книги из ГПНТБ / Григоров, Н. Л

надежно различаются две релятивистские однозарядные частицы, движущиеся на расстоянии 1 мкм друг от друга, т. е. у ядерных фотоэмульсий пространственное разрешение следов частиц при­ мерно в 1000 раз лучше, чем в камерах Вильсона. Соответственно область энергий, в которой могут проводиться методом ядерных эмульсий исследования взаимодействия частиц, аналогичные ис­ следованиям, проводимым с камерой Вильсона, может быть рас­ ширена примерно в 1000 раз, т. е. до 101 5 эв.

Объединение фотоэмульсионного метода с ионизационным калориметром дает возможность проводить все исследования, традиционные для метода ядерных фотоэмульсий, при известной энергии первичной частицы. В принципе развитие этого метода может дать возможность с помощью ядерных эмульсий изучать взаимодействия частиц ультравысоких энергий с любыми атомны­ ми ядрами и использовать магнитное поле для измерения импуль­ сов рожденных частиц (см. гл. I X ) .

Сложность объединения ионизационного калориметра с фото­ эмульсионным методом заключается в том, что ионизационный калориметр является детектором мгновенного действия — он выдает информацию о частице высокой энергии в момент ее паде­ ния на ионизационный калориметр; ядерная же эмульсия являет­ ся неуправляемым регистратором частиц непрерывного действия. Она накапливает все следы, оставленные частицами, прошедшими через нее за время сохранения чувствительности или за время экспозиции (при отсутствии регрессии — исчезновения скрытого изображения). Такая особенность является очень ценным качест­ вом, когда ищутся редкие новые явления и процессы с неизвестны­ ми признаками. Эта особенность становится большой помехой, когда изучаются редкие явления с известными признаками. В этом случае длительная «память» фотоэмульсий приводит к боль­ шому фону от всех частиц космических лучей, которые к иссле­ дуемому явлению отношения не имеют.

Мы пошли по пути, который заключается в том, чтобы с по­ мощью управляемого детектора провести селекцию события (лпиня), регистрируемого ядерной фотоэмульсией, и с помощью того же детектора определить координаты этого события в ядерной фотоэмульсии. Такой метод был назван методом контролируемых ядерных фотоэмульсий [28].

Естественно, что возможности обнаружения искомых явлений в ядерной фотоэмульсии существенно определяются фоном этих явлений в эмульсии и точностью локализации этих явлений с по­ мощью управляемых детекторов.

В самом деле, если интенсивность тех явлений (частиц, лив­ ней), которые по внешним признакам похожи на те, которые долж­ ны быть найдены по указаниям управляемых детекторов, обо­

Для того чтобы среди всех этих явлений обнаружить одно, интересующее экспериментатора и зарегистрированное управляе­ мым детектором, который указал координаты х, у и углы (азиму­ тальный ф и зенитный 0) искомого явления с точностями, соответ­ ственно, Ах, Ау, Дф и Д9, необходимо, чтобы вероятность обнару­ жения случайного явления на площадке AS = АхАу в телесном угле AQ = sin 9 Дф Д9 была много меньше 1, т. е.

Соотношение (3.1) является основным для успешного сочета­ ния любых неуправляемых детекторов непрерывного действия с управляемыми детекторами (в том числе и с ионизационным ка­ лориметром), дающими координаты для поиска явлений в детекто­ рах непрерывного действия. Из соотношения (3.1) видно, что чем более редкие ЯВЛеНИЯ МЫ будем ИСКаТЬ (ЧЄМ МеНЬШе фон Пф), тем -более грубым целеуказанием можно ограничиться.

Камера Вильсона, как средство наблюдения взаимодействий, •обладает рядом качеств, определяющих область ее применения для изучения частиц космических лучей высоких энергий.

К положительным сторонам этого детектора относится воз­ можность использования любой мишени (из легкого или тяжелого вещества), что позволяет изучать характеристики взаимодействия в зависимости от атомного номера ядра мишени. Камера Вильсо­ на, помещенная в магнитное поле, дает возможность измерять импульсы (в ограниченном диапазоне) вторичных заряженных ча­ стиц, рожденных во взаимодействии. Камера Вильсона, как уп­ равляемый детектор, легко может быть объединена с ионизацион­ ным калориметром.

Отрицательной стороной камеры Вильсона является недостаточ­ ное пространственное разрешение частиц ливня и небольшая точ­ ность определения координат траектории частицы, ограничиваю­ щая интервал измеряемых импульсов рожденных частиц.

В зависимости от качества работы камеры Вильсона разреше­

дутся в камере на достаточное расстояние, чтобы быть зареги­ стрированными как разные частицы. Это будет приводить к про­ счету числа частиц, генерированных при энергии первичной частицы Е0 ^ 101 2 эв.

