комбинированные системы детекторов

КОМБИНИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ ДЕТЕКТОРОВ - совокупность совмещённых в единой эксперим. установке однотипных или различающихся по принципу действия, конструкции и назначению детекторов частиц, позволяющая получать детальную информацию о свойствах и взаимодействии элементарных частиц и атомных ядер. С помощью К. с. д. удаётся измерять сечения взаимодействия и образования элементарных честиц, ядер и т. н. резонансов ,осуществлять поиск новых частиц и исследовать их свойства; определять времена жизни и способы (м о д ы) распада нестабильных частиц, изучать характеристики взаимодействия элементарных частиц, в т. ч. на кварк-глюонном уровне (см. Квантовая хромодинамика ),и т. п.

К. с. д. являются основной эксперим. базой каждого совр. ускорителя. Их размеры достигают десятков метров, масса ~10²-10³ т, кол-во каналов информации до 10⁵, численность персонала - многих десятков человек, затраты на сооружение - значит. долю стоимости всего ускорит. комплекса.

Наиб, простые К. с. д., в к-рых разные методы регистрации частиц совмещены в едином приборе, наз. гибридными детекторами. Более сложные К. с. д., позволяющие определять координаты точек траектории частиц, их число, заряд, импульс (энергию), массу и т. д., наз. спектрометрами, спектрометры, содержащие детекторы разных типов, наз. гибридными. Примером последних может служить т. н. Европейский гибридный спектрометр (CERN), к-рый наряду с электронными детекторами содержит пузырьковую камеру с коротким (порядка 0,1 с) рабочим циклом, освещаемую по сигналу электронных детекторов (триггеру).

Крупномасштабным спектрометрам, как и ускорителям, присваивают собств. имена: Аргус, Тассо (ФРГ), Бис, Гиперон (ОИЯИ), Делфи, Омега, Гелиос (CERN), Икар (ЛИЯФ), Клео, Марк II и III (США) и др.

Необходимость изучать редкие и сложные процессы при интенсивном фоне посторонних событий предъявляет жёсткие требования к точности измерений характеристик первичной и вторичных частиц (включая нейтральные), а также к достоверности их идентификации. Эффективность регистрации быстрых частиц (в телесном угле, близком к ) достигает 100%; точность измерения координат их траекторий порядка 0,1 мм; импульса (энергии) первичной частицы - долей %, а вторичных порядка неск. %, достоверность идентификации первичных адронов ок. 100%, вторичных до 90% и выше, электронов и мюонов более 99,99%.

Потоки частиц, проходящих через К. с. д., достигают 10⁶-10⁷ с^-1. Сложность обработки результатов измерений при большом числе каналов информации и высокой скорости регистрации событий, как правило, не позволяет анализировать их в реальном масштабе времени. Поэтому информацию записывают, напр., на магн. ленту и обрабатывают по окончании эксперимента.

Структура большинства К. с. д. сходна, хотя выбор, кол-во, размеры и расположение их элементов зависят от конкретной задачи. Наиб. типичные элементы: мишень, где взаимодействует первичная частица; окружающий мишень т. н. вершинный детектор, к-рый фиксирует продукты взаимодействия и определяет направление их вылета; координатные детекторы, локализующие траектории первичной и вторичных частиц; спектрометрич. детекторы, измеряющие импульсы вторичных частиц или их энергию; идентификаторы вторичных адронов, электронов, мюонов.

Мишень представляет собой неподвижный образец, облучаемый пучком частиц (фиксированная мишень), либо сами сталкивающиеся частицы встречных пучков ускорителя - коллайдера. Для исследования элементарного акта на ускорителях с фиксированной мишенью, как правило, применяют лёгкие вещества (Н₂, D₂), а для изучения столкновений частиц и ядер с ядрами - более тяжёлые, вплоть до U. Часто используют т.н. поляризованные мишени, содержащие заметную долю поляризованных ядер водорода (см. Ориентированные ядра).

Первичный пучок в опытах с неподвижной мишенью создаётся выводом части ускоренного пучка ("выведенный" пучок) либо рассеянием его на внутр. мишени ускорителя. В последнем случае неоднородный по составу расходящийся пучок формируется в моноим-пульсный и коллимированный с помощью магнитов и фокусирующих магн. линз. Момент прохождения каждой частицы пучка фиксируется быстродействующими триггерными счётчиками (как правило, сцинтилляционными), а её идентификация чаще всего осуществляется черенковскими детекторами. Расстояния, необходимые для формирования смешанных ад-ронных пучков при импульсах частиц порядка 10² ГэВ/с, составляют 100 м и более.

Вершинный детектор непосредственно окружает мишень (в случае встречных пучков - место встречи) и имеет эффективность регистрации вторичных частиц ~100%, пространств. разрешение 10-30 мкм. Это, в основном, прецизионные проволочные многослойные пропорциональные камеры и дрейфовые камеры, кремниевые "микростриповые" (с полосковыми электродами) детекторы (см. Полупроводниковый детектор ),реже - др. трековые детекторы частиц. В последнем случае мишень (в т. ч. жидководородная) может находиться внутри вершинного детектора, напр, стримерной или тяжеложидкостной пузырьковой камеры. Иногда ф-ции мишени и вершинного детектора совмещаются (стопка ядерных фотографических эмульсий; пузырьковые камеры с жидкими Н₂, D₂, He; водородная ионизационная камера высокого давления и т. п.).

Координатные детекторы, локализующие траектории первичной и вторичных частиц, обладают пространств. точностью ~0,1-0,2 мм при размерах в неск. м³. В случае неподвижной мишени для этих целей используют годоскопы сцинтилляц. детекторов и плоские проволочные пропорциональные и дрейфовые камеры большой площади. В коллайдерах область столкновения частиц окружают многослойными проволочными цилиндрич. пропорциональными и дрейфовыми камерами (т. н. центр. детекторы). Центр. детекторы позволяют не только реконструировать пространств. картину наблюдаемых многочастичных событий, но иногда идентифицировать вторичные ад-роны по ионизации в газе.

В К. с. д. очень больших размеров, применяемых, напр., для исследования космич. излучения или поиска распада протона, где использование проволочных камер нецелесообразно (по экономич. соображениям), применяют годоскопы ионизационных камер, импульсных разрядных трубок, стримерных трубок, жидкостных и пластмассовых сцинтилляци-онных детекторов и т. п. В этом случае координатная точность определяется размерами ячейки годоскопа (см. Телескоп счётчиков ).При регистрации ливня частиц его ось удаётся локализовать со значительно более высокой точностью, если определять положение центра "тяжести" амплитудного распределения сигналов, используя информацию об энерговыделении в неск. соседних годоскопич. каналах (см. также Координатные детекторы).

Спектрометрия вторичных частиц осуществляется по отклонению в магн. поле или с помощью ионизац., сцинтилляц. и черенковских калориметров. В первом случае в состав К. с. д. вводят магнит с центральным или др. координатными детекторами, что позволяет определить импульс каждой вторичной частицы по кривизне её траектории в магн. поле (см. Магнитный спектрометр).

Калориметры (спектрометры полного поглощения) измеряют энергию и координаты оси адронного или эл--магн. ливня, что особенно важно в случае нейтральных частиц. Точность измерений пропорц. . Поэтому значение калориметрич. метода возрастает с увеличением энергии частиц. Малое время формирования ливневого сигнала в сцинтилляцион-ных и черенковских калориметрах позволяет использовать его при создании быстрого триггера К. с. д. (см. ниже).

