черенковский счётчик

ЧЕРЕНКОВСКИЙ СЧЁТЧИК -детектор быстрых за-ряж. частиц, основанный на регистрации черенковского излучения, испускаемого частицами (см. Черенкова - Вавилова излучение). Излучение Черенкова испускается только частицами, двигающимися со скоростью u>c/n в среде с коэффициентом преломления п. Излучение происходит под углом q = arccos (1 /bn) к направлению движения частицы (b = u/c-скорость частицы, выраженная в единицах скорости света в вакууме), а интенсивность излучения пропорциональна sin²q. Осн. элементы Ч. с.: радиатор, оптич. система, фокусирующая свет, и один или неск. фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), преобразующих световой сигнал в электрический.

Одно из осн. назначений Ч. с.- разделение релятивистских частиц с разл. скоростями. Пусть имеется пучок, содержащий пи-мезоны p⁺ и протоны с равными импульсами. Скорости этих частиц различны: b_p >b_p. Если поместить в пучок Ч. с. с таким радиатором, что b_p > 1/n>b_p, то пионы будут испускать черенковское излучение, а протоны не будут. Счётчик будет регистрировать только p⁺ . Если включить Ч. с. в схему совпадений или антисовпадений (см. Совпадений метод)с неск. сцинтилляционными счётчиками, к-рые не реагируют на скорость частиц, то можно получить систему, к-рая может считать либо только p⁺, либо только протоны.

Задачу разделения частиц с разными скоростями можно решить и воспользовавшись зависимостью угла испускания черенковского излучения q от скорости частицы. Если h радиатора выбран так, что b_p >b_p> 1/n, то и p⁺ и протоны дают черенковское излучение, однако углы испускания света этими двумя частицами различны:

С помощью оптич. системы можно регистрировать излучение в том или ином угл. диапазоне и разделять между собой частицы с разными массами.

Существуют 2 типа Ч. с.- пороговые, регистрирующие все частицы со скоростью b>b_поp= 1/п, и дифференциальные, регистрирующие излучение в узком угл. интервале, соответствующем определ. интервалу скоростей частиц, выделяемых этим счётчиком:

Осн. назначение оптики пороговых Ч. с.- собрать весь черенковский свет, испущенный частицей, на фотокатод умножителя (рис. 1).

Для фокусировки света в дифференциальных Ч. с. пучок заряж. частиц пропускается параллельно гл. оси оптич.

____________________________________

Рис. 1. Схема газового порогового черенковского счётчика; черенковское излучение собирается на катод ФЭУ с помощью плоского зеркала и кварцевой линзы.

системы (рис. 2). Если частицы излучают черенковские фотоны под углом q, то излучение любой частицы пучка собирается в кольцо, расположенное в фокальной плоскости системы. Центр кольца лежит на гл. оптич. оси, а его радиус R=ftgq, где f-фокусное расстояние линзы. Если в фокальной плоскости оптич. системы поместить тонкую кольцевую диафрагму, то такая система будет пропускать только свет, испущенный в области углов q(q + Dq) частицами, летящими параллельно гл. оптич. оси. Свет, испущенный под др. углами (частицами с др. скоростями) или частицами, идущими под углом к гл. оси, не пройдёт через диафрагму и не попадёт на фотокатод умножителя.

Рис. 2. Оптическая система дифференциальных черенковских счётчиков.

С помощью пороговых и дифференциальных счётчиков с жидкими и твёрдыми радиаторами можно разделять между собой частицы со скоростями до b = 0,95-0,96 (пионы с импульсом до 0,5 ГэВ/с, мюоны до 0,350 ГэВ/с, каоны до 1,6 ГэВ/с, протоны до 3,0 ГэВ/с). Для разделения частиц с большими скоростями пользуются газовыми Ч. с., в к-рых коэф. преломления можно плавно менять, изменяя давление газа.

Меняя давление, можно настраивать Ч. с. на регистрацию тех или др. частиц, входящих в состав пучка. По результатам подобных измерений в пучке частиц с импульсом 16 ГэВ/с можно хорошо разделять p⁺ , K⁺ и протоны (рис. 3).

Рис. 3. Исследование состава пучка частиц с импульсом 16 ГэВ/с с помощью дифференциального газового черенковского счётчика.

