книги из ГПНТБ / Мурзин В.С. Множественные процессы при высоких энергиях

Визуальные методы наблюдения, объединяющие широкий класс приборов (камеры Вильсона, пузырьковые и искровые камеры, фо­ тоэмульсии и рентгеновские пленки), всегда привлекали экспери­ ментаторов возможностью увидеть исследуемое явление.

Следует отметить, что если камеры Вильсона применяются все меньше и остались практически только в физике космических лучей, то пузырьковые и искровые камеры интенсивно используются и со­ вершенствуются до сего времени во многих исследованиях. Разви­ тие визуальных методов, там, где это возможно, идет по пути пере­ хода к бесфильмовому съему информации (искровые камеры с маг- нито-стрикционной памятью [9, 10], акустические искровые камеры [1 1 , 12] и т. д.), позволяющему включать прибор в линию с электрон­ но-вычислительной машиной. В табл. 3.1 дана сводка основных свойств различных детекторов [13].

Описанию всех этих приборов уделено много внимания в спе­ циальных монографиях [14, 15]. Исключение составляют рентге­ новские пленки — сравнительно новая методика, получившая ши­ рокое применение в физике космических лучей благодаря простоте в эксплуатации и возможности создания детекторов очень большой площади [16—18]*. Можно без преувеличения сказать, что в ядерном аспекте физики космических лучей будущее за рентгеновскими пленками, удачно совмещенными с другой экспериментальной ме­ тодикой [19].

§ 3.2. М Н О ГО Н И Т Я Н О Й П Р О П О Р Ц И О Н А Л Ь Н Ы Й СЧЕТЧИК

Конструкция первого многонитяного пропорционального счетчи­ ка показана на рис. 3.1, взятом из работы [2].

Между сетчатыми внешними электродами, сделанными из прово­ локи диаметром 5 • 10"3 см, со стороной ячейки 5 • ІО' 2 см, натяну-

* Подробнее об этом методе см. п. 1.2.6.

77

нального усиления, а V — рабочее напряжение. В исследованном счетчике Vs = 1100 в, и при V = 1800 в, прямо с нити снимался им­ пульс 5,5 Лб при нагрузке 30 пф. Это соответствовало коэффициенту усиления около 5000. При удачном выборе наполняющего газа (аргон с добавкой п-пентана или гептана) можно получить на нити импульс до 100 мв, не переходя еще в гейгеровскую область. В таком режиме частицы с минимальной ионизацией регистрировались со 100%-ной эффективностью.

При всех указанных выше расстояниях между нитями была по­ лучена хорошая локализация частиц каждой одиночной нитью. При­ чем погрешность в определении координатң частицы могла быть сде­ лана меньше, чем расстояние между нитями, если ввести индуктив­ ные развязки между нитями и измерять временное запаздывание импульсов.

Счетчик нормально работал при очень больших загрузках. Одна нить могла сосчитывать до 2,5 • ІО5 частиц,1сек. Предел счета возни­ кал только в связи с перегрузкой усилителей. Временное разрешение также могло быть сделано очень малым, по крайней мере меньше

0,4 мксек.

Исследовались энергетическое разрешение счетчика и его способ­ ность регистрировать частицы с минимальной ионизующей способ­ ностью. Авторы работ [2] приходят к выводу, что счетчик регистри­ рует даже очень малые потери энергии частицы в тонком слое газа, порядка 1 см, и может служить отличным прибором для регистрации ионизующей способности частиц.

Одновременно с этими работами были выполнены дальнейшие исследования свойств таких счетчиков. Так, в работе [1] вместо от­ дельных рабочих нитей на изолирующую рамку натягивалась зиг­ загообразно одна рабочая нить. Импульсы снимались с обоих кон­ цов такой нити и после предварительного усиления подавались на суммирующий усилитель.

Этот способ съема информации, по замыслу авторов, приводил к упрощению конструкции из-за автоматической (из-за сопротивле­ ния проволоки) развязки сигналов, приходящих с разных концов нити, и позволял определять координаты траектории отдельной частицы по запаздыванию сигналов.

