книги из ГПНТБ / Григоров, Н. Л

мы, дающие координаты лавин в двух взаимно перпендикулярных проекциях на различных уровнях поглощающего вещества. Такая система расположения ионизационных камер (принцип ее изобра­ жен на рис. 2.6) позволяет получить пространственную картину движения первичной частицы (или группы первичных частиц).

Первичная частица

і

WOсм

Совершенствование системы регистрации шло по пути увели­ чения емкости системы (числа обслуживаемых каналов) и упроще­ ния техники обработки результатов измерений.

Ниже описан ионизационный калориметр, являющийся приме­ ром типовой конструкции, которая получила (с небольшими ва­ риациями) наибольшее применение в исследованиях космических лучей высоких энергий. Он был разработан авторами и построен на заводе «Физприбор». Большая рабочая площадь 10 м2 (на про-

тяжений многих лет он был самым большим ионизационным калориметром) позволила проводить с его использованием иссле­ дования характеристик взаимодействия частиц с энергиями выше

(рис. 2.8). Полная толщина железного поглотителя — 780 г/слг, что составляет около шести ядерных пробегов. В каждом ряду было по 32 камеры диаметром 10 см и длиной 330 см. Их конструк­ ция подробно описана в [53]. Камеры соседних рядов распола­ гались во взаимно перпендикулярных направлениях (на рисунке камеры в нечетных рядах видны с торца, в четных рядах — сбоку).

В верхнюю часть ионизационного калориметра закладывались свинцовые фильтры, толщина и расположение которых менялись в отдельных экспериментах. Например, при одном из расположе­ ний камеры рядов I — I V находились под 3,5; 4,5; 8,5 и 10,5 см РЬ. Они регистрировали ливни, созданные в фильтре электронами и фотонами высокой энергии, падающими на установку. Верхний свинцовый фильтр (над рядом I) толщиной 3,5 см прослаивался ядерными эмульсиями и рентгеновскими пленками. Их назначе­ ние будет рассмотрено при описании метода контролируемых ядер­ ных фотоэмульсий.

В ряде экспериментов над прибором помещали графитовую мишень.

Для регистрации атмосферных ливней, обычно сопровождаю­ щих частицы высокой энергии, в составе этой установки было око­ ло 220 счетчиков Гейгера — Мюллера, включенных в годоскоп. Применялись счетчпкн разной площади. Они располагались не­ посредственно над калориметром и на расстоянии 6 и 10 лі от его центра. В установке работало также десять сцинтилляционных счетчиков площадью 0,25 м2 каждый. Один из сцинтилляторов находился над калориметром. Остальные были расположены на расстояниях 3,3; 7 и 12 лі от центрального (по три счетчика на каждом расстоянии).

Внешний вид этого ионизационного калориметра показан на рис. 2.9.

Применение ионизационных калориметров в верхней части атмосферы или за ее пределами для изучения первичных косми­ ческих лучей высокой энергии и характеристик их взаимодействия с веществом ставит вопрос об оптимальных параметрах таких ионизационных калориметров. Условия работы ионизационного калориметра в верхней части атмосферы, и тем более за пределами атмосферы, существенно отличаются от условий работы на уровне моря и на высотах гор. Рассмотрим, какие из этого вытекают след­ ствия.

ЭТО — Предел, КОТОРЫЙ ДОСТИГаеТСЯ ТОЛЬКО При УСЛОВИИ /детЛпогл —> —>- 0, где /дет и /цогл — т о л щ и н ы (в см) детекторов и слоев п о г л о ­ тителя . В действительности это условие никогда не в ы п о л н я е т с я .

слоя соответствует 6 лавинным единицам, то для железа это 11 см,. а для свинца 3,4 см. Допустим, что ионизационные детекторы

ваний, то оптимальным материалом для поглотителя ионизацион­ ного калориметра, обеспечивающим наименьший вес, является железо.