Чувствительность. Число фотонов N_ф, испускаемых частицей с зарядом Z на 1 см пути в радиаторе в единичном интервале энергий фотонов, определяется соотношением:

где -энергия фотона. При Z=1 это соответствует dN_e/dx25sin²q фотоэлектронам, образующимся на фотокатоде ФЭУ при условии полного светосбора. Для того чтобы Ч. с. мог регистрировать заряж. частицы со 100%-ной эффективностью, необходимо, чтобы на фотокатоде образовалось 3-10 фотоэлектронов. Для осуществления этого требования размеры радиатора Ч. с. должны варьироваться от неск. см (жидкие и твёрдые радиаторы) до неск. м (газовые).

Разрешающая способность. Осн. характеристика Ч. с.- его разрешение по скорости Db/b, т. е. относит. интервал скоростей, к к-рым чувствителен счётчик. Разрешение по скорости обусловлено интервалом углов черенковского излучения Dq, выделяемых оптич. системой. Чем уже этот угл. интервал, тем лучше разрешение по скорости. Предельное разрешение счётчика по скорости обусловлено неск. явлениями, ограничивающими допустимое сужение угл. интервала Dq: 1) дисперсией света в среде, т. е. зависимостью коэф. преломления среды от частоты излучения; дисперсия приводит к конечной ширине угл. интервала черенковского излучения в области спектральной чувствительности; 2) многократным рассеянием и замедлением частиц в радиаторе; 3) угл. расхождением частиц в пучке, приводящим к смещению кольца, в к-рое собирается че-ренковское излучение, в фокальной плоскости оптич. системы. Для получения хорошего разрешения пучок частиц должен обладать высокой степенью параллельности (до сотых долей градуса). Газовые Ч. с. с разрешением Db/b=10^-4 могут разделять p⁺ , K⁺ и протоны до импульсов 20-25 ГэВ/с. Дальнейшее улучшение разрешающей способности требует корректировки оптической системы на дисперсию света в газах. Счётчики с разрешением Db/b= 10^-5 позволяют разделять p⁺, K⁺ и протоны с импульсами до 50-100 ГэВ/с.

Газовые пороговые счётчики, как правило, не обладают таким высоким разрешением по скорости, как дифференциальные. Однако, пользуясь пороговыми Ч. с. с малым давлением (высоким порогом) и большой длиной (~ 10 м), чтобы обеспечить достаточное число квантов черенковского излучения, можно разделять между собой p⁺, К⁺ и протоны вплоть до 20 ГэВ/с, а мюоны, пионы и электроны- до 10 ГэВ/с и более.

Регистрация вторичных частиц. Для идентификации вторичных частиц, образующихся при взаимодействии первичных частиц с мишенью или при взаимодействии встречных пучков, имеющих широкое угл. распределение, используются многоканальные (годоскопические) газовые Ч. с. или Ч. с. с регистрацией изображения кольца излучения. Фотоны регистрируются на нек-ром расстоянии от короткого радиатора не ФЭУ, а плоской многопроволочной пропорциональной камерой, наполненной газовой смесью, имеющей высокую эффективность регистрации фотонов черенковского излучения. Точки пересечения траектории фотонов с плоскостью пропорциональной камеры образуют окружность, радиус к-рой определяется скоростью частицы.

Ч. с. с жидким радиатором могут применяться в качестве пороговых детекторов, причём изменение порога осуществляется выбором жидкости с нужным п. Такими жидкостями являются терпентин (п = 1,475), этиленгликоль (n= 1,427), вода (n= 1,333). Др. направлением исследований, где используются Ч. с. с жидким радиатором, являются эксперименты, в к-рых необходим радиатор большого объёма. Это регистрация нейтрино от ускорителей, поиск распада протона ,изучение космич. нейтрино высоких энергий. В этих случаях в качестве радиатора используются большие объёмы воды. Так, напр., для регистрации нейтрино на расстоянии 570 км от ускорителя лаборатории имени Ферми (США) в соляной шахте близ Кливленда был построен Ч. с. с водяным радиатором объёмом 6842 м³. Вспышки излучения регистрировались 2048 ФЭУ.

Для регистрации космич. нейтрино очень высоких энергий проводятся глубоководные эксперименты, в к-рых в качестве радиатора используется морская или пресная вода естеств. водоёмов. В 1993-94 вошёл в строй т. н. детектор "Байкал". На расстоянии 4,5 км от берега в озеро Байкал на глубину 1,3 км опускаются тросы, на к-рых укреплены контейнеры с ФЭУ. Контейнеры имеют окна, через к-рые фотоны попадают на фотокатоды ФЭУ. Сигналы с ФЭУ передаются на поверхность озера по кабелю и регистрируются аппаратурой, расположенной на берегу.

