Детекторы переходного излучения. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Детекторы переходного излучения - детекторы быстрых заряж. частиц, регистрирующие переходное излучение, испускаемое при пересечении частицей границы раздела сред с разл. диэлектрич. проницаемостью. Интенсивность переходного излучения в широкой области энергий пропорц. квадрату заряда частицы (Ze²)и лоренц-фактору частицы

где v - скорость частицы. Осн. часть излучения лежит в рентг. диапазоне частот и направлена вперёд в угле

Эти свойства рентг. переходного излучения (РПИ) используют для идентификации (определения массы или заряда) частиц высоких энергий

когда применение др. методов невозможно или затруднено (рис. 1).

Рис. 1. Области энергии, где возможно разделение электронов и пионов при различных методах регистрации (длина детектора L2 м).

П. и. д. состоит из радиатора и собственно детектора (напр., дрейфовой камеры; рис. 2), регистрирующего рентг. фотоны, испускаемые частицей в радиаторе. Радиатор должен удовлетворять противоречивым требованиям: эффективно генерировать и слабо поглощать РПИ. Поскольку интенсивность РПИ мала (в ср. 1 квант на 137 границ раздела), то применяют слоистые или пористые радиаторы с большим числом границ раздела из материалов с низким ат. номером. Слоистый радиатор представляет собой регулярную стопку, содержащую неск. сотен тонких (5 - 100 мкм) фольг или плёнок из лёгкого вещества (Li, Be, полипропилен, лавсан) с зазором 0,1 - 2 мм между ними. В качестве пористых радиаторов применяют гранулированный LiH, лёгкий пенопласт, полипропиленовое или углеродное волокно. Толщина фольги (волокна) и ширина зазоров должны удовлетворять требованиям к длине формирования РПИ. Правильно подобранный нерегулярный радиатор генерирует всего на 10 - 15% меньше фотонов РПИ, чем регулярный слоистый из того же материала.

Рис. 2. Секция детектора: МДК - многопроволочная дрейфовая камера; АП - анодные проволочки; ПП - проволочки, формирующие поле; U_др - дрейфовый потенциал; U - высокое напряжение; е - электроны ионизации вдоль трека частицы;

- дельта-электроны; К - кластер, образованный в результате фотоионизации газа фотоном рентгеновского переходного излучения.

Для уменьшения поглощения фотонов в радиаторе П. и. д. секционируют; каждая из секций содержит короткий радиатор вместе с устройством, регистрирующим рентг. фотоны. Материал радиатора, толщину фольги или волокна, ширину зазоров, число слоев в стопке, состав и толщину вещества регистрирующего устройства, число секций детектора при заданной его длине L предварительно оптимизируют на ЭВМ с целью обеспечить макс. число фотонов в наиб. удобном для регистрации энергетич. диапазоне (3 - 20 кэВ). Толщина радиатора в каждой секции, как правило, составляет 0,1 - 0,2 г/см², число регистрируемых фотонов 10 - 20 (т. е. ок. 0,1 на 1 см длины радиатора), число секций ~ 10, L ~ 1 - 3 м.
Для регистрации фотонов РПИ пригоден любой газоразрядный детектор частиц с тонким входным окном, содержащий тяжёлый инертный газ (Хе, Кr, Аr), или твердотельный детектор. Чаще всего применяют пропорциональную камеру или дрейфовую камеру (изредка стримерную камеру), а также сцинтилляциопные детекторы и полупