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

К недостаткам рассмотренного спектрометра относится плохое пространственное разрешение стволов ливней, что делает невоз­ можным выделение случаев одновременного прохождения через детектор, нескольких ядерно-активных частиц, а также отсутствие возможности изучения развития лавин в веществе радиатора. Ин­ формация о распределении энерговыделения на различных глуби­ нах спектрометра необходима для введения поправки на энергию, проносимую за нижнее основание детектора, так как суммарная толщина данного детектора эквивалентна относительно небольшому числу радиационных единиц ( — 15 t). Поскольку черенковские спектрометры полного поглощения регистрируют только энергию, теряемую заряженными релятивистскими частицами, происходит заметный недомер энергии, передаваемой на ядерные расщепления цс.іг. в веществе радиатора. Поправки, учитывающие энергию, рас­ ходуемую на ядерные расщепления, можно вводить только в сред­ нем. Как показали подробные расчеты процессов развития лавин в ионизационном калориметре, проделанные в [21], величина rjc.n, регистрируемая калориметром, испытывает значительные флуктуа­ ции и достигает в среднем ~30% в области энергий £0 = 300 Гэв. Поэтому представляет интерес экспериментальное определение ве­ личины rjo.ii. для различных детекторов энергии.

§ 2. Комбинированный метод измерения £ „

Для измерения первичной энергии в данной установке на­ ми предлагается комбинированный метод, позволяющий измерять энергии ядерно-активных частиц одновременно двумя независи­ мыми методами, что существенно повышает надежность опреде­ ления До. Сопоставление этих двух независимых методов измере­ ния Е0 дает возможность оценить величину rjc.n-

Детектор энергии конструктивно оформлен в виде стойки с де­ вятью приваренными к ней стальными рамами, в которых уложе­ ны ионизационные камеры типа ИК-6 и ИК-8. Между пятью ряда­ ми ионизационных камер расположено по пять черенковских де­ текторов, составляющих вместе черенковский спектрометр полного поглощения. Девять рядов ионизационных камер представляют своеобразную пространственную координатную систему, позволяю­ щую четко фиксировать место прохождения ядерно-активных час­ тиц через установку. Фильтром для ионизационного калориметра служит вещество радиатора черенковских детекторов. При условии полного развития каскадных лавин в детекторе суммарная вели­ чина пробега релятивистских частиц будет пропорциональна пер­ вичной энергии. Это условие выполняется достаточно точно, если критическая энергия вещества радиатора ß намного превышает пороговую энергию £щ>р, при которой начинается черенковское из­ лучение. Для радиатора из четыреххлористого углерода условие

19

■É'nop хорошо выполняется, так как ßcc)| = 32 Мэв, а £„пр =

= 0,2 Мэе. Применение ССІ с удельным весом d=l,65 г/см2 и средним атомным номером Z = 16, соответствующим радиационной длине 1са4— 20 г/см2, позволяет сделать спектрометр более ком­

пактным, чем в случае использования воды. При этом возрастает суммарное число радиационных единиц в спектрометре, что имеет важное значение для более полного развития каскадных лавин в детекторе.

Таким образом, в разработанном детекторе энергии сочетаются преимущества как черепковского спектрометра полного поглоще­ ния, так и ионизационного калориметра.

§ 3. Параметры черенковских детекторов

Опыт работы с калориметром из черепковских счетчиков позволил нам в дальнейшем разработать черепковские детекторы большого объема, пригодные для использования в черенковских спектрометрах полного поглощения. При разработке спектрометра исследовались параметры черенковских детекторов различной кон­ струкции [2].

Черенковские детекторы, из которых собирался спектрометр, сварены в атмосфере аргона из листовой нержавеющей стали тол­ щиной 3—4 мм. Для удобного конструктивного оформления спект­ рометра в сочетании с ионизационным калориметром потребова­ лось разработать детектор удлиненной конструкции, что ухудшило условия светосбора. Размеры детектора составляют 60Х60Х ХЗОО см3. В торцовых стенках счетчиков проделаны окна для креп­ ления по одному фотоумножителю типа ФЭУ-49 с диаметром фотокатода 150 мм. С внутренних сторон счетчиков отверстия за­ крыты стеклянными поверхностями толщиной 2—3 мм, которые крепятся к стенкам клеем типа Л4, приготовленным на основе эпоксидной смолы ЭД-5 с добавлением полиэтиленполиамина в качестве отвердителя и дибутилфталата в качестве пластификато­ ра. Оптическим контактом между катодом ФЭУ и стеклянным окном детектора служит глицерин. Резиновое кольцо, надеваемое с одной стороны на баллон ФЭУ, с другой стороны прижимается болтами и стальным фланцем к корпусу детектора, предохраняя глицерин от вытекания. Фотоумножитель с делителем напряжения помещен в стальной кожух толщиной 2 мм с целью экранирования ФЭУ от постороннего света и электромагнитных помех. К кожуху крепятся также входные катодные повторители с каналом регист­ рации импульсов от ФЭУ.

Поскольку интенсивность черепковского свечения крайне низка, важной задачей при построении таких детекторов является повы­ шение их оптической эффективности. Для этой цели используются отражатели с возможно высоким коэффициентом отражения, при­ меняются различные добавки к жидким радиаторам, служащие трансформаторами спектров для сдвига ультрафиолетовой области

20

тивным растворителем, использованные ранее отражатели из плек­ сигласовых пластин, между которыми помещался порошок окиси магния, оказались непригодными. В связи с этим была разрабо­ тана специальная белая краска на жидком стекле, пигментом в которой был порошок MgO. Эта краска достаточно прочно держа­ лась на металлах и стекле и обладала влагостойкостью. Однако в контакте с СС14 она приобретала желтоватый оттенок. Поэтому отражающие поверхности изготавливались по следующей техноло­ гии: на стеклянную поверхность наносилась белая краска по ука­ занному выше способу, затем на нее трамбовался порошок MgO и эпоксидным клеем Л4 наклеивалась вторая стеклянная пластина. Такие отражатели, изготовленные нами из обычного оконного стек­ ла толщиной 2,5 мм, обладают достаточной отражающей способ­ ностью и не подвергаются действию ССІ4. Отражатели были выполнены в виде пластин размером 50X60 см2 и покрывали внут­ ренние поверхности черенковских детекторов. Испытания череп­ ковских детекторов вытянутой формы показали, что при комбини­ ровании коэффициентов отражения пластин в зависимости от места их расположения можно улучшить однородность счетчика. Поэтому вблизи ФЭУ располагались пластины, отражателями в которых были листы ватмана, а со стороны крышки отсутствовало по одной пластине.

В процессе эксплуатации спектрометра регулярно проводилась калибровка детекторов одиночными релятивистскими частицами. С этой целью в установке было расположено 3 ряда гейгеровских счетчиков типа МС-9. Регистрируя двукратные совпадения о*г гей­ геровских счетчиков, расположенных в различных рядах, можно было выделять случаи прохождения частиц через любой из детек­ торов, составляющих спектрометр.

Импульсы от двух ФЭУ, выравненные по амплитуде, после сум­ мирования поступали на вход 16-каиального амплитудного анали­ затора, разработанного в лаборатории. Для оценки числа фото­ электронов, возникающих на катоде ФЭУ при прохождении реля­

детектора.

Амплитудные распределения импульсов на выходе одного из использованных черенковских детекторов, полученные при прохож-

21

денин релятивистских частиц на различных расстояниях от бли­ жайшего ФЭУ, изображены на рис. 4, где по оси абсцисс отложена амплитуда выходных импульсов, а по оси ординат — число реги­ стрируемых событий. На рис. 4 а, в даны распределения импульсов при прохождении частиц на расстоянии 60 см от фотоумножителей, а на рис. 4 б, г — 120 см. Согласно распределению величина б составляет ~ 0,4—0,5, что соответствует возникновению на катоде

Ф ЭУ ~5 фотоэлектронов. Важной характеристикой

черенковского детектора с большой эффективной пло­ щадью является степень не­ однородности, определяемая как

счетчики, под каждым детек­ тором находилось по 4 короб­ ки, была возможность калиб­ ровать их частицами, прохо­ дившими на различных рас­

стояниях от ФЭУ. Поэтому при измерении Е0 учитывалась зави­ симость выходных импульсов черенковских детекторов от места прохождения оси ливня.

§ 4. Определение Е0 черенковским спектрометром полного поглощения

Э н е р г и я , р е г и с т р и р у е м а я с п е к т р о м е т р о м (•£р )■ Энергия, регистрируемая спектрометром, складывается из

энерговыделения ядерно-активных частиц в веществе черенков­ ских детекторов £‘сп и энерговыделения в верхних фильтрах ус­ тановки Е„ :

22

лятивистской частицей при прохождении 1 г/см2 вещества. Если

искровых камер и свинцовых фильтрах измеряется с помощью во­ дяных черенковских детекторов. Поскольку в установке применяется тонкая мишень, этими счетчиками регистрируется в основном энерговыделение электронно-фотонных ливней от л°-мезонов, обра­ зованных в первичном взаимодействии в мишени и последующих вторичных столкновениях в верхних фильтрах установки. В связи с этим Еч составляет лишь часть от полной энергии, переданной во взаимодействии л°-мезонам Е-„:

Еч= а (ЕТа) я,о,

где а (f-o) — коэффициент, учитывающий долю энергии от Е_„, выделяемую в верхних фильтрах установки. Величина ErS>опре­

деляется по числу частиц в области максимума развития элек­ тронно-фотонных ливней Nm из соотношения

измерения числа каскадных электронов водяным черепковским де­ тектором толщиной 7 г/см2.