2. На большой высоте интенсивность частиц космических лу­ чей значительно выше, чем на уровне моря или гор, а в соответст­ вии с этим и суммарный поток энергии космических лучей, па­ дающих на 1 см2 поверхности в 1 сек, примерно на два порядка больше, чем на высотах гор, и равен ^ 5-Ю9 эв1см2сек. Большой поток энергии частиц космических лучей требует меньшего времен­ ного интервала т, за который производится измерение энергии Е0 первичной частицы, чтобы ошибка в Е0 за счет случайных совпа-

депий лежала в заданных пределах. Если для оценок т по-прежне­

щего па больших высотах, необходимы детекторы ионизации, обладающие большим быстродействием, чем детекторы для иони­ зационных калориметров, работающих в нижней частп атмосферы.

3. Здесь уместно обратить внимание на одну особенность, связанную с работой на больших высотах. В верхней части атмо­ сферы н за ее пределами угловое распределение первичных частиц, падающих на ионизационный калориметр, почти изотропно. По­ этому большая часть частиц будет падать на боковые поверхности ионизационного калориметра и меньшая — в пределах телесного угла, определяемого геометрическим фактором Г.

Геометрический фактор ионизационного калориметра для гло­ бального потока частиц (падающих со всех сторон при изотропном

где Si — площади основания и двух соседних боковых граней, если ионизационный калориметр в геометрическом отношении является прямоугольным параллелепипедом. Для частного случая квадратного основания имеем Sx = I і , S« — S3 = lh, Г г л о о = = nl* (1 + 2/i/Z) и

Даже при hi I = 2 имеем:

Гглоб/Г ^ 60.

Поэтому в условиях работы с ионизационным калориметром на больших высотах очень важным является создание дополнитель­ ной системы отбора первичных частиц, обеспечивающей регистра­ цию только тех частиц, которые идут в пределах телесного угла ионизационного калориметра. При наличии такой системы можно обойтись без многих детекторов ионизации в каждом ряду.

Если условия измерений таковы, что практически исключается одновременное падение на ионизационный калориметр нескольких частиц, можно применять ионизационные детекторы больших раз­ меров, в частности, равных поперечному сечению ионизационного калориметра. Примером ионизационных камер, пригодных для таких ионизационных калориметров, могут служить камеры, раз­ работанные для прибора ИК-15, который был установлен на косми­ ческой станции «Протон-4» [25].

Ионизационные камеры были изготовлены из нержавеющей стали толщиной 1,5 мм в виде параллелепипеда с внешними раз­ мерами 90 X. 104,5 см- и высотой 3,4 сл. Они были наполнены ксе­ ноном с добавкой 5% азота до общего давления 790 мм рт. ст. Использование газа с большой плотностью (по сравнению с арго­ ном, например) позволяет увеличить ионизационный эффект,, создаваемый в камере быстрыми заряженными частицами. До­ бавка азота сокращает время собирания электронов. При рабочем напряжении я? 1700 в время собирания было около 5 мксек.

Выше мы видели, что вес ионизационного калориметра при заданных Г и д обратно пропорционален средней плотности р вещества ионизационного калориметра. В свою очередь р сущест­ венно зависит не только от плотности вещества, но и от толщины ионизационных детекторов. Поэтому в ряде случаев при выборе детекторов ионизации для ионизационных калориметров, пред­ назначенных для работы в верхней части атмосферы, на первое место могут стать соображения технического порядка — возмож­ ность изготовления детекторов с минимальной толщиной. В таком случае пластические сцинтилляторы с повышенной прозрачностью могут оказаться наиболее подходящим видом детекторов иони­ зации.

Сцинтилляторы в качестве детекторов ионизации обладают рядом как положительных, так и отрицательных качеств.

К положительным следует отнести малые продолжительности импульсов, Ю - 8 — 1 0 _ в сек (в зависимости от типа сцинтилляторов). Благодаря этому в тех случаях, когда это необходимо, можно существенно уменьшить вероятность случайных совпадений, ими­ тирующих изучаемые процессы. Особенно полезными могут быть сцинтилляционные детекторы в тех случаях, когда требуется сиг­ нал о регистрации частицы высокой энергии ионизационным кало­ риметром с малым запаздыванием (<J 10~6 сек) относительно мо­ мента попадания частицы на ионизационный калориметр.

Однако у сцинтилляционных детекторов есть и свои недостат­ ки. Во-первых, сцинтилляторы имеют относительно небольшой интервал, в пределах которого световая вспышка пропорциональ­ на удельной ионизующей способности частицы. Это приводит к тому, что энергия, выделенная в ионизационном калориметре сильно ионизующими частицами, будет систематически недомеряться.

