книги из ГПНТБ / Азимов С.А. Неупругие соударения частиц большой энергии с нуклонами и ядрами

л. М. Абдуллаев, В. М. Мялковскип, Э. Муллажонов, Д. Талипов,

ав различные периоды работы установки — Р. Бейсембаев, Э. Хеи

иФ. Улимаева.

§ 2. Описание установки

слоя по 5 см с воздушным промежутком в 3 см для более надеж­ ного выделения вторичных взаимодействий внутри мишени.

Для изучения механизма внутриядерных взаимодействий в ка­ честве мишени из тяжелых ядер использовались два слоя железа толщиной 1 см. Взаимодействия космических частиц с ядрами А1

иSi изучались путем отбора ливней, генерированных в электродах

истенках искровых камер. Информация о вторичных частицах по­ лучалась при помощи нижних двух рядов искровых камер общей площадью по 1,8 м2. Эти камеры, изготовленные целиком из стекла

Q

и наполненные неоном особой чистоты, сдвинуты на небольшое расстояние относительно друг друга, чтобы перекрыть имеющиеся между ними зазоры в центре установки. Ширина межэлектродного промежутка равна 15 см, а длина трека в нижней искровой каме­ ре — 30 см.

Электроды камер изготовлены из листов дюралюминия толщи­ ной 1,5 мм и выступают на 10 см от края. Искровые камеры, при-

Рис. 2.

меняемые в установке, носят название разрядных камер, так как металлические электроды отделены от газа камеры диэлектриком. Как было показано в работе [108], эффективность регистрации большого числа частиц, одновременно пересекающих объем таких камер, близка к 100%. Важным преимуществом разрядных искро­ вых камер является лучшая, чем у обычных камер, однородность яркости треков ливневых частиц. На рис. 2 а приведены фотогра­ фии ливневых частиц в разрядных искровых камерах, полученных на описываемой установке, которые можно сравнить с фотография­ ми ливней в обычных широкозазорных камерах (рис. 2 б).

Ю

Искровые камеры верхнего и нижнего ряда питаются от отдель­ ных генераторов импульсных напряжении (ГИН), вырабатываю­ щих высоковольтные импульсы амплитудой-— 120 кв с длитель­ ностью переднего фронта, составляющей ~ 10—-20 нсек. Эти каме­ ры фотографируются с трех сторон четырьмя стандартными фотокамерами типа РФК-5, в которых применяются объективы «Мир-1» и «Юпитер-3», на аэрофотопленку чувствительностью 1000 ед. Оси фотокамер расположены под углом 90° друг к другу, что обеспечивает высокую точность восстановления глубинных координат. Еще одна фотокамера служит для получения третьей проекции изображения, необходимой для идентификации треков на различных проекциях («нумерации»).

Таким образом, в установке предусмотрена возможность про­ странственного восстановления картины ливня и тем самым полу­ чения информации о зенитных и азимутальных углах вылета вто­ ричных частиц. Для получения на одном кадре изображения верх­ него и нижнего рядов камер с целью уменьшения числа регистри­ рующих фотокамер и удобства их юстировки искровые камеры и мишень развернуты под некоторым углом. Угол наклона верхнего ряда камер составляет — 16°, а нижних—-— 3° с горизонталью. В связи с этим нижний ряд искровых камер находится на различ­ ных расстояниях от мишени; наибольшее расстояние от нижнего края мишени до дна нижней камеры составляет 90 см, а наимень­ шее — 40 см.

Под искровыми камерами расположены два тонких черенковскнх счетчика общей площадью 2,5 м2, экранированных 3-санти­ метровым слоем свинца. Они служат для измерения энергии, пере­ данной во взаимодействии я°-мезонам Ек„ , по числу частиц в

области максимума развития электронно-фотонных лавин. Счет­ чики изготовлены из двойных плексигласовых пластин, промежуток между которыми заполнен порошком окиси магния. В противопо­ ложных стенках каждого счетчика вмонтированы фотоумножите­ ли типа ФЭУ-49 диаметром 150 мм. Для оптического контакта между катодом фотоумножителя и окном черенковского счетчика используется глицерин. В качестве радиатора применяется дистил­ лированная вода, которая наливается в счетчик до уровня 6 см,

железа, под которым расположен ряд гейгеровских счетчиков Г|. включенный в канал антисовпадений.