Если величина импульса ои.в, определяемая калибровкой тон­ кого детектора, эквивалентна световому потоку, испускаемому

2 і

проникающей частицей при прохождении полной толщины этого счетчика, то суммарный световой поток от всех регистрируемых ливневых частиц будет выражаться в некотором числе проникаю­ щих частиц, равном

где Уд — импульс, возникающий в детекторе при прохождении ливня.

Однако большинство ливневых частиц в свинце в области мак­ симума развития имеют малые энергии и поглощаются в веществе черенковского детектора за счет ионизационных потерь. Поэтому для вычисления величины N ,п необходим пересчет от числа прони­ кающих частиц Ne к числу электронов у границы детектора. Этот пересчет осуществляется при помощи коэффициента к = 2,7, теоре­ тические расчеты и экспериментальное определение которого при­ водятся при обсуждении вопросов, связанных с измерением вели­ чины К,° .

Таким образом, для величин N m и Е^0 получим следующие выражения

Величина а(£_„) является функцией энергии Ет„ , переданной

во взаимодействиях я°-мезонам. С ростом энергии электронно-фо­ тонных лавин область их максимума сдвигается в сторону больших значений радиационных единиц. Так как Е т.« измеряется в уста­ новке по числу регистрируемых частиц на одном уровне наблюде­

При этом необходимо учитывать, что электромагнитные ливни вызываются не отдельными частицами, а группой фотонов яѵ от распада л°-мезонов. Поэтому расчет величины а(Е т.° ) произво­ дился для фотонов, распределенных по энергетическому спектру. Если энергетический спектр генерированных л°-мезонов является экспоненциальным, то спектр фотонов распада будет иметь вид [74J

24

Величина Еч вычисляется с учетом этой зависимости.

Таким образом, энерговыделение, регистрируемое спектромет­ ром, можно представить в виде

Очевидно, что при измерении Е0 не вся первичная энергия реги­ стрируется черенковским спектрометром: небольшая часть ее уно­ сится за пределы установки; энергия, передаваемая в ядерные рас­ щепления, вообще не регистрируется и т. д. Поэтому при определе­ нии полной энергии взаимодействия Е0 необходимо введение це­

создают черенковского свечения и при измерениях Е0 энергия, за­

нуклонов в ядре, возбуждение и другие процессы [72]. Поправка на долю энергии тр, = -р2-, теряемую на ядерные расщепления в черен-

ковском спектрометре, может быть лишь средней. Однако флукту­ ации в величине г)л приводят к погрешностям при определении Е0.

в ССЦ для первичного нуклона, согласно [21] может быть представ­ лена в виде

В дальнейшем величина т]Л была определена нами эксперимен­ тально путем сопоставления показаний черенковского спектромет­

р о м е т р а (£вых)- Так как полная толщина спектрометра эквива­

26

4. П о п р а в к и на с и с т е м а т и ч е с к о е з а в ы ш е н и е Еп Одна из причин завышения первичной энергии связана с особенно­ стями системы регистрации импульсов от черенковских детекторов. Амплитудные измерения, проводимые на дискретных уровнях, при­ водят к систематическому завышению энергии Д£ув пример­ но на 6%.

Другим источником завышения Е0 может служить совместное воздействие круто падающего спектра ядерно-активных частиц и ошибки в измерениях энергии индивидуальных ливней. Если пред­ положить, что ошибки в измерении первичной энергии 8{Е0) удов­ летворяют распределению Гаусса, а показатель дифференциаль­ ного энергетического спектра ливнегенерирующих частиц равен у= 2,7, то величина завышения Е0 вследствие указанного эффекта АЕуп составит 8%.

Поскольку рассмотренные поправки, вводимые для учета систе­ матического занижения и завышения энергии Ео, имеют близкие значения, происходит их взаимная компенсация. В таком случае

Ионизационный калориметр, используемый в установке, состоит из семи рядов ионизационных камер (см. рис. 1). Первый ряд (I), расположенный под тонким черепковским детектором, со­ держит 22 ионизационные камеры, изготовленные из латунных труб диаметром 97 мм и длиной 1200 мм на заводе «Физприбор». Толщина стенок — 2 мм. Собирающим электродом является латун­ ная трубка диаметром 4 мм. Камеры наполнялись чистым аргоном до давления Р = 5 атм. Электрическая емкость камер — 61 пф; на собирающие электроды подается высокое напряжение от батарей.

Ионизационные камеры, начиная со II по VI ряд, имеют длину 3 м. Эти камеры изготовлены из медных волноводов сече­ нием 54ХІЮ мм2 и наполнены аргоном до давления 5 атм. Толщи­ на стенок — 2,5 мм, диаметр собирающего электрода — 3 мм. Седьмой ряд (VII) состоит из цилиндрических ионизационных ка­ мер диаметром 97 мм при длине 3300 мм. Оси камер соседних рядов перпендикулярны друг другу, что позволяет разделять лави­ ны от нескольких ядерно-активных частиц, падающих на установ­ ку. При совместной работе ионизационного калориметра с искро­ выми камерами точность следования трека по направлению

28