Во-вторых, вещество пластических сцинтилляторов имеет атом­ ный номер существенно меньший, чем вещество поглотителя & ионизационном калориметре. В результате будет иметь место пе­ реходный эффект, величина которого зависит от «возраста» элек­ тронно-фотонной лавины. На протяжении одной лавины в разных местах ионизационного калориметра и от случая к случаю элект­ ронно-фотонные каскады будут входить в сцинтиляционные де­ текторы, находясь на разных стадиях своего развития (с разным «возрастным» параметром s). Поэтому введение единого поправоч-

ного коэффициента иа величину измеренной энергии, с целью учесть влияние переходного эффекта, является процедурой при­ ближенной.

Однако эти недостатки могут быть практически обойдены с по­ мощью соответствующей градуировки ионизационного калоримет­ ра на ускорителе [26].

Если в качестве детекторов ионизации взять сцинтилляторы, то количество света / г , возникающего в і-ои сцинтилляторе,

Рис. 2.10. Схема простейшего парпапта ионизационного калориметра со сцпнтплляторамп для работы в верхпей части атмосферы. Заштрихованы слои поглотителя, между пимн — сщштплляторы Сц; C t и С2 — счетчики заряженных частиц, управляющие работой ионизационного калориметра.

пропорционально It (до тех пор, пока ионизация не создается очень сильно ионизующими частицами), т . е . /; Ж blt, и поэтому

а. к — коэффициент, определяемый экспериментально для конкрет­ ного устройства ионизационного калориметра. Регистрация сум­ марной световой вспышки может быть осуществлена в принципе одним ФЭУ.

Один из простейших вариантов ионизационного калориметра с сцинтнлляцпонными детекторами для высотных измерений, применявшийся на ИСЗ «Протои-1,2,3» [27], приведен на рис. 2.10.

Глава I I I

Методы изучения характеристик взаимодействия космических лучей известной энергии с атомными ядрами

§ 1. Обгцие принципы методов

При изучении характеристик взаимодействия космических лу­ чей известной энергии с веществом ионизационный калориметр оказывается неотъемлемой частью любой установки, предназначен­

первичная частица много раз взаимодействует в поглотителе иони­ зационного калориметра, каждый раз теряя часть своей энергииИными словами, частица, энергия которой измерена методом иони­ зационного калориметра, перестает сзгществовать как частица высокой энергии. Поэтому применение ионизационного калоримет­ ра в качестве измерителя энергии первичной частицы исключает классическую последовательность в проведении экспериментам из потока космических лучей выделяется частица, измеряется ее: энергия до столкновения с мишенью, затем частица попадает на мишень и наблюдается результат ее взаимодействия с веществом мишени.

Специфика измерения энергии отдельной частицы ионизацион­ ным калориметром требует применения иной последовательности: первичная частица взаимодействует с веществом мишени и наблю­ дается результат ее взаимодействия. Образовавшиеся в результате взаимодействия все вторичные частицы (заряженные и нейтраль­ ные) падают на ионизационный калориметр и теряют в нем всю свою энергию. Если обеспечено последнее условие, то энергия, измеренная ионизационным калориметром, будет равна сумме энергий всех частиц, образовавшихся в результате взаимодейст­ вия, т. е. равна энергии первичной частицы.

В связи с этими особенностями измерения энергии иониза­ ционным калориметром его использование совместно с любыми средствами визуального наблюдения частиц определяет конфи­ гурацию взаимного расположения основных элементов установки: мишень — прибор для визуального наблюдения продуктов взаи­ модействия — ионизационный калориметр. Даже тогда, когда мишень и средство визуального наблюдения совмещены в едином

устройстве (например, большая эмульсионная стопка), эта по­ следовательность не может быть нарушена. Эта последовательность может быть отнесена к категории принципиальных сторон метода, в котором средства визуального наблюдения первичной частицы н результатов ее взаимодействия с мишенью объединены с иони­ зационным калориметром.

