Ионизационный калориметр (спектрометр полного поглощения). РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

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:

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].

Литература по ионизационным калориметрам (спектрометрам полного поглощения)

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.