Дополнительно над тонкими черепковскими детекторами распо­ ложены ионизационные камеры диаметром 10 см (ряд I), которые

личными детекторами, что позволяет улучшить надежность изме­ рений.

11

Далее следует детектор энергии первичных частиц Е0, пред­ ставляющий собой сочетание черенковского спектрометра полного поглощения с ионизационным калориметром. Такой комбинирован­ ный метод измерения энергии позволяет осуществлять совместную работу искровых камер с детектором энергии в различных режи­ мах. Например, при изучении углового распределения ливневых частиц, когда требуется хорошее качество треков, искровые каме­ ры работают в режиме малых задержек 1,2 мксек) в подаче высоковольтного импульса на электроды искровых камер. В этом случае в качестве детектора энергии используется лишь «быстрый» черенковский спектрометр.

При постановке других задач искровые камеры могут работать совместно с ионизационным калориметром с задержкой в подаче высоковольтного импульса, равной ~ 20 мксек. Причем совместная работа искровых камер с детектором энергии осуществляется без применения в установке систем экранирования. С другой стороны, одновременное применение двух независимых методов измерения первичной энергии способствует не только повышению надежно­ сти оценки Е0, но и определению доли энергии, передаваемой сильноионизующим частицам в ионизационном калориметре.

Детектор энергии состоит из пяти рядов счетчиков Черенкова и девяти рядов ионизационных камер, расположенных между черенковскими счетчиками и слоями железа. В каждом ряду уста­ навливалось по три счетчика Черенкова, представляющих собой металлические баки, сваренные из нержавеющей стали и выло­ женные внутри белыми отражающими поверхностями. Счетчики имеют размеры 60X60X300 см3 и наполняются перегнанным четыреххлористым углеродом. Черенковское свечение регистриру­ ется двумя фотоумножителями типа ФЭУ-49, расположенными в торцовых стенках счетчиков. Характеристики таких детекторов рассмотрены в [2]. Между черенковскими счетчиками расположено 5 рядов ионизационных камер типа ИК-6, изготовленных из вол­ новодов сечением 110X54 мм2 и длиной 3 м. Центральным электро­ дом в камерах служит латунная трубка диаметром 3 мм. В каж­ дом ряду размещено по 25 ионизационных камер, причем оси камер в соседних рядах взаимно перпендикулярны. Под черенков­ скими детекторами расположено дополнительно 3 ряда цилиндри­ ческих ионизационных камер типа ИК-8, экранированных слоями железа по 10 см. Диаметры камер типа ИК-8 составляют 10 см при длине 330 см. Всего в каждом ряду расположено по 30 таких камер. Общая толщина черенковского спектрометра полного по­

железный фильтр весом 200 т. Высота его составляет 2 м, что соот­ ветствует ~ 1500 г/см2 железа. Этот фильтр служит для поглоще­ ния ядерно-актнвных частиц и электронно-фотонных лавин, гене­ рированных в установке. Под фильтром находится детектор ц-ме-

12

зонов, состоящим из одного ряда гейгеровских счетчиков Гг и двух

из четырех камер общей площадью 3,4 м2. Ряд гейгеровских счетчи­ ков Г2 включает в себя 216 счетчиков типа СИ-6Г, покрывающих площадь 2,8 м2. Общая толщина вещества над детектором мюонов составляет — 20 L„n.

Для оценки плотности частиц воздушного сопровождения над установкой расположены два тонких черепковских счетчика, экрани­ рованных 2-сантиметровым слоем свинца. Счетчики изготовлены из плексигласовых пластин, промежуток между которыми запол­ нен окисью магния, п имеют размеры 10X100X100 см3. Радиато­ ром служит дистиллированная вода. Черепковское свечение реги­ стрируется фотоумножителями типа ФЭУ-43 и ФЭУ-49, располо­ женными в боковых стенках счетчиков. Импульсы черепковских счетчиков суммируются и в случае превышения по амплитуде опре­ деленного порогового значения поступают в канал антисовпадений блока управления для дискриминации событий, сопровождаемых широкими атмосферными ливнями.

