книги из ГПНТБ / Григоров, Н. Л

В табл. 2.2 приведены рассчитанные значения поперечных раз­ меров ливней Zn o n вблизи максимума их развития в разных ве­ ществах. Как видно из этой таблицы, предельно достижимое про­ странственное разрешение в калориметрах с легким веществом

в качестве поглотителя во много раз хуже, чем в калориметрах с веществом со средним или большим значением Z.

При конструировании ионизационного калориметра приходит­ ся тем или иным способом решать проблему измерения ионизации. Ионизация, создаваемая в детекторе электронами лавины, пропор­ циональна числу электронов в лавине. При данной энергии пер­ вичной частицы Е0 число электронов в каскадной лавине в основ­ ном определяется критической энергией Ес для данного вещества, т. е. / ~ Её1 (это соотношение предполагает, что в веществах с малым и большим атомным номером процесс передачи энергии электронно-фотонной компоненте лавины происходит одинаково интенсивно). Поскольку Ес уменьшается с ростом Z, пз этого соотношения видно, что и с точки зрения величины создаваемой ионизации надо отдать предпочтепие веществам поглотителя с большим атомным номером.

Для того чтобы резюмировать, каким веществам поглотителя в ионизационном калориметре следует отдать предпочтение, не­ обходимо рассмотреть вопрос о детекторах ионизации. Как будет видно из дальнейшего, имеется определенная связь между детек­

Основное назначение ионизационных детекторов — измере­ ние ионизации, созданной в поглотителе частицами лавины. По­ этому ионизационные детекторы не должны вносить искажений в угловое и энергетическое распределение электронов лавины, выходящих из поглотителя и попадающих в детекторы. Это усло­ вие можно выполнить наилучшим образом, если детекторы иони­ зации сделаны из веществ, у которых Z близко к атомному номеру вещества поглотителя. Например, если поглотитель выполнен из железа, то в качестве детекторов можно взять ионизационные ка-

меры (пропорциональные счетчики), сделанные из стали или ла­ туни (меди) и наполненные аргоном или смесью аргона и криптона.

Если применяются детекторы из плотных веществ с малым Z, существенно отличающимся от атомного номера поглотителя, то для выполнения указанного условия необходимо, чтобы толщины таких детекторов были небольшими. При выборе толщины детек­

Отсюда следует, что если детекторами ионизации являются устройства из вещества с малым атомным номером (например, пластические сцинтилляторы, черепковские счетчики), то их толщины должны быть порядка 1 г/см2 и меньше, если в качестве поглотителя применено вещество со средним атомным номером (например, железо).

При выборе ионизационных детекторов следует принять во внимание, что практическое пространственное разрешение детек­ тора зависит не только от его поперечных размеров, но п от его высоты. Обратимся к рис. 2.4. Многократное рассеяние каскадных электронов приводит к тому, что электроны приобретают различ­ ные направления движения. Чем больше Z вещества, в котором развивается лавина, тем больше 6 — средний угол между осью лавины и направлением движения совокупности электронов, находящихся в данном сечении лавины. Каскадные электроны, падающие на ионизационный детектор, покидают поглотитель под средним углом 8 (по отношению к направлению движения первич­ ной частицы). Если высота детектора А/г, то при прохождении

ме развития ливня электроны рассеяны почтп изотропно и 0 ^ 1 , т. е. А/ ж 2 Ah.

Чтобы пространственное разрешение ионизационного калори­ метра не лимитировалось угловым расхождением частиц, выходя­ щих из поглотителя, поперечные размеры детектора ионизацпн /дет (или по крайней мере один из размеров) должны быть не мень­

ну движения частицы (пли группы частиц) через ионизационный калориметр.

Наибольшую полноту информации можно получить, если де­ текторы представляют собой параллелепипеды минимальной тол­ щины и квадратного сечения, плотно заполняющие всю площадь сечения калориметра (рис. 2.5). В этом случае простейшим и наи­ более однозначным образом устанавливается место и направленне движения первичной частицы через калориметр (на рис. 2 . 5 заштрихованы детекторы, в которых была бы зарегистрирована ионизация).

Посмотрим, как при таких детекторах будет зависеть их число от порядкового номера вещества калориметра.

Допустим, что площадь каждого детектора s, а площадь сече­ ния калориметра S (примем, что ионизационный калориметр представляет собой прямоугольный параллелепипед). Тогда в каж­

ной «светосилы» калориметров,' сделанных из веществ с разной

зации легкие вещества в качестве поглотителей не дают преиму­ ществ в числе детекторов, хотя число рядов с детекторами при этом минимально. Минимальное число детекторов соответствует веществам, обладающим большой плотностью и средними атомны­ ми весами (вещества типа железа, меди).

Если поглотитель выполнен из железа, то для обеспечения хорошего пространственного разрешения максимальные попереч­

речные размеры ионизационного калориметра не обеспечат необ­

Пойдя на ухудшение разрешения в два раза (увеличив попе­ речные размеры детекторов до 10 см), можно сократить полное число детекторов до та 1000.

Однако можно на порядок сократить необходимое число де­ текторов, существенно не ухудшая разрешающей способности прибора, если применить длинные и тонкие детекторы, располо­ женные в разных рядах во взаимно перпендикулярных направле­ ниях, как это показано на рис. 2.6. В этом случае m ~ Y^S и зависимость полного числа детекторов от размеров ионизацион­

(см. расчеты высоты h и числа рядов на стр. 34 и 38). Для оценки необходимого числа детекторов ионизации в калориметре с погло­

Вернемся к вопросу о выборе вещества ионизационного кало­ риметра.

Проведенное рассмотрение (см. § 2 и настоящий параграф) показывает, что в тех случаях, когда поперечные размеры детекто­ ров ионизации ^ 5 см,'в качестве поглотителя в ионизационном калориметре наиболее целесообразно применять вещества со сред­

(РЬ, W) .

Резюмируя основные требования, предъявляемые к детекторам ионизации в ионизационном калориметре с поглотителем из же­ леза, следует признать, что наилучшим образом этим требованиям удовлетворяют ионизационные камеры.

1. Ионизационные камеры, изготовленные из стали или лату­ ни и наполненные аргоном, являются детектором с почти тем же

атомным номером, что и поглотитель (Fe), благодаря чему от­ сутствуют переходные эффекты, характерные для электронно-фо­ тонных лавин, развивающихся в слоистых средах (поглотитель — детектор) с различным атомным номером. Такие детекторы не вно­ сят искажений в угловое и энергетическое распределение ливне­ вых частиц, выходящих из слоя поглотителя.

2. При достаточно высоком давлении газа, наполняющего

ции сильно ионизующих частиц будут уже сравнительно невелики н соизмеримы с флуктуациями при использовании тонких сцинтилляционных детекторов.

3.РІонизационньїе камеры обладают очень большим диапазо­ ном линейной связи между созданной ионизацией и энергией, потерянной частицей на ионизацию атомов газа, наполняющего камеру. Такое качество отсутствует у сцинтилляторов.

4.Ионизационные камеры являются весьма стабильными во времени детекторами, чувствительность которых не зависит от внешних факторов. Это обстоятельство является очень важным

идаже тысяч штук.

5.Ионизационные камеры высокого давления являются им­ пульсными детекторами с быстродействием, достаточным для

использования их в установках, работающих на высотах гор. 6. Ионизационные камеры могут быть изготовлены практиче­ ски любой формы, технологичны в изготовлении и легко могут быть использованы в ионизационных калориметрах весьма боль­ ших размеров (10—20 м2) с сохранением пространственной разре­

Для хорошего пространственного разделения частиц в группе, для достаточно точного определения траектории первичной ча­ стицы ионизационный калориметр в условиях работы в нижней части атмосферы должен содержать большое число детекторов ионизации. Причем необходимо измерять ионизацию в каждом детекторе в момент падения первичной частицы на прибор. Так как в современных ионизационных калориметрах число детекторов (в основном ионизационных камер) достигает нескольких сотен штук, то решение технической проблемы одновременного измере­ ния амплитуд импульсов в сотнях датчиков приобретает принци­ пиальное значение.

Какая бы ни была использована конкретная система измерения и регистрации амплитуд импульсов, она должна удовлетворять определенным общим требованиям.

а) Системы измерения амплитуд должны быть достаточно быст­ родействующими, чтобы производить измерение ионизации за столь короткое время, за которое появление случайных импульсов будет маловероятным. Однако система регистрации измеренных импульсов может действовать достаточно медленно, так как при работе с частицами космических лучей частота наблюдения высокоэнергичных частиц мала. Поэтому время регистрации измеренных импульсов может быть порядка десятков секунд.

б) Распределение ионизации между различными детекторами чрезвычайно неравномерно и подвержено сильным флуктуациям, обусловленным следующими причинами. Во-первых, регистри­

в детекторах порядка 10-кратной (если ионизационный калориметр сконструирован так, что он с достаточной частотой регистрирует частицы с энергией Етіп, то частицы с энергией ІОйщіп будут регистрироваться с частотой в 50—100 раз меньшей). Во-вторых, распределение ионизации вдоль калориметра может быть самым различным. За этот счет при данной энергии первичной частицы величина ионизации в различных детекторах может отличаться

в20—50 раз. Таким образом, система измерения и регистрации должна обладать большим динамическим диапазоном и позволять измерять и регистрировать амплитуды импульсов, колеблющиеся

в500—1000-кратном диапазоне.

в) Система измерения и регистрации импульсов должна быть помехоустойчивой. Это требование связано с тем, что, как прави­ ло, ионизационный калориметр работает совместно с каким-либо прибором для наблюдения процессов взаимодействия: с камерой Вильсона, искровой камерой, счетчиками и др. Работа камеры Вильсона (вспышка осветительных ламп, работа клапанов, вы­ хлоп) может создавать большие помехи как электромагнитного характера, так и акустического (микрофонный эффект).

г) Устройство амплитудных анализаторов и система регистра­ ции должны быть достаточно простыми и надежно работающими. Иначе установка, содержащая 100—1000 амплитудных анализа­ торов, будет практически неработоспособной.

Задача измерения и регистрации амплитуд импульсов от де­ текторов ионизации может решаться двумя различными путями, удовлетворяющими перечисленным требованиям.

1. Измерение и регистрация амплитуд импульсов производят­ ся одновременно во всех детекторах ионизации (параллельная система).

Очевидно, такой метод требует, чтобы каждый детектор иони­ зации был соединен (через электронное устройство) с отдельным амплитудным анализатором, в котором происходит измерение и регистрация (запись) амплитуды по команде, вырабатываемой системой управления работой ионизационного калориметра. Одновременность измерения и регистрации ионизации во всех

детекторах существенно увеличивает быстродействие всей сис­ темы регистрации многих амплитуд импульсов. Однако такая со­ вокупность систем детектор — анализатор при большом числе детекторов становится слишком громоздкой и мало практичной.

амплитуд импульсов от всех детекторов и затем поочередное их измерение и регистрация (последовательная система).

В этом методе моменты запоминания и регистрации могут быть существенно разнесены во времени в соответствии с техни­ ческими возможностями конкретной системы регистрации и с ча­ стотой регистрируемых частиц. При этом возможно создание такой системы, при которой используется один амплитудный ана­ лизатор, поочередно подключаемый ко всем ячейкам «памяти», а система регистрации поочередно «считывает» измеренную ампли­ туду. Этот второй путь позволяет простыми средствами создать систему измерения и регистрации амплитуд от 500—1000 детекто­ ров ионизации.

В условиях регистрации космических лучей высоких энергий есть одно немаловажное обстоятельство, существенно облегчаю­ щее применение второго метода. Дело в том, что потоки частиц высоких энергий даже на высотах гор малы и частота регистрируе­ мых событий составляет, как правило, « 1 0 час-1. Поэтому, если время поочередного опроса всех ячеек «памяти» будет составлять несколько секунд, то общее время, затрачиваемое на регистрацию (в течение которого установка не должна регистрировать новых частиц), составит всего около 1 % .

Применительно к ионизационным калориметрам и другим установкам, содержащим большое число детекторов ионизации, в нашей лаборатории были разработаны и опробованы оба метода.

Первый метод нашел свою реализацию с помощью осциллоско­ па с 49 осциллографическими трубками [20]. Этот осциллоскоп был использован в качестве регистратора амплитуд для первого ионизационного калориметра, созданного в лаборатории косми­ ческих лучей НИИЯФ МГУ в 1957 г. [1]. Этот регистратор был сконструирован в виде компактного блока 49 малогабаритных осциллографических трубок типа 8Л029, экраны которых фото­ графируются на один общий кадр. Трубки размещены вплотную и составляют квадрат со стороной 62 см. Разрешающая способность высокочувствительных фотоматериалов (60—70 мм-1) позволяет воспользоваться при этом обычной 35-миллиметровой кино­ пленкой.

Использование катодной трубки, отдельной для каждого кана­ ла измерения ионизации, помимо простоты многоканального уст­ ройства дает также возможность значительно расширить динами­ ческий диапазон амплитуд, регистрируемых в каждом канале. Если поступающий сигнал направить на одну пару отклоняющих электродов с предварительным усилением и одновременно на

вторую пару — без усиления, то электронный луч опишет на экра­ не трубки замкнутую кривую, близкую к треугольной форме при соответствующей фазовой характеристике усилителя. Тогда из­ мерения импульсов малых амплитуд (первый поддиапазон) могут быть произведены по отклонению луча электродами с усилением (основание треугольника); при достижении насыщения усилителя импульсами больших амплитуд (второй поддиапазон) измерения могут быть продолжены по отклонению без усиления (высота

Детектор ионизации

7 Усилитель („Щч") .Память"

1 ^

t i l

—ы

Управляющий

сигнал

Рис. 2.7. Блок-схема установки с последовательным опросом детекторов ионизации.

треугольника). Таким путем на указанной трубке достигается примерно 800-кратный динамический диапазон. Точность регистра­ ции амплитуд в большей части диапазона составляет примерно 5%, снижаясь до 10% в узком интервале амплитуд в начале каждого из поддиапазонов.

Во втором методе основой установки являются элементы «па­ мяти» и система опроса элементов «памяти». Мы остановились на системе запоминания амплитуды сигнала на емкости, а в качестве

ления импульсов от детектора ионизации оканчивается пропускателем сигналов — «ключом», управляемым внешним импульсом, катодным (эмиттерным) повторителем и конденсатором. В момент прохождения частицы высокой энергии через ионизационный ка­ лориметр система управления вырабатывает сигнал, отпирающий все «ключи». Импульсы, возникшие в детекторах ионизации, по­ сле предварительного усиления проходят через «ключи» и заря­ жают конденсаторы до своего амплитудного значения, т. е. «за-

поминаются» на достаточно длительное время. Искатель коммута­ тора поочередно подключает к каждому конденсатору (ячейке «памяти») амплитудный анализатор, соединенный с системой регистрации (записи) измеренной амплитуды.

Наиболее простой вариант анализатора и регистратора, со­ вмещенных в одном устройстве,— катодный или шлейфовый ос­ циллограф. Описанный принцип был впервые осуществлен в 1956 г. [16].

Для расширения динамического диапазона обычно исполь­ зуются два регистрирующих прибора разной чувствительности (два осциллографа) с записью сигналов на одну и ту же пленку. Таким путем легко перекрывается весь динамический диапазон, определяемый усилительным трактом.

По-видимому, описанное решение задачи регистрации ампли­ туд импульсов от большого числа детекторов ионизации оказалось наиболее конструктивным, так как оно получило широкое рас­ пространение и дальнейшее усовершенствование [44]. Примене­ ние других типов «памяти», в частности на магнитных элементах [42], распространения в практике постройки ионизационных ка­ лориметров не получило.

Как уже подчеркивалось выше, ионизационный калориметр для работы в нижней части атмосферы должен состоять из большо­ го числа детекторов ионизации с малыми поперечными размерами (или, как минимум, с малым одним размером). Он должен иметь систему измерения и регистрации амплитуд импульсов от всех детекторов ионизации. Управление системой измерения и регист­ рации должно проводиться только при выполнении определённых условий, задаваемых физикой исследуемых процессов, в против­ ном случае ионизационный калориметр будет регистрировать массу ненужных событий. Иными словами, в состав ионизацион­ ного калориметра должна входить система управления.

Наибольшее распространение в исследованиях космических лучей высоких энергий в нижней части атмосферы получили иони­ зационные калориметры того же типа, каким был первый иониза­ ционный калориметр [1]. Основными их особенностями являются поглотитель из железа и длинные цилиндрические ионизационные камеры. В последующие годы усовершенствование ионизацион­ ных калориметров шло по пути увеличения числа ионизационных детекторов, замены камер круглого сечения на камеры прямоуголь­ ного сечения [24] и совершенствования системы регистрации амп­ литуд импульсов.

Увеличение числа ионизационных камер позволило создавать в ионизационном калориметре многомерные координатные систе-