Идентификация частиц осуществляется путём оценки их массы (заряж. адроны) либо по характеру распада или взаимодействия с веществом (электроны, g-кван кванты, нейтральные мезоны и барионы, мюоны, нейтрино). Для оценки массы, кроме импульса или энергии, определяют скорость v частицы по времени пролёта с помощью сцинтилляц. и искровых счётчиков или по интенсивности и углу излучения Вавилова - Че-ренкова (черепковские счётчики - пороговые, дифференциальные и с регистрацией колец излучения Вавилова - Черенкова) либо определяют её л о р е н цфактор (отношение полной энергии частицы к массе покоя) по производимой частицей ионизации или интенсивности рентг. переходного излучения в слоистом радиаторе. При этом ионизирующую способность частиц измеряют в многослойных пропорциональных и дрейфовых камерах, в т. ч. с продольным дрейфом электронов, а также в стримерных камерах. Рентг. переходное излучение регистрируют детекторами, содержащими неск. рядов многослойных радиаторов из тонких плёнок лёгкого вещества (Li, полипропилена и т. п.) и пропорц. камер с тяжелым газом (Хе), эффективно регистрирующих рентг. кванты с энергией ~5-20 кэВ. Такие переходного излучения детекторы способны достоверно выделять вторичные электроны на фоне большого числа др. частиц.

Быстрые мюоны идентифицируют по их способности проходить через толстые слои вещества, а медленные - по электронам распада, к-рые регистрируются с временной задержкой ~10^-6 с.

Нейтральные вторичные частицы идентифицируют с помощью кинематич. анализа, привлекая характеристики заряж. частиц, сопровождающих их рождение, взаимодействие, распад.

Триггер. В общем случае - это иерархич. система реализуемых с помощью электроники последовательно усложняющихся логич. решений, к-рые управляют обработкой сигналов, поступающих от детекторов, и потоками информации. Время принятия решения должно соответствовать быстродействию детектора. Поэтому каждое последующее более сложное и требующее большего времени решение принимается с учётом данных, поступающих от менее быстродействующих, но более информативных детекторов.

Различают неск. уровней триггеров. Быстрый триггер (триггер первого уровня) формируется за время до 100 нс сигналами наиб. быстрых детекторов - сцинтилляционных и черенковских. Требования точного временного совпадения таких сигналов и высокая стоимость быстрой электроники ограничивают этот триггер простыми логич. операциями (см. Логические схемы ).Триггер второго уровня принимает более сложные решения за время до 1 мкс, используя сигналы от разл. электронных детекторов, включая пропорциональные и дрейфовые. При этом кроме сложных логич. операций может производиться и простейший кинематич. анализ с привлечением спец. процессора. В триггере третьего уровня с характерным временем ~10 мкс уже используется информация от быстрых зарядо-, амплитудно- и времяцифровых преобразователей, к-рая обрабатывается с помощью спец. процессора или программируемого микропроцессора. Здесь, напр., анализируются кривизна траекторий частиц в магн. поле, энерговыделение в годоскопич. элементах калориметра и т. п. Последняя ступень перед записью - фильтрация данных - осуществляется с помощью мини-ЭВМ в течение 10-100 мс. На этой стадии, определяющей скорость накопления статистики, происходит распознавание события с учётом полной информации, поступившей от детекторов, после чего оно регистрируется, напр. на магн. ленте. При формировании и преобразовании информац. сигналов, создании триггеров разного уровня, хранении и передаче данных используются аналоговые и цифровые электронные устройства, для к-рых разработан ряд стандартов (НИМ, КАМАК, ВЕКТОР, СУММА и Др., СМ. Автоматизация эксперимента).

