Магнитный спектрометр. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Магнитный спектрометр - прибор для измерения импульсов заряж. частиц по кривизне их траекторий в магн. поле. Осн. характеристиками М. с. являются ого разрешающая способность (т. е. точность измерения импульса частицы) и апертура, определяющая телесный угол, в к-ром производится регистрация частиц. Простейшие М. с--одноканальные приборы с небольшой апертурой и фиксированной траекторией частиц в магн. поле. Энергетич. спектр частиц измеряется при последоват. изменениях магн. поля Н. Такие М. с. применяются, как правило, в области малых и средних энергий частиц для изучения процессов, происходящих со сравнительно высокой вероятностью и характеризующихся малым кол-вом вторичных частиц. Если измеряется не только импульс, но и скорость частицы

(напр., по времени пролёта), то можно определить её массу, т. е. идентифицировать частицу (напр., протон, дейтрон, ядро Не).

Для увеличения апертуры и снижения уровня фона применяются М. с. с фокусировкой, напр. для исследования

-распада ядер (см. Бета-спектрометр ).Это позволяет регистрировать частицы с определёнными импульсами, вылетающие в широком интервале углов. Фокусировка достигается с помощью спец. конфигурации магн. поля.

Магнитные спектрометры применяются и для определения энергии жёстких

-квантов, образующих электрон-позитронную пару

в веществе (конверторе). При этом измеряются импульсы электрона и позитрона (см. Гамма-спектрометр). Такой М. с. характеризуется хорошим энергетич. разрешением, однако его светосила невелика, т. к. для получения высокого разрешения необходимо максимально уменьшить потери энергии частиц в конверторе. Конвертор должен быть тонким и вероятность образования

-пары мала (~5-10%). Широкоапертурные гибридные М. с. служат для изучения процессов, сопровождающихся рождением большого числа частиц в каждом акте взаимодействия (см.

Множественные процессы). Эти процессы обычно характеризуются малой вероятностью, что требует М. с. с большой светосилой. Часто необходимо одновременно измерять траектории и импульсы неск. заряж. частиц разл. типов, идентифицировать и определять эффективную массу системы частиц (или т. н. недостающую массу, см. ниже), выделять редкие явления (напр., распады короткоживущих частиц на фоне большого кол-ва др. процессов).

Особый интерес представляют комбинированные системы детекторов ,в состав к-рых помимо М. с. входят многоканальные системы для регистрации

-квантов и измерения энергии частиц калориметрич. методами. Это позволяет полностью определять кинематику многочастичных событий (рис. 1). Для увеличения магн. поля используются сверхпроводящие магниты или системы из неск. М. с. Для идентификации вторичных заряж. частиц служат черенковские счётчики (газовые), переходного излучения детекторы, эл--магн. и адронные калориметры (см. Ионизационный калориметр), мюониые детекторы. Общее число каналов информации в таких установках достигает 10⁶-10⁷. Обработка информации происходит с помощью (в линию) ЭВМ.

Рис. 1. Схема магнитного спектрометра, используемого в экспериментах на ускорителях: 1 - магнит; 2 - трековые детекторы, регистрирующие траектории (треки) частиц в магнитном поле (пропорциональные и дрейфовые камеры, искровые проволочные камеры); 3 - годоскопы сцинтилляционных счётчиков; 4 - многоканальный черепковский газовый детектор для идентификации вторичных частиц; 5 - спектрометр для регистрации электронов и

-квантов; 6 - мюонный детектор (система сцинтилляционных 3 и трековых 2 детекторов, прослоенных Fe); 7 - мишень; 8 - детекторы, включённые в схему совпадения, регистрирующую первичные частицы.

Двухплечевые магнитные спектрометры

Двухплечевые магнитные спектрометры применяются при исследовании двухчастичных процессов (упругое рассеяние, двухчастичные распады короткоживущих частиц и т. д., рис. 2). Измеряя импульсы частиц в каждом из плеч М. с. и угол между ними, можно восстановить эффективную массу первичной частицы. Двухплечевые М. с. могут работать в интенсивных пучках (~10¹² частиц за цикл работы ускорителя), что важно при исследовании редких процессов. Именно с помощью таких М. с. открыты

-частица и ипсилон-частица. Обе они выделены по двухлептонным распадам:

или

. Двухплечевые М. с. регистрируют события только в узком кинематич. диапазоне (напр., регистрируется только

или только

, почти покоящиеся в системе центра масс). Они непригодны для анализа сложных многочастичных процессов.

Рис. 2. Схема двухплечевого магнитного спектрометра: 1-мишень; 2-магниты; 3-магнитные линзы; 4-трековые детекторы; 5,8 - сцинтилляционные детекторы; 6-газовые черенковские счётчики; 7 - ливневые спектрометры для идентификации электронов.

Спектрометры недостающей массы применяются при исследовании короткоживущих т. н. резонансных частиц (см. Резонансы ).Напр., если происходит реакция

(

- все вторичные частицы), то, измеряя импульс и угол вылета протона отдачи р с помощью протонного спектрометра (рис. 3,а), можно определить эффективную массу

системы

(т. н. недостающую массу). Если в реакции всегда образуется неск. независимых вторичных частиц, спектр недостающих масс гладкий (рис. 3,б). Однако если реакция идёт в 2 этапа - вначале совместно с протоном отдачи образуются мезонные резонансы, а затем резонансы распадаются на вторичные частицы, то спектр недостающих масс содержит максимумы, свидетельствующие о существовании резонансов (рис. 3,в). Спектрометры недостающей массы обычно дополняют какие-то др. приборы, напр. широкоапертурные М. с. В этом случае происходит как бы двойной отбор событий: с помощью спектрометра недостающих масс восстанавливается процесс образования состояния

, а распад этого резонанса регистрируется и изучается в широкоапертурном М. с.

Рис. 3. Принцип действия спектрометра недостающих масс; вверху: схема спектрометра (а), внизу: спектры недостающих масс - гладкий (б) и с максимумами (в).

Железные магнитные спектрометры

Для измерения импульса и идентификации мюонов высоких энергий, к-рые могут без поглощения проходить значит. толщины вещества, применяются большие спектрометры из намагниченных слоев Fe. Точность измерения импульса в железном спектрометре растёт при увеличении отклонения в магн. поле и ограничивается многократным рассеянием в Fe. Т. к. угол отклонения линейно растёт с длиной траектории L, а угол многократного рассеяния пропорционален

то с увеличением длины железного М. с. точность измерений импульса растёт. Железные М. с. часто применяются в качестве мюонных детекторов в нейтринных опытах. Иногда железный М. с. объединяет функции и спектрометра, и мишени.

Магнитные спектрометры для экспериментов со встречными пучками включают в себя сверхпроводящие соленоиды или большие магниты, окружающие область, где взаимодействуют 2 сталкивающихся пучка частиц. Такие магн. системы перекрывают угол, близкий к

. Встречные пучки проходят по оси установки, а многочисл. регистрирующие приборы располагаются концентрически как внутри самого М. с., так и вне его.

Литература по магнитным спектрометрам

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.