Точность измерений угла вылета вторичных частиц относитель­ но первичной частицы составляет в камере Вильсона ж 0,5°.

вторичных частиц также ограничивает энергию первичной части­

шОооэеээээбээееэ 1959 г. на горе Арагац [53].

изучаемое взаимодействие, расположена над камерой Вильсона. В последующие годы появились аналогичные установки [29], в которых мишень помещалась внутрь камеры Вильсона. В послед­

нем случае имеется возможность однозначно идентифицировать наличие электрического заряда у первичной частицы, регистриро­ вать вторичные частицы, рожденные при взаимодействии первич-

ной частицы в мишени и летящие в заднюю полусферу, точнее измерять углы между вторичными частицами и первичной. Однако такое расположение мишени ухудшает условия измерения импуль­ сов у вторичных частиц, если камера Вильсона находится в маг­ нитном поле.

В установке, изображенной на рис. 3.1, над мишенью из угле­ рода были расположены счетчики Гейгера — Мюллера, соединен­ ные с годоскопом. Они служили для определения природы первич­

ваться с проблемой сопровождения их частицами электронно-фо­ тонных ливней. Эта электронно-фотонная компонента, сопровож­ дающая адроны,. может исказить некоторые параметры взаимодей­ ствия (завысить долю энергии, передаваемой при взаимодействии п°-мезонам, имитировать заряженную первичную частицу, в то время как первичной была нейтральная частица, исказить мно­ жественность генерируемых частиц и т. д.). Поэтому целесообраз­ но поглотить частицы сопровождения достаточно толстым слоем свинца. Однако при этом возникает генерация ливней в свинцовом поглотителе. Такие ливни хорошо наблюдаются (хотя бы системой годоскопических счетчиков) и они могут быть исключены из даль­ нейшей обработки полученной информации. Поэтому в конечном итоге толстый свинцовый фильтр над установкой, при должной системе регистрации ливней под ним, приводит только к уменьше­ нию потока адронов, очищая его от сопровождения электронно-фо­ тонной компонентой.

Счетчики над свинцовым фильтром служат для регистрации воздушного сопровождения.

Для исключения регистрации событий, связанных с широкими атмосферными ливнями, иногда практикуют применение счетчи­ ков, расположенных близ ионизационного калориметра, сигналы от которых включены в систему антисовпадений с основным уп­ равляющим сигналом.

Появление различных типов искровых камер привело к широ­ кому использованию их в физике космических лучей. В ряде слу­ чаев трековые искровые камеры по своим параметрам оказываются способными конкурировать с камерами Вильсона, а простота их изготовления, возможность создания искровых камер больших размеров создает им ряд преимуществ перед камерами Вильсона.

дующем.

1.«Память» у большинства искровых камер непродолжительна,

тП ам ~ Ю - 5 сек. Поэтому для хорошей эффективности регистрации

сминимальной задержкой.

2.Во время срабатывания искровых камер возникает силь­ ная электромагнитная помеха, создающая ложный сигнал на вхо­ дах усилителей, соединенных с ионизационными камерами. В си­ лу того, что Тпам ~ Ю~5 сек, сигнал, управляющий работой ис­ кровой камеры, не может быть задержан на время, большее тП ам»

т.е. электромагнитные помехи возникают через ~ 10"6 сек после прохождения частиц через ионпзацпопный калориметр.

Указанные сложности в различных работах обходятся двумя путями.

Либо создаются условия, удлиняющие «память» искровых камер до ~ Ю - 4 сек. При такой долгой «памяти» возможно при­ менение ионизационного калориметра с ионизационными камера­ ми в качестве детекторов ионизации. При этом могут быть разде­ лены во времени измерения амплитуд импульсов от ионизационных камер (до подачи высоковольтного импульса на искровые камеры) и момент возникновения помех.

Либо применяются ионизационные калориметры со сцпитилляцпонными детекторами ионизации. В этом случае задержка управ­ ляющего сигнала может быть уменьшена до ^ Ю - 8 сек — времени высвечивания пластических сцинтилляторов. При использовании быстродействующих детекторов ионизации не всегда удобно про­ водить измерения амплитуд импульсов от детекторов ионизации до срабатывания искровых камер. В таких случаях приходится принимать специальные меры для подавления помех.

Мы рассмотрим одну из эффективных мер подавления помех, которая была применена в установке, предназначенной для ра­ боты с большой эмульсионной стопкой (рис. 3.2). Она была раз­ работана и построена в 1966 г. [30]. В дальнейшем подобные ус­ тановки с некоторыми конструктивными вариациями применялись как в нашей лаборатории [41], так и за рубежом [43] для аналогич­ ных исследований.

Для защиты от помех, связанных с работой искровой камеры, искровая камера со всех сторон (вместе с системой фотографиро­

добиться и с экраном из алюминия толщиной -~ 1 мм). Источник питания, от которого питался генератор высоковольтных им­ пульсов (ГИН), и все обслуживающие его схемы, размещенные рядом с искровой камерой, были помещены в экранированный красной медью ящик. Ток от источника питания подавался по экранированному кабелю. Целесообразно в цепи питания ставить высокочастотные фильтры.

Эти два мероприятия радикально снижают уровень помех, при одном условии: из-под экрана, под которым находится искро­ вая камера и все элементы, соединенные с ГИНом, не должны

К настоящему времени метод ионизационного калориметра, соединенного с искровыми камерами, получил распространение. Построен ряд установок, работающих на горах. В некоторых из них используется ионизационный калориметр с ионизационными камерами [31], в некоторых — со сцинтилляторами [7].

Мы рассмотрим методы объединения неуправляемых детекторов для визуального наблюдения частиц с ионизационным калоримет­

сказано ниже относительно ядерных фотоэмульсий, может быть перенесено без принципиальных изменений на любой неуправляе­ мый детектор частиц.

Для того чтобы ядерные фотоэмульсии можно было объеди­ нить с ионизационным калориметром, необходимо прежде всего найти эффективный способ объединения их с каким-то управляе­ мым детектором, с помощью которого можно было бы определять координаты интересующего нас события в эмульсионном материа­ ле. Затем, объединив этот управляемый детектор с ионизационным калориметром, мы решим поставленную задачу. В ряде случаев сам ионизационный калориметр может выполнять функции де­

ции разных типов ливней с помощью ядерной фотоэмульсин. Регистрация ливней частиц методом контролируемых ядерных фотоэмульсий была разработана применительно к электронно-фо­ тонным каскадам высокой энергии и применительно к ливням, рождаемым в больших объемах ядерной фотоэмульсии. Эти типы ливней различаются прежде всего своей плотностью и числом частиц. В связи с этими особенностями используются различные управляемые детекторы для определения координат и направле­

ния ливней, регистрируемых фотоэмульсиями.

В свое время авторы предположили, что при регистрации электронно-фотонных каскадов высокой энергии с помощью ядер­ ных эмульсий в качестве управляемого детектора, указывающего координаты ливня в ядерной эмульсии, могут быть ионизацион­ ные камеры, образующие координатную систему [28]. В самом деле, если интересоваться ливнями, развившимися в свинце и со­

ционных камер. Площадь, которую нужно было при этом просмот­ реть для обнаружения искомого ливня, составляла в среднем око­ ло 60 см2.

В этой небольшой установке в разных ее вариантах по показа­ ниям ионизационных камер было отобрано 46 ливней. В 31 случае (т. е. 68 + 12%) в эмульсиях были найдены соответствующие лив­ ни. Если учесть, что фотоэмульсии покрывали в установке 78% площади (остальное приходилось на зазоры между пластинками и их края), то в этой установке было найдено около 90% искомых ливней.

Такой результат оказался достаточно обнадеживающим для создания специальной большой установки, предназначенной для изучения характеристик взаимодействия частиц с легкими ядрами при энергии ^> 101 2 эв методом контролируемых ядерных фото­ эмульсий. В этой установке нашла свое воплощение идея изуче­ ния процессов генерации электронно-фотонной компоненты (в ос­

первичной частицы был применен ионизационный калориметр площадью 10 .м2, описанный в гл. I I . Для регистрации -у-квантов (измерения их энергии и углов вылета) были применены ядерные фотоэмульсии НИКФИ типа «Р», расположенные под слоями свин­ ца в специальных блоках. В качестве управляемого детектора для определения координат лавин были использованы цилиндрические ионизационные камеры первых двух рядов (I и I I ) ионизационного калориметра.

Схематическое изображение этой (пока что уникальной) уста­ новки представлено на рис. 2.8 (стр. 50).

На камерах первого ряда находились блоки из свинца, в ко­ торые закладывались ядерные эмульсии. Каждый блок состоял из трех слоев свинца толщиной по 1 см, под каждым слоем свинца находилась в пакетах из черной бумаги ядерная эмульсия толщи­ ной 50 мкм. Под нижним слоем свинца в пакет с ядерной эмуль­ сией закладывались еще два слоя рентгеновской пленки РТ-6, разделенные листом черной бумаги. Эти пакеты с фотоматериа­ лами с помощью плоского стального листа и плоских волнообраз­ ных пружин поджимались снизу к соответствующим слоям свинца.

Над блоками с эмульсиями на расстоянии L ^ 150 см распо­ лагалась мишень из графита толщиной ^ 20 г/см2. Гамма-кванты, возникшие от распада я°-мезона, генерированного в мишени на уровне фотоэмульсий, разойдутся от центра общего ливня в сред­ нем на расстояние