Обработка записанной информации требует применения быстродействующих ЭВМ. Каждое зарегистрированное событие содержит обширную координатную, временную и амплитудную информацию объёмом до 10⁴ бит. Обработка данных включает их декодирование, восстановление пространств. положения каждого трека и привязку результатов спектрометрич. измерений к абс. энергетич. шкале (с учётом данных калибровки детекторов). Восстановленная пространств. картина визуализуется для контроля на экране дисплея. После анализа отд. событий и идентификации продуктов взаимодействия проводится ста-тистич. обработка, корреляц. анализ, группировка событий по разл. признакам и т. п. Обработка филь-мовой информации от трековых детекторов дополнительно включает ручной или автоматизированный поиск нужных треков среди множества фоновых и измерение их параметров с записью для дальнейшего анализа (см. Анализ данных).

Рис. 1. Схематическое изображение спектрометра ИСТРА: М - магнит; Ч₁_₄ - пороговые черенковские счётчики; С₁_₃- годоскопические сцинтилляцион-ные счётчики, включённые в схему совпадении; A₁_₅ - годоскопические сцинтилляционные анти-совпадательные счётчики;ПК₁_₆- координатные пропорциональные камеры (с проволочками во взаимно перпендикулярных направлениях); Не - объём, заполненный газообразным гелием для уменьшения многократного рассеяния частиц; ЭК - электромагнитный калориметр (черенковский спектрометр полного поглощения из свинцового стекла); СТ₁_₄- годоскоп стримерных (дрейфовых) трубок; АК - адронный калориметр, содержащий стальные листы, прослоенные "коврами" стримерных (дрейфовых) трубок; Fe - железный фильтр мюонного идентификатора; - мюонный сцинтилляционный годоскоп.

Контроль и калибровка К. с. д. необходимы для поддержания стабильных условий работы и абс. привязки результатов координатных и амплитудных измерений (автоматич. контроль тока в магнитах, темп-ры, состава и давления газа в газоразрядных детекторах, напряжения питания детекторов и др.). Для калибровки спектрометрич. каналов используются эталонные радионуклиды, светодиоды и лазеры (калибровка фотоумножителей), прецизионные генераторы импульсов. В ряде К. с. д. предусмотрен периодич. контроль стабильности триггера и эффек-тирности фильтрации данных путём генерации искусств. событий. Примеры крупномасштабных К. с. д. ИСТРА и ГЕЛИОС показаны на рис. 1 и 2.

Спектрометр ИСТРА, установленный в смешанном адронном пучке ускорителя У-70 (ИФВЭ) с энергией 70 ГэВ, предназначен для регистрации редких распадов пионов и каонов, идущих с вероятностью порядка 10^-9-10^-8 относительно основных мод распада. Спектрометр содержит годоскопы сцинтилляционных совпадательных счётчиков, локализующих траектории пионов и каонов, и идентифицирующие их пороговые черенковские детекторы (рис. 1). Координаты заряж. продуктов распада, происходящего в вакуумирован-ном объёме, к-рый окружён антисовпадательными сцинтилляц. счётчиками (см. Совпадений метод), регистрируются проволочными пропорц. камерами ПК₁_₆, расположенными до и после магнита. Это позволяет определять импульсы вторичных частиц по отклонению в магн. поле.

Энергия и координаты вторичных g-квантов и электронов измеряются эл--магн. калориметром ЭК, а энергия вторичных адронов - адронным калориметром АК. Оконечный элемент спектрометра - мюонный идентификатор . В экспериментах на этом спектрометре получены прецизионные данные о вероятностях распадов каонов:

Спектрометр ГЕЛИОС используется для изучения взаимодействий ускоренных ядер О и S (с энергией порядка 200 ГэВ/нуклон) с тяжёлыми ядрами. Он позволяет измерять спектры вторичных частиц, исследовать их корреляции, идентифицировать электроны, мюоны, нейтрино и т. д. В ЦЕРН-е он имеет секционированную активную мишень в виде 200 катодных проволочек пропорц. камеры ПМ (рис. 2), натянутых в плоскости пучка в поперечном ему направлении (шаг 0,5 мм). Малая толщина проволочек (100 мкм, т. е. менее 10^-3 ядерного пробега) и амплитудный анализ сигналов позволяют свести к минимуму вклад вторичных взаимодействий в мишени. Использование проволочек из разл. материалов при идентификации точки взаимодействия даёт возможность исследовать изменение характеристик процесса столкновения ядро-ядро с ростом ат. номера Z вещества мишени. Для повышения вероятности попадания первичных частиц на мишень используется "ленточный" пучок, растянутый в поперечном горизонтальном и сжатый в вертикальном направлениях.