В другой работе тех же авторов [3] для повышения точности оп­ ределения координат места пролета частицы в случае, если ее траек­ тория наклонена к плоскости рабочих нитей, было предложено ввести между нитями развязывающие сопротивления. Поскольку при наклонном падении частицы ионизация возникает в областях, относящихся к нескольким нитям, то токи на концах потенциометра будут суммироваться с весом, пропорциональным номеру нити. Центр тяжести ионизации, вызванной пролетающей частицей, будет определяться в этом случае с точностью выше, чем 0,1 расстояния между нитями.

Остановимся подробнее на основных свойствах многонитевого пропорционального счетчика, изученных к настоящему времени.

79

§ 3.3. ОСНОВНЫ Е СВОЙСТВА м н о г о н и т я н ы х ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫ Х СЧЕТЧИКОВ

3.2.1. Пространственное и временное разрешение

Пространственное разрешение многонитяных пропорциональных счетчиков прежде всего зависит от расстояния между нитями. В ра­ боте [20] исследовались камеры с диаметром нити 20 мкм и расстоя­ ниями между нитями 3, 2 и 1 мм. Камеры с расстояниями 3 и 2 мм легко работают при напряжениях, дающих 100%-ную эффективность

ло, что пространственное разрешение следов в значительной степе­ ни зависит от угла падения заряженной частицы, так как число про­ волочек, регистрирующих частицу, возрастает при увеличении угла падения. На рис. 3.2 изображено соотношение между средним чис­ лом сработавших нитей, углом падения частицы и шириной времен­ ного интервала. Если временной интервал достаточно узкий, то число сработавших нитей меньше двух даже при угле а = 40°. Это позволяет получить хорошее многотрековое разрешение даже при больших углах по сравнению с искровыми камерами.

80

Эффективность счетчика зависит от многих факторов: ширины временного интервала, величины высокого напряжения, направле­ ния падения частицы. Можно получить эффективность 99,9% с боль­ шими временнйми интервалами, не обращая внимания при этом на точность определения координаты следа.

Временное разрешение счетчиков зависит как от наполняющей смеси, так и от расстояния между нитями. Исследовались различные наполняющие смеси: аргон — изобутан, аргон—метан,гелий— изобутан, аргон — двуокись углерода. Наилучшие результа­ ты получаются со смесью 80% аргона и 20% изобутана. С та­ кой смесью при расстоянии меж­ ду нитями 3 мм запаздывание между импульсом от пропорцио­ нального счетчика и сигналом от сцинтиллятора меньше или порядка 32 нсек, при рас­ стоянии 2 мм это время около

24нсек.

Временное разрешение счет­

при расстоянии между нитями 3 мм и 100%-ной эффективностью для регистрации минимально ионизующих частиц.

При больших расстояниях между нитями (3 и 2 мм) в смеси аргона с двуокисью углерода можно получить хорошее временное разрешение при меньшем рабочем напряжении, чем в смеси аргон— изобутан. На рис. 3.3 показано изменение разрешающего времени от напряжения на счетчике и угла падения частицы.

3.3.2. Использование индуцированных импульсов

Когда отрицательные импульсы возникают на рабочих нитях, одновременно наблюдаются индуцированные импульсы противо­ положной полярности на соседних нитях и на внешних электродах. Эти индуцированные на электродах импульсы всего в несколько раз меньше прямого сигнала и могут быть использованы для независи­ мых измерений. С их помощью можно производить быстрые времен­ ное измерения в том случае, если сработало несколько нитей, так как нарастание такого индуцированного импульса происходит так же, как нарастание самого быстрого импульса на нити. Кроме того, если энергия делится между несколькими нитями, то на внешнем электроде регистрируется суммарная энергия. Высоковольтные

81

Электроды можно разбить на полоски и регистрировать наведенный импульс с каждой отдельной полосы. Такое устройство служит в качестве грубого годоскопа и используется для контроля за пере­ даваемой информацией. При работе счетчика в линию с электронновычислительной машиной такой грубый годоскоп позволяет снизить время считывания, указывая на группы нитей, где вообще отсутствует информация.

Кроме того, если направления полосок перпендикулярны к на­ правлению рабочих нитей, то, регистрируя индуцированный сигнал, можно определять ортогональную координату трека, как это сдела­ но в работе [22].

Хотя многие особенности индуцированных импульсов до конца еще не понятны, ясно, что они могут быть использованы для получе­ ния новой важной информации.

3.3.3. Измерение потерь энергии на ионизацию

Трудно использовать одновременно локализационные свойства счетчика и его способность после пропорционального усиления из­ мерять ионизационные потери частиц, если регистрировать импуль­ сы только с рабочих нитей. Однако если измерять положительный, индуцированный на высоко­ вольтном электроде импульс, то можно выполнять независимые измерения полных энергетичес­

уменьшаться в у"п раз. На воз­ можность такого улучшения точ­ ности измерений ионизации было

указано уже давно в работах [23, 24]. Однако практическое исполь­ зование этой рекомендации при работе с пропорциональными счет­ чиками стало осуществляться только в последнее время [25—27].

Многонитяные пропорциональные счетчики, как показали пред­ варительные исследования, проведенные в работе [20], могут от­ крыть неограниченные возможности. Так, при 30 работающих счет­

82

чиках было получено разрешение в измерении вероятных потерь энергии, равное + 10% на половине высоты распределения потерь. Наблюдалось релятивистское возрастание потерь энергии. На рис. 3.4 показано разделение пионов и электронов с импульсом 374 Мэв/с (уя - =2,7, уе =•= 745) после обработки результатов измере­ ний ионизации одновременно в 30 счетчиках методом максимума правдоподобия. Электроны отбирались газовым черепковским счетчиком. В пионном пучке содержалась небольшая примесь элект­ ронов, которые отчетливо видны на рисунке в спектре потерь для электронов.

3.3.4. Выбор наполняющего газа для многонитяных

пропорциональных счетчиков («волшебный газ»)

При исследовании свойств многонитяных счетчиков были опробо­ ваны многие наполняющие смеси. Классической смесью для напол­ нения пропорциональных счетчиков является смесь без электроот­ рицательных добавок. Однако сравнительное исследование смеси аргона с изобутаном и аргона с двуокисью углерода показало, что последняя требует существенно меньшего рабочего напряжения, чем аргон-изобутановая смесь. Вместе с тем уменьшение дрейфовой ско­ рости в Ar — С02 из-за электроотрицательных молекул С02 очень незначительно сказывается на временных характеристиках счетчи­ ка. Таким образом, авторы исследований [20, 21] рекомендуют для работы с многонитяными пропорциональными счетчиками в нефорси­ рованных режимах наполнение Ar—С02. При таком наполнителе можно получить очень хорошее разрешающее время, выбрав под­ ходящее рабочее напряжение. С наполнителями Ar — С02 и Ar—С4Н10 порог чувствительности для электронных цепей, при кото­ ром регистрируется импульс, имеет величину около 0,5 мв, при этом обеспечивается 100%-ная эффективность счетчика, а ширина рабо­ чего плато получается несколько сот вольт.

Электроотрицательные газы использовались в многонитяных про­ порциональных счетчиках в работе [27]. Их незначительное влияние на работу таких счетчиков объясняется тем, что пока средний сво­ бодный пробег для прилипания электронов больше, чем средний свободный пробег для ионизации, лавина может расти.

В работе [21] найдена наполняющая смесь с очень важными и по­ лезными для работы многонитяных счетчиков свойствами. Авторы назвали эту смесь «волшебным газом»—его состав: аргон, изобутан

изобутана, С 02, фреона-12 (CCI2F2), фреона-13 (CC1F3), фреона-ІЗВІ, (CF3Br) и фреона-12В1 (CClF3Br). С таким «волшебным» газом при некоторой определенной пропорции фреона удалось получить не­ обыкновенно большой коэффициент газового усиления. Даже самые маленькие импульсы, соответствующие, по-видимому, только одной паре ионов, превышали 50 мв на нитях, соответствуя коэффициенту

83

газового усиления порядка ІО8без перехода в гайгеровский процесс. Изобутан также играл существенную роль. Его вклад вместе с фрео­ ном состоял в подавлении фотонов в таких размерах, что в конце рабочего плато обычно не наблюдалось искр, но появлялись очень маленькие импульсы, происхождение которых осталось неясным.

3.3.5. Свойства многонитяного пропорционального счетчика, наполненного волшебным газом

В смеси аргона с изобутаном и фреоном-13В1 концентрация изо­ бутана была выбрана постоянной и равной 34%. Доля фреона не­

Рис. 3.6. Зависимость плато по высокому напряжению от концентрации фреона:

/ — начало пропорционального усиления; 2 — конец пропорциональ­

ной области.

щих частиц (электронов) заметно отличается от величины импульса от источника X-лучей с энергией 5, 9 кэв. Различие пропадало при увеличении напряжения от 4300 до 4500 в.

84

Рабочее плато по высокому напряжению возрастает с увеличе­ нием концентрации фреона, но при увеличении концентрации сверх

промежуток. Из рис. 3.8 видно, что полная эффективность наступает в этом газе при несколько меньших временных интервалах (после

25 нсек), чем в обычных газах (после 35 нсек). Было замечено, что если добавить большие количества фреона любого типа, то эффективность счетчика резко падает, а временное разрешение может значительно улучшиться, показывая, что чувствительная область может быть ограничена по желанию узким цилиндром вокруг каждой нити.

85

При наполнении волшебным газом хорошо работали даже счет­ чики с расстоянием между нитями 1,27 мм. На рис. 3.9 показана за­ висимость эффективности такого счетчика от высокого напряжения и ширины временного интервала .

Для проведения экспериментов на встречных пучках в ЦЕРНе создается в настоящее время большой детектор из многонитяных про­ порциональных счетчиков, который должен быть расположен в за­ зоре большого магнита, имеющего размеры около 10 м в длину, 1 м в высоту и около 2м ъ ширину. Детектор должен измерять коор­ динаты пролетающих через него частиц. По сравнению с традицион­ ными сооружениями из искровых камер и сцинтилляторов детектор из многонитяных пропорциональных счетчиков обладает целым ря­ дом преимуществ, основные из которых следующие.

1.Многонитяные счетчики имеют 100%-ную эффективность, не­ зависимо от числа пролетающих через них частиц.

2.Не требуют управления от сцинтилляторов, что дает возмож­ ность более гибко отбирать регистрируемые события и снижать ко­ личество вещества на пути частиц.

3.Разрешающее время счетчиков на порядок величины лучше, чем искровых камер.

Вместе с тем при конструировании детектора из многонитяных счетчиков возникает целый ряд проблем.

Так, по самым скромным подсчетам, число нитей в такой системе должно быть очень высоким (около 20 000—40 000 нитей). Большие размеры детектора и сложная конфигурация области пересечения пучков ускорителя предъявляют специальные требования к конструк­ ции детектора. Чтобы упростить конструкцию детектора и сделать

еедостаточно гибкой, детекторы выполняются в виде отдельных мо­ дулей. Основные конструктивные особенности модуля приняты сле­ дующие: высота равна половине высоты магнитного промежутка, т. е. около 54 см, длина около 150 см. В каждом модуле собрано три плоскости пропорциональных нитей, позволяя измерять три неза­ висимые координаты. Каждая плоскость сдвинута относительно другой на 60° при одной горизонтальной. Плоскости высокого напря­ жения сделаны из проволок диаметром 0,1 мм, натянутых поперек большого размера счетчика. Нити связаны вместе в полоски по 10 см. Каждая полоска подсоединена отдельно, чтобы уменьшить емкость

при разряде в искру. Каждые 10 см нейлоновые нити диаметром по 1 мм пересекают поперек высоковольтные нити, чтобы предотвра­ тить их смещение по направлению средней плоскости под влиянием электростатических сил. Никакого влияния на эффективность эти толстые нити не оказывают. Для предотвращения смещения цент­ ральных тонких чувствительных нитей за пределы средней плоскости

86