книги из ГПНТБ / Григоров, Н. Л

В последние годы появились работы по градуировке иониза­ ционного калориметра па ускорителях. В работе [14] для этих целей применялся ионизационный калориметр небольшой толщи­ ны (х0 = ЗХ). Результаты градуировки приведены на рис. 1.8. Из рисунка видно, что в тех случаях, когда первое взаимодействие

E(x0)

Рис. 1.7. Распределение величины м = •}?(аГ — 6Я,) в иопизацпонном к а л о - рпметре разной толщины ха. По оси ординат — число случаев в интервале Ди = 0 , 1 (исключая правую границу интервала). Значения правее u = 1

соответствуют случаям и = 1.

происходит в ионизационном калориметре, а не в мишенях, рас­ полагавшихся над ним, между полным числом частиц, просум­ мированным по всем рядам ионизационного калориметра, и энерги­

Рядом авторов проводились расчеты развития каскада в иони­ зационном калориметре методом Монте-Карло [8, 14, 15]. Такие расчеты позволяют, в частности, получить оценку точности из­ мерения энергии в области Е0, недоступной пока ускорителям.

На рис. 1.9 приведены значения дисперсии полного числа частиц, зарегистрированных в ионизационном калориметре, по­ лученные в расчете методом Монте-Карло в работе [15] для раз­ ных энергий первичных частиц и разных толщин ионизационного калориметра. Сравнение данных, приведенных на рис. 1.9 и в табл. 1.4, показывает, что расчет достаточно хорошо согласуется

«экспериментом.

Нужно подчеркнуть, что^метод ионизационного калориметра для измерения энергии отдельных частиц основан на том, что сильно взаимодействующие частицы (адроны) при своем взаимо­ действии ^рождают снова спльно взаимодействующие частицы,

в том числе я°-мезоны. Однако, если при очень высоких энергиях появится новый процесс, в котором часть энергии первичной части­ цы при ее взаимодействии с атомными ядрами будет передаваться слабо взаимодействующим с веществом частицам (например, по­ явятся реакции fпрямой генерации мюонов), то в этом случае метод ионизационного калориметра начнет давать систематическое занижение энергии первичной частицы.

Глава I I

Параметры ионизационного калориметра

Основным назначением ионизационного калориметра является определение энергии отдельной частицы путем измерения мгновен­ ного распределения ионизации, созданпой первичной частицей в блоке плотного вещества. В зависимости от конкретного вида эксперимента, от условий проведения измерений, параметры ио­ низационного калориметра могут изменяться. Мы будем исходить из предположения, что прибор применяется для работы с частица­ ми космических лучей.

При конструировании ионизационного калориметра основная забота состоит, с одной стороны, в обеспечении наиболее полного перехода энергии первичной частицы в энергию электронно-фо­ тонной компоненты и других ионизующих компонент в пределах ионизационного калориметра и, с другой стороны, в том, чтобы обеспечить измерение энерговыделения только одного адрона, устранив или отделив другие источники выделения энергии в иони­ зационном калориметре.

В условиях работы на уровне моря и на высотах гор имеется ряд особенностей, которые должны быть приняты во внимание при конструировании прибора. Одна из особенностей заключается в том, что в атмосфере адроны высокой энергии часто образуют груп­ пы, т. е. на установку падает одновременно по нескольку частиц [16]. Чем больше площадь установки, тем больше вероятность одновременного падения на нее двух, трех и более сильно взаимо­ действующих частиц. Очевидно, что в случае одновременного падения на установку нескольких частиц энергия, которая выде­ лится в ионизационном калориметре, будет равна сумме энергий всех упавших на установку частиц.

Для обеспечения надежного измерения энергии отдельной частицы конструкция ионизационного калориметра должна да­ вать возможность различать случаи падения на калориметр оди­ ночного адропа, группы адронов, случай падения широкого ат­ мосферного ливня и т. д. Это условие может быть выполнено, если ионизационный калориметр состоит из большого числа детекторов ионизации, расположенных соответствующим образом (см. ниже).

2.Расположение детекторов ионизации должно обеспечивать разделение различных по своей физической природе случаев энер­ говыделения в ионизационном калориметре (отдельная частица, группа частиц, атмосферный ливень).

3.Детекторы ионизации должны быть достаточно быстродейст­ вующими.

4.Детекторы ионизации не должны вносить искажения в энер­ гетическое и угловое распределение вторичных частиц в поглоти­ теле калориметра. Они должны без искажений регистрировать

ионизацию, создаваемую сильно ионизующими частицами.

£ 2. Выбор вещества поглотгітеля

Выбор вещества ионизационного калориметра, в котором про­ исходит диссипация энергии первичной частицы, определяется рядом факторов.

Во-первых, этот выбор связан с методами регистрации иониза­ ции: измерение ионизации по всему объему вещества или на дис­ кретных уровнях.