Вершинный детектор КД - кремниевый микростриповый с координатным разрешением 10 мкм. Для измерения импульсов вторичных частиц, вылетающих из мишени (множественность рождения до 10³), используется т. н. передний магн. спектрометр, содержащий прецизионные многотрековые дрейфовые камеры ДК с пространств. разрешением 80 мкм, что обеспечивает точность измерений импульса порядка 0,001 ГэВ/с. Отделение вторичных электронов от адронов производится с помощью расположенного за магн. спектрометром 8-слойного детектора рентг. переходного излучения.

Информация о рождении нейтрино получается из измерений полного энерговыделения продуктов взаимодействия. Энергия вторичных адронов измеряется с помощью калориметров - ионизационного жидко-аргонового с урановыми поглотителями и сцинтилляционных - уранового, прослоенного пластинами из органич. сцинтиллятора, и железного, использующего в качестве поглотителя ярмо магнита. Толщина вещества этих калориметров отвечает 10 ядерным пробегам частиц, а точность измерения суммарной энергии ок. 1,3% при энергии 450 ГэВ.

Внеш. магн. спектрометр служит для анализа частиц, вылетающих под углами 15°-45° к пучку (в лаб. системе координат). Эти частицы идентифицируются по измерению времени пролёта или радиуса изображения кольца излучения Вавилова - Черен-кова в черепковском детекторе.

Быстрые мюоны идентифицируются по их способности пройти через толстый железный экран (Fe, порог 3,5 ГэВ), а их импульс с точностью до 0,02% измеряется пропорц. камерами ПК₀_₆ по отклонению в магн. поле сверхпроводящего магнита M₁.

Рис. 2. Схематическое изображение К. с. д. ГЕЛИОС: ПМ -проволочная активная мишень; КД- 4-слойный микростриповый кремниевый вершинный детектор; ДК - прецизионные многотрековые дрейфовые камеры; ДРПИ - 8-слойный детектор рентгеновского переходного излучения; М, M₁ - магниты; УСК - урановые сцинтилляци-онные калориметры; ЖАИК - жидкоаргоновый ионизационный калориметр с урановыми поглотителями; ВПД - время-пролётный детектор; ЧДИ - черенковский детектор-идентификатор; ПК - координатные пропорциональные камеры; ГСД - годоскопические сцин-тилляционные детекторы; Fе - железный мюонный фильтр.

Большое кол-во детекторов позволяет варьировать триггер, оптимизируя его для каждой конкретной задачи. В частности, при изучении ядро-ядерных столкновений отбираются события с большим "поперечным" энерговыделением, т. е. события, сопровождающиеся высокой множественностью рождения вторичных адронов, вылетающих под большими углами и с большим импульсом.

Лит.: Ballam J., Watt R. D., Hybrid bubble chamber systems, "Ann. Rev. Nucl. Sci.", 1977, v. 27, p. 75; F a b J -an C. W , Fischer H. G., Particle detectors, "Repts Progr. Phys.", 1980, v. 43, p. 1003; Kleinknecht K., Particle detectors, "Phys. Repts", 1982, v. 84, p. 87; G i d a 1 G., Armstrong В., Rittenberg A., Major detectors in elementary particle physics, 2 ed., [s. 1.1, 1985 (Publ. LBL. CVs 91. Suppl.). California Univ. Berceley. Lawrence Berkeley lab.

Г. И. Мерзон.

   <<      Предметный указатель      >>