до E₀~10⁶ ГэВ и спектры нек-рых ядер с E₀[10⁵ ГэВ, а также взаимодействие адронов с разл. ядрами (см. Космические лучи). И. к. используются при исследовании слабых взаимодействий. При взаимодействии нейтрино v_j(i=e, m) с ядрами происходят реакции с заряженными токами

Рис. 2. Схема ионизационного калориметра в сочетании с ядерными фотоэмульсиями: 1 - мишень, в которой происходит взаимодействие космической частицы с ядрами, приводящее к появлению g-квантов высоких энергий; 2 - слои Рb, в которых g-излучение порождает электронно-фотонные каскады; 3 - фотоэмульсии, регистрирующие треки заряженных частиц; 4 - слои Fe, тормозящие заряженные частицы; 5 - импульсные ионизационные камеры.

v_i+A''l_i+c_a (где А - ядро, l_i - заряж. лептон, c_а - система вторичных адронов) и реакции с нейтральными токами v_i+A''v_i+c_a. Первые происходят в результате обмена W⁺-бозонами, вторые - Z°-бозонами (см. Электрослабое взаимодействие, Промежуточные векторные бозоны). Т. к. сечение взаимодействия нейтрино с ядрами мало, то мишень должна иметь массу в десятки и сотни тонн. В такой мишени происходит почти полная диссипация энергии вторичных частиц, т. е. она может служить поглотителем И. к., к-рый позволяет одновременно измерить характеристики вторичных частиц. Такая мишень - калориметр реализована, напр., в эксперименте, цель к-рого - исследование свойств нейтральных и заряж. токов (сотрудничество ЦЕРН - Гамбург - Амстердам - Рим-Москва). Установка включает мишень-калориметр из мрамора (поглотитель) и тороидальный магнит из Fe, к-рый служит для измерения импульса рождающихся на ядрах поглотителя мюонов по их отклонению в магн. поле (общая длина установки 20 м, сечение 333 м²). Высокое пространств. разрешение обеспечивается сложной структурой детекторных слоев, состоящих из сцинтилляционных счётчиков, пропорциональных и стриммерных камер (рис. 3). При исследовании нейтральных токов необходимо определить импульс р_v и угол вылета V_v вторичного нейтрино. Практически измеримыми являются энергия E_а и угол вылета V_а адронной системы. В экспериментах использовался пучок нейтрино с фиксированной энергией E₀. Величины E_v, p_v, V_v связаны с E₀, V_а, р_а, E_а соотношениями:

В случае заряж. токов v_е и р_е измеряются непосредственно. Точка взаимодействия нейтрино с веществом определяется с помощью дрейфовых и стримерных камер, энергия адронов E_a - с помощью сцинтиляционных счётчиков, а угол V_а по распределению амплитуд сигналов сцинтилляционных счётчиков в поперечном направлении. Линия, соединяющая точку взаимодействия с максимумами ионизации в каждом ряду детекторов, даёт направление результирующего импульса адронов Рa [5]. Наиб, развития И. к. достигли в экспериментах на ускорителях со встречными пучками (коллайдерах).

Рис. 3. Установка для исследования слабых взаимодействий (ЦЕРН): а - общий вид; б - сечение.

Здесь применяются системы И. к. для измерения энергии адронов, электронов и фотонов в пределах всего телесного угла. Одна из таких систем UA-1 (ЦЕРН), предназначенная для изучения взаимодействия протонов р и антипротонов, была использована для открытия W⁶- и Z°-бозонов. Установка содержит 108 И. к. При столкновении р и кварк d и антикварк u, напр., могут породить W^--бозон, к-рый затем распадается на е и . Остальные кварки вместе с антикварковыми парами (рождёнными из вакуума) дают начало

струям адронным, летящим вдоль оси столкновений (рис. 4). Аналогично рождаются и Z°-бозоны. Центр, часть установки (центр, детектор) представляет собой дрейфовую камеру в магн. поле, к-рая позволяет восстановить траектории частиц, рождающихся при столкновении , и определить их импульсы. Центр, детектор вдоль своей длины (6 м) окружён 48 полуцилиндрич. электронно-фотонными И. к., в к-рых поглощаются электроны, позитроны и фотоны и к-рые измеряют энергию этих частиц. Они состоят из слоев сцинтиллятора и Рb. Энергичные адроны проникают через них в адронный калориметр, к-рым служит железное ярмо магнита, прослоённое 16 слоями сцинтилляторов. Обе системы И. к. измеряют энергию адронов. Вся установка (UA-1) окружена 8 слоями дрейфовых камер - мюонных детекторов (рис. 5). Вероятности рождения W⁶ и Z°-бозонов очень мала: доля процесса
адроны порядка 10^-8, а доля процесса адроны порядка 10^-9 от полного числа процессов, идущих при столкновении р и. При идентификации W⁶-бозонов рассматривались события, в к-рых возникал электрон (позитрон) с большим поперечным импульсом. Электроном считалась одиночная заряж. частица, зарегистрированная цент детектором, энергия к-рой (~40 ГэВ) полностью лотилась в электронно-фотонном И. к., а профиль када соответствовал ЭФК. При этом энергия, выд нал в И. к., совпадает с измеренной в центр, детек Др. характерным признаком распада W⁶''+ является отсутствие баланса поперечной энергии указывает на вылет но в направлении, положном направлении лета электрона. Из ум ки нейтрино исчезает следно, все остальные тицы либо останавлива в И. к. (электроны, фот адроны), либо оставляь ней след (мюоны). Оба. нака в сочетании с оценкой массы системы электрон-нейтрино указывали на существование W⁶-бозона. Z°-бозон обнаружен по измеренной инвариантной массе двух наблюдаемых пар m⁺ m^- или е⁺ е^-. В последнем случае для определения массы Z°-бозона используются калориметрия, данные об энергии электрона и позитрона [6].

Лит.: 1) Murzin V. S., Principles and application of the ionization calorimeter, в кн.: Progress in elementary particle and cosmic ray physics, v. 9, Amst., 1967; 2) Демьянов А. И., Мурзин B.C., Сарычева Л. И., Ядерно-каскадный процесс в плотном веществе, М., 1977; 3) Григоров Н. Л., Мурзин B.C., Рапопорт И. Д., Метод измерения энергии частиц в области выше 10¹¹ eV, "ЖЭТФ", 1958, т. 34, с. 506; 4), Мурзин B.C., Сарычева Л. И., Космические лучи и их взаимодействие, М., 1968; 5) Вееr А. и др., The central calorimeter of the UA 2 experiment at the CERN collider "Nucl. Instr. and Meth. in Physics Research", 1984, v. A224, p 360; 6) Fabjan C. W., Lundlam Т., Calorimetry in high-energy physics, "Ann. Rev. Nucl. Part. Sci.", 1982, v. 32, p. 335; 7) A1brоw M. G., Issues of calorimetry, "Nucl. Phys.", 1987, v. A 461, p. 417. В. С. Мурзин.

   <<      Предметный указатель      >>