Григорев Газоразрядные детекторы елементарных частиц 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение………………………………………………… . …………. 4

Глава 1. Взаимодействие заряженных и нейтральных частиц с веществом ……………………………………5

1.1.Взаимодействие заряженных частиц с веществом………… 5

1.2.Взаимодействие гамма-квантов и нейтронов с веществом...16

Глава 2. Газоразрядные детекторы ……………………………25

2.1.Ионизационная камера………………………………………. 26

2.2.Пропорциональный счетчик……………………………….…34

2.3.Счетчики (камеры) с резистивными электродами………....44

2.4.Многопроволочная пропорциональная камера……………...55

2.5.Дрейфовая камера…………………………………………… 66

2.6.Время-проекционная камера………………………………….78

Глава 3. Микроструктурные газоразрядные детекторы……..86

3.1.Микростриповая газовая камера……………………………...86

3.2.Микромегас…………………………………………………….90

3.3.Газовые электронные умножители………………………….. 93

Глава 4. Двухтрековое разрешение газовых детекторов…….99

Глава 5. Эффекты радиационного старения в газовых детекторах………………………………………………102

Заключение………….…………………………………………….. 109

Список литературы……… ……………………………………….109

3

вых газовых камерах, камерах микромегас и газовых электронных усилителях. Информация о некоторых, более ранних детекторах (пропорциональных, дрейфовых и время-проекционных камерах), имеется в относительно недавно изданных переводных книгах [4,5], имеющихся в библиотеке НИЯУ МИФИ в единичных экземплярах.

Для понимания процессов регистрации частиц, не требующего привлечения дополнительной литературы, в начале пособия кратко упомянуты основные процессы взаимодействия заряженных и нейтральных частиц с веществом, приводящие к их регистрации в рассматриваемых детекторах.

Глава 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ

ИНЕЙТРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ С ВЕЩЕСТВОМ

1.1.Взаимодействие заряженных частиц с веществом

Воснове работы любого детектора излучения лежит энергетический процесс – регистрируемая частица должна тем или иным образом передать часть или всю свою энергию рабочему веществу детектора. Эта переданная энергия далее трансформируется в веществе таким образом, чтобы ее выделение можно было зарегистрировать в виде электрического сигнала, в виде световой вспышки,

ввиде дефекта кристаллической решетки и т.п.

Заряженные и нейтральные частицы взаимодействуют с веществом принципиально по-разному.

Заряженные частицы теряют свою энергию путем электромагнитного взаимодействия с атомами или молекулами среды по трем основным каналам:

потери на ионизацию и возбуждение атомов или молекул вещества, объединенные в общий канал потерь – ионизационные потери;

потери на тормозное излучение; потери на черенковское излучение.

5

Ионизационные потери. При движении заряженной частицы через вещество независимо от агрегатного состояния вещества (газ, жидкость, твердое тело) кулоновское взаимодействие электрического заряда частицы с атомами или молекулами вещества приводит к ионизации этих атомов или молекул, или их возбуждению. Для описания этих потерь энергии вводится суммарная характеристика (dE/dx)ион – удельные ионизационные потери. Удельные ионизационные потери измеряются в МэВ/см или в МэВ·см2/г. Последняя величина получается путем деления (dE/dx)ион в Мэв/см на плотность вещества ρ в г/см3 и удобна тем, что, например, для газов она не зависит от давления газа.

Проведем сравнительно простой расчет удельных ионизационных потерь для нерелятивистской частицы с массой, превосходящей массу электрона (рис. 1.1).

Пусть частица с массой М и зарядом z движется со скоростью V снизу вверх. Рассмотрим взаимодействие электрического поля этой частицы с отдельным электроном среды, где Z – заряд одного атома (молекулы) среды, N – плотность атомов в единице объема, b – прицельный параметр (минимальное расстояние, на которое частица приближается к атому). Среду полагаем невзаимодействующей и неупорядоченной. Последнее замечание применимо практически к любой среде, поскольку направление движения частицы носит случайный характер, а энергия взаимодействия атомов или молекул в любой среде мала по сравнению с энергией частицы.

Особый случай составляет лишь сфокусированное движение частицы вдоль кристаллической оси кристалла, что может быть достигнуто в специально поставленных экспериментах. Итак, при сформулированных условиях сила взаимодействия между электрическим полем частицы и отдельным электроном атома среды равна

где е – заряд электрона.

За время взаимодействия, равное по порядку величины dt = =2b/V, электрон среды получит (а частица, соответственно, потеряет) импульс, равный dp = F·dt = 2ze2/bV, что соответствует

6

Откуда удельные ионизационные потери энергии заряженной частицы на единицу пути dx будут равны

Каков физический смысл пределов интегрирования bmax и bmin?

При упругом взаимодействии тяжелой частицы с электроном максимально возможная передача энергии от тяжелой частицы к электрону из кинематических соображений равна Emax = 2mV2, что соответствует минимальному прицельному параметру bmin. Максимальному прицельному параметру обычно ставят в соответствие некоторую среднюю передачу энергии от частицы к атому, которая носит название «средний ионизационный потенциал». Средний ионизационный потенциал обычно обозначается как I с черточкой: «Ī». Он примерно равен kZ, где k ~ 10 эВ.

Учитывая, что (dE/dx) ~ (db/b), заменим bmax/bmin на Emax./Emin.

Таким образом, окончательно формула для удельных ионизационных потерь для нерелятивистских частиц тяжелее электрона выглядит следующим образом:

где Ī — средний ионизационный потенциал (эмпирическая величина, берется из справочников). Следует подчеркнуть, что средний ионизационный потенциал Ī – это эмпирическая подгоночная величина, не имеющая ничего общего с потенциалом ионизации атома Iион , значение которого является конкретной физической вели-

8

чиной, равной энергии, необходимой для удаления валентного электрона атома на бесконечность.

Согласно формуле (1.5), удельные ионизационные потери зависят от заряда и скорости частицы как z2/V2 (пренебрегая логарифмической зависимостью) и не зависят от массы частицы. Они также зависят от заряда вещества Z и от плотности вещества N.

Особо обращает на себя внимание тот факт, что удельные ионизационные потери не зависят от массы частицы, и, следовательно, все однозарядные частицы, летящие с одинаковой скоростью, будут иметь одинаковые удельные ионизационные потери независимо от их масс.

Однако надо иметь в виду, что привычной шкалой по оси абсцисс обычно является не шкала скоростей, а шкала энергий, и частицы равных энергий будут иметь тем большие потери, чем больше их масса.

В релятивистском случае формула для ионизационных потерь выглядит несколько сложнее. В нее добавляются дополнительные члены, приводящие к медленному росту (dE/dx)ион с увеличением скорости частицы из-за лоренцова сокращения электрического поля частицы вдоль направления ее движения и вытягивания поля поперек направления движения. С увеличением скорости частицы в области релятивистских скоростей релятивистский рост замедляется (но не прекращается) из-за экранировки далеко отстоящих от траектории частицы атомов более близко расположенными (эффект плотности), поэтому в более плотных средах рост происходит медленнее, чем в менее плотных.

Для всех частиц и во всех средах значение ионизационных потерь в минимуме (при кинетической энергии, примерно равной массе покоя частицы) мало чем отличается.

Вид полной зависимости (dE/dx)ион от энергии частицы для частиц разной массы приведен на рис.1.2.

9