Во-вторых, этот выбор связан с допустимыми габаритами иони­ зационного калориметра, его светосилой, диапазоном энергий детектируемых первичных частиц.

В-третьих, этот выбор связан с чувствительностью применяе­ мых детекторов ионизации.

В§ 3 гл. I были получены оценки толщины х0 для поглотите­ лей из веществ с разным атомным номером, которая обеспечивает передачу я9 -мезонам в среднем 90% энергии первичной частицы.

(пренебрегая размерами детекторов ионизации). Принимая для оценки х0 значения пробегов для взаимодействия, известные для частиц с энергиями — 101 0 эв, получим:

Ионизационный калориметр должен обладать определенной «светосилой», задаваемой из условия достаточно частого наблюде­ ния космических частиц высокой энергии. «Светосила» ионизацион­ ного калориметра определяется геометрическими размерами. Если обозначить через ^ и S2 площади верхнего и нижнего осно-

поглотителя. Однако рост п влечет за собой рост числа детекторов

Минимальное число рядов может быть получено из следующих соображений.

Основная часть энергии первичной частицы в ионизационном калориметре растрачивается на ионизацию электронами каскад­ ных лавин, образованных у-квантамп от распада п°-мезонов. Полуширина каскадной кривой для широкого диапазона энергий

во избежание больших ошибок в получении средней кривой рас­ пределения ионизации по глубине ионизационного калориметра, толщины отдельных слоев не должны превосходить полуширины

потеря энергии нуклоном при его столкновении с ядрами вещества поглотителя составляет ^ 0,ЪЕ0 и при каждом взаимодействии я°-мезонам в среднем передается х 20% энергии нуклона. Сред­ няя множественность рождающихся я*-мезонов при энергиях нуклонов 101 1 —101 2 эв равна 8—10, поэтому среднее число у-кван- тов, образующихся в каждом таком взаимодействии, также нужно принять равным 8—10. Следовательно, средняя энергия у-кван- тов будет порядка 3—4% от Е0.

Если поглотитель изготовлен из тяжелого вещества (с боль­ шим Z), то потери энергии нуклоном могут быть несколько больше, но больше будет и средняя множественность рождающихся я"Ь-ме- зонов. Поэтому и в этом случае для оценок следует брать в ка­ честве энергии у-квантов величину порядка (0,03-=-0,04).Е0 (осо­ бенного уточнения этой величины не требуется, так как она стоит

Для определения числа рядов детекторов ионизации п примем ранее полученные значения х0. Тогда

72с ~ 4 ряда, пре ^ 9 рядов, nVb ^ 27 рядов.

Эти цифры могут привести к ошибочному мнению, что приме­ нение легкого вещества в ионизационном калориметре позволит обойтись существенно меньшим количеством детекторов иониза­ ции. Однако, как будет показано в § 3 этой главы, такое заключе­ ние неверно. Если задаться определенной светосилой ионизацион­ ного калориметра и размерами детекторов, то ионизационный ка­ лориметр из легкого вещества будет иметь существенно большие поперечные размеры (по сравнению с ионизационным калоримет­ ром из тяжелого вещества) и поэтому в каждом ряду число детек­ торов в нем будет больше.

Легкие вещества в качестве поглотителей в ионизационных калориметрах обладают рядом отрицательных свойств, к рассмот­ рению которых мы и перейдем.

Для того чтобы при помощи ионизационного калориметра мож­ но было выделять случаи одновременного падения нескольких частиц, необходимо, чтобы расстояния между частицами были не меньше поперечных размеров лавины частиц в ионизационном калориметре, а детекторы ионизации имели поперечные размеры, не превосходящие ширину лавин. Уменьшение поперечных раз­ меров детекторов приведет к увеличению общего их числа, что в свою очередь лимитируется как техническими трудностями в изготовлении большого числа детекторов, так и сложностью ра­ боты с большим числом независимых детекторов ионизации. Од­ нако, отвлекаясь от проблем технического характера, можно рассмотреть вопрос о принципиально достижимом пространствен­ ном разрешении ионизационного калориметра и зависимости раз­ решения от атомного номера вещества поглотителя.

Значительная часть ионизации в ионизационном калориметре создается электронами каскадного ливня. Если бы все вторичные, третичные и последующие поколения адронов, образовавшихся в ионизационном калориметре, двигались строго в направлении первичной частицы, то н в этом предельном случае, обеспечиваю­ щем минимальные поперечные размеры всей лавины, эти размеры были бы конечными. Дело в том, что электроны каскадного ливня, двигаясь в веществе, испытывают многократное рассеяние п отхо­ дят от первоначального направления (оси ливня), распределяясь некоторым специфическим образом вокруг оси ливня. Закон рас­ пределения плотности потока электронов на различных расстоя­ ниях г от оси ливня описывается фупкцией, вид которой зависит от степени развития лавины.

ионизационных потерь в приближении средних углов рассеяния

=0,75 радиус хг = 1,4 <жг>. Так как (xry ^ 0,9, то в круге