С увеличением энергии первичных частиц уменьшаются углы вылета вторичных и вместе с тем возрастает плотность их воздуш­ ного сопровождения. Для получения достаточного пространствен­ ного разрешения ливневых частиц узкого конуса при изучении их углового распределения в области больших энергий ( ~ 1012 эв) искровые камеры должны быть удалены от мишени на достаточ­ ное расстояние. При этом возникает опасность потери частиц, вы­ летающих под большими углами к направлению оси ливня. С дру­ гой стороны, необходимо принимать меры для снижения фона от частиц электронно-фотонных ливней, сопровождающих первичную частицу.

С этой целью во второй серии измерений верхняя часть уста­ новки была изменена, как показано на рис. 2 а. Парафиновая ми­ шень была расположена в горизонтальной плоскости, а воздуш­ ные промежутки между слоями увеличены до 8 см. Средний ряд искровых камер приближен к нижнему краю мишени для более точного измерения точки генерации ливня и надежной регистра­ ции ливневых частиц широкого конуса. При этом улучшается так­ же точность измерения направления движения первичной заря­ женной частицы. Тонкие черенковские счетчики расположены по двум сторонам детектора энергии, а над верхними искровыми ка­ мерами размещен свинцовый фильтр толщиной 8 см. Такое распо­ ложение позволяет в значительной мере снизить плотность воздуш­ ного сопровождения на уровне наблюдения. Дело в том, что части­ цы электронно-фотонных ливней не только поглощаются в свинцовых фильтрах, но и сильно рассеиваются в них, так что относительно небольшое число электронов достигает верхнего ряда искровых камер.

13

Г л а в а И

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ ПЕРВИЧНЫХ ЧАСТИЦ

§ 1. О методах измерения Д 0

Для измерения первичной энергии Ео в работе использу­ ется калориметрический принцип, основанный на измерении в блоке вещества суммарной энергии, передаваемой вторичным частицам, в результате развития в нем электромагнитных и ядерных лавин, порождаемых первичной частицей. Такой принцип измерения энер­ гии Д0 в последние годы нашел широкое применение в эксперимен­ тах с космическими лучами, так как традиционные методы (измерение отклонения заряженных частиц в магнитном поле, рас­ сеяние и т. д.) в области энергий > 10м эв становятся непригод­ ными. По сравнению с кинематическими методами, основанными на измерении углового распределения вторичных частиц, калори­ метрический метод более надежен и точен, поскольку при исполь­ зовании его не делается никаких предположений относительно характера взаимодействия сталкивающихся частиц. В существую­ щих кинематических методах оценки До делается существенное предположение о симметричном разлете вторичных частиц в си­ стеме центра инерции, что не всегда имеет место. К тому же флук­ туации в угловом распределении ливневых частиц в сочетании с круто падающим первичным энергетическим спектром, как было­ показано в [71, 76], приводят к большим погрешностям и к система­ тическому завышению энергии первичных частиц До.

Впервые методика измерения До, основанная на калориметри­ ческом принципе, была предложена Н. Л. Григоровым, В. С. Мур­ зиным, И. Д. Раппопортом и реализована в виде прибора, полу­ чившего название ионизационного калориметра [38]. Как известно, почти вся энергия ядерно-актнвной частицы в достаточно толстом блоке вещества переходит к электронно-фотонной компоненте и сильноионизующим частицам и, в конечном итоге, растрачивается на ионизацию атомов среды. Так как энергия, необходимая для

15

где l(x)d x — ионизация, измеряемая в числе пар ионов на глубине -Vв слое dx.

В ионизационных калориметрах распределение ионизации по всей толщине поглотителя измеряется на дискретных уровнях при помощи нескольких рядов ионизационных камер. Обычно иониза­ ционные камеры изготавливаются из меди или латуни, поэтому во избежание переходных эффектов в качестве поглотителя в кало­ риметрах используется железо. Тогда при толщине калориметра,

ставляющая 20т-30%. Диапазон измеряемых калориметром энер­ гий довольно велик, причем точность определения энергии увели­ чивается с ростом Е0. Эффективная площадь ионизационных калориметров может быть доведена до очень больших размеров— порядка десятков квадратных метров. Применение большого числа ионизационных камер дает возможность пространственного разре­

та импульса от ионизационных камер при малой амплитуде порядка нескольких микровольт, соответствующей прохождению через ка­ меру одной релятивистской частицы. Это обстоятельство затрудня­ ет совместную работу ионизационного калориметра с искровыми камерами. Время, необходимое для формирования мастер-импуль­ са и запоминания импульса от ионизационной камеры, составляет

— 30—40 мксек. Такая большая задержка во времени срабатыва­ ния искровых камер значительно ухудшает качество треков.