В таком объединении средств наблюдения н средств измерения энергии первичной частицы ионизационный калориметр, оста­ ваясь измерителем энергии, может выполнять ряд важных допол­ нительных функций:

1)он может использоваться как элемент, управляющий рабо­ той аппаратуры визуального наблюдения частиц;

2)он может быть средством отбора частиц из непрерывного спектра по энергетическому признаку (по энергии Е0 в заданном интервале А.Е0). При этом ионизационный калориметр не столько управляет работой приборов визуального наблюдения (они могут управляться какими-то другими устройствами), сколько дает «разрешение» на фиксацию в памяти регистрирующих систем кар­ тины, воссозданной прибором визуального наблюдения частиц.

Одним из условий правильного измерения энергии первичной частицы ионизационным калориметром является отсутствие погло­ щения энергии в мишени. Очевидно, что полностью устранить потери энергии в мишени нельзя, в особенности если мишень со­ стоит из сложных ядер. При столкновении с легким ядром будет происходить расщепление ядра и энергия в несколько сотен Мэв будет передана заряженным продуктам развала ядра — протонам

Более существенной может быть потеря энергии в мишени, если мпшень выполнена из тяжелых элементов и достаточно толста (в несколько лавинных единиц). Такая толщина является неболь­ шой по отношению к ядерному пробегу п в мишени могут практи­ чески отсутствовать вторичные ядерные взаимодействия, т. е. наблюдаемая картина взаимодействия не будет искажена взаимо­ действиями в мишени вторичных частиц, рожденных первичной частицей в первом взаимодействии. Однако толщина в несколько лавинных единиц достаточна для развития электронно-фотонной лавины в мишени и соответствующей потери энергии на ионизацию каскадными электронами в самой мишени. В этом случае для пра­ вильного определения энергии первичной частицы необходимо вводить соответствующую поправку на энергию, теряемую в ми­ шени.

В арсенале экспериментальных средств визуального наблю­ дения частиц космических лучей имеются: годоскопы различных систем, включая неоновые трубки Конверси, камеры Вильсона, ядерные эмульсии и рентгеновские пленки, а в последние годы появились искровые камеры различных типов.

Эти средства наблюдения можно разбить на две категории — детекторы управляемые и неуправляемые. К первой категории относятся все средства, которые чувствительны к детектированию заряженной частицы в течение короткого интервала времени. При­ чем чувствительность создается внешним воздействием, а момент возбуждения чувствительности может быть выбран произвольно. Чтобы этп средства использовать для регистрации частиц косми­ ческих лучей, они должны обладать «памятью», т. е. обладать спо­ собностью регистрировать след частицы спустя конечное время после ее прохождения через детектор. В этом случае сама регист­ рируемая частица (отбираемая по каким-то физическим признакам до ее регистрации в детекторе визуального наблюдения) с помощью соответствующих устройств создает сигнал, который приводит детектор визуального наблюдения в состояние чувствительности

кпрошедшим через него заряженным частицам.

Ккатегории управляемых детекторов относятся годоскопы, камеры Вильсона, искровые камеры.

Ккатегории неуправляемых детекторов относятся те, управ­ лять чувствительностью которых мы не умеем. Они регистрируют

все частицы космических лучей, которые через них проходят. В потоке космических лучей доминируют частицы малых энергий, не представляющие интереса, и они в неуправляемых детекторах создают только фон, затрудняющий идентификацию частиц вы­ соких энергий.

К неуправляемым детекторам относятся все типы фотоэмуль­

спечивающего измерение энергии первичной частицы, вызвавшей наблюдаемое взаимодействие, целиком определилось возможно­ стью объединения его с перечисленными средствами визуального наблюдения частиц. Первые шаги в решении этих задач примени­ тельно к управляемым и неуправляемым детекторам были сделаны

применять в соответствующем интервале энергии первичных ча­ стиц, естественно, сообразуясь при этом с возможностями выбран­ ного инструмента для визуального наблюдения и измерений ре­ зультатов взаимодействия.

Невысокое пространственное разрешение следов в камере Виль­ сона (и в трековых искровых камерах) ограничивает интервал энергий частиц космических лучей, которые могут изучаться с п о ­ мощью этих приборов, значениями Е0 <С 101 2 эв.

Исследование взаимодействий частиц более высоких энергий,, выше 101 2 эв, требует применения другой методики, обеспечиваю­ щей существенно лучшее пространственное разрешение. Наиболь­ шим разрешением обладают ядерные фотоэмульсии, в которых;