Ч. с. полного поглощения предназначены для идентификации и измерения энергии электронов и g-квантов. Радиатор таких Ч. с. изготовлен из тяжёлого прозрачного материала. Электрон или g-квант, взаимодействуя с веществом радиатора, образует электронно-фотонный ливень, в процессе развития к-рого число вторичных электронов и фотонов сначала растёт, а энергия их уменьшается; затем, начиная с нек-рой глубины поглотителя, число частиц в ливне падает. Если радиатор имеет достаточно большую толщину, то практически вся энергия первичного электрона или g-кванта в нём поглотится. Суммарный пробег электронов в ливне пропорционален энергии первичной частицы и, следовательно, пропорционален числу фотонов, испущенных всеми частицами ливня. T. о., амплитуда импульса на выходе ФЭУ в Ч. с. полного погло-щения несёт информацию об энергии первичного электрона или g-кванта.

Размеры радиатора, обеспечивающие полное поглощение энергии электрона, слабо зависят от его энергии. Так, при энергиях 100 МэВ-1 ГэВ необходимая толщина радиатора составляет 10x₀ (x₀-радиационная единица длины материала радиатора). При энергиях до 100 ГэВ соответствующая толщина равна 20x₀. Поперечные размеры ливня от энергии не зависят. Для оценок поперечных размеров радиатора используется т. н. мольеровский радиус R_м = 21 МэВ x₀/, где -предельная энергия; 99% энергии ливня поглощается в цилиндре радиусом 3 R_М. Наиб. распространённый материал для радиаторов Ч. с. полного поглощения-свинцовое стекло (тяжёлый флинт), содержащее ок. 50% окиси свинца. Плотн. его 3,6 г/см³ , радиац. длина 2,5 см. Обычно Ч. с. этого типа на ср. энергии (до 1 ГэВ) имеет радиатор толщиной 30 см и обладает энергетич. разрешением s, определяемым соотношением где -энергия частицы в ГэВ.

Ч. с. полного поглощения используется в эл--магн, калориметрах, предназначенных для идентификации электронов и фотонов, измерения их энергии и координат точки входа в калориметр (см. Ионизационный калориметр).

Идентификация электронов и фотонов основана на их специфич. взаимодействии с радиатором, сопровождающемся образованием ливня и быстрым поглощением энергии. Более тяжёлые частицы (мезоны, нуклоны и др.), взаимодействуя с радиатором, не образуют ливня и теряют лишь часть своей энергии на ионизац. потери и ядерные взаимодействия. Благодаря этому величина импульса на выходе Ч. с. при регистрации тяжёлых частиц значительно меньше, чем при регистрации электронов или g-квантов.

Для измерения координат точки попадания электрона в детектор эл--магн. калориметр изготавливают секционированным, состоящим из большого числа Ч. с. полного поглощения (годоскопич. структура). Радиатор каждого Ч. с. обычно имеет форму прямоуг. призмы, длина к-рой отвечает условию полного поглощения для определ. интервала энергии, а поперечные размеры равны (12)R_М. При этом регистрация электрона в калориметре сопровождается срабатыванием неск. Ч. с., т. к. поперечные размеры ливня превышают размер отд. радиатора и часть энергии поглощается в соседних Ч. с. Координата точки попадания частицы в детектор определяется из соотношения амплитуд импульсов в соседних элементах калориметра. Энергия первичной частицы определяется суммой амплитуд импульсов. Примером калориметра из Ч. с. полного поглощения является спектрометр АМС-2000 в ФВЭ (Серпухов). Спектрометр состоит из 1536 Ч. с. с радиаторами из свинцового стекла размерами 3838450 мм³. Энергетич. разрешение при энергии 25 ГэВ равно b2%, точность измерения координат при той же энергии составляет + 1,3 мм.

В качестве материалов для радиаторов Ч. с. полного поглощения применяются также тяжёлые монокристаллы (TlCl, PbCl₂ и др.), у к-рых радиац. длина 1 см. Применение таких кристаллов позволяет создать компактные детекторы с хорошим энергетич. и пространственным разрешением (см. Координатные детекторы).

Лит.: Джелли Дж., Черепковское излучение и его применения, пер. с англ., M., 1960: Линденбаум С., Юан Л., Черепковские счетчики, в кн.: Принципы и методы регистрации элементарных частиц, пер. с англ., M., 1963; Зрелов В. П., Излучение Вавилова- Черенкова и ею применение в физике высоких энергий, т. 1 - 2, M., 1968; Черенковские детекторы и их применение в науке и технике. Сб., M., 1990. А. С. Белоусов.

   <<      Предметный указатель      >>