С другой стороны, сильноионизующие частицы от ядерных рас­ щеплений создают иногда в ионизационных камерах «толчки», эк­ вивалентные большому числу релятивистских частиц, вызывая по­ грешности в измерениях энергии л°-мезонов, образованных в первичных взаимодействиях. И, наконец, применение в установ­ ках большого числа (несколько сотен) ионизационных камер, сое­ диненных с отдельным каналом регистрации, требует создания сложной системы регистрации.

В дальнейшем были развиты другие типы калориметров, где в качестве детекторов ионизации использовались пластические сцин­ тилляторы [124] и пропорциональные счетчики [115].

Нами впервые создан калориметр, в котором детекторами иони­ зации служат черенковские счетчики [94]. Черенковские детекторы являются быстродействующими приборами: длительность передне­ го,-.фронта импульса, обусловленная временем собирания света на ФЭУ, составляет ~ 1 0 - 8—ІО-7 сек. даже в случае детекторов боль­ шого объема. Черенковские счетчики не чувствительны к сильноионизующим частицам, конструкция их отличается простотой, а в качестве радиаторов свечения могут быть использованы дешевые материалы. Применение таких детекторов позволило заменить

16

ственно. Переходные эффекты свинец —■бензин, железо — вода учитывались коэффициентами К, полученными в работе [94].

Для отбора ливней, вызванных одиночными ядерно-актнвнымн частицами в первых двух слоях железа, и выделения стволов лив­ ней служили семь рядов годоскопических счетчиков. Над первым рядом Гі был расположен слой свинца в 2 см для дискриминации случаев попадания на установку частиц с воздушным сопровож­ дением.

Установкой регистрировались лишь те случаи, когда в первом ряду Гі срабатывало не более одного, в четвертом Г4 — не менее двух, в пятом Г5 — не менее одного счетчика, и при этом суммар­ ный импульс от шести черепковских счетчиков (II—VII) соответ­ ствовал прохождению через калориметр'— 220 релятивистских частиц.

Энергию первичных частиц Е0 определяли калориметрическим методом, пользуясь соотношением-

со

E0 = ^ N e (t)dt,

и

где ß — критическая энергия вещества калориметра;

N e {t)— количество релятивистских частиц, измеряемое при по­ мощи черенковских счетчиков на глубине t радиационных единиц.

Следует, однако, отметить, что определение места прохождения стволов ливней при помощи годоскопических счетчиков в данной установке не всегда производилось достаточно надежно. С другой стороны, применявшиеся черенковские детекторы имели толщину

— 12 г/см2, что привело к необходимости учитывать заметные пе­ реходные эффекты. При конструировании таких детекторов не удается значительно уменьшить их толщину из-за небольшой ин­ тенсивности черенковского свечения. В случае использования тон­ ких пластических сцинтилляторов удается снизить переходные эф­ фекты, но необходимость сбора света на ФЭУ с узких граней детектора ухудшает оптическую эффективность и приводит к боль­ шой неоднородности сцинтиллятора. Эти обстоятельства затрудня­ ют создание калориметров большой площади.

На основе черенковского спектрометра полного поглощения были разработаны «быстрые» детекторы энергии, позволяющие с хорошей точностью определять Е0. А. Е. Чудаковым предложен та­ кой прибор для измерения суммарной энергии, теряемой реляти­ вистскими заряженными частицами в веществе радиатора в интер­ вале ІО11—ІО13 эв. Детектор представлял собой усеченный конус объемом 82,5 мг с диаметром верхнего основания 2,5 м при высоте 5 м [47]. В качестве радиатора использовалась вода. Внутренние поверхности конуса были покрыты диффузно отражающей белой краской. Черенковское свечение регистрировалось 16 фотоумно­ жителями типа 2Б с диаметром фотокатода, равным 15 см. Посто­ янная времени детектора соответствовала 1,5-10-7 сек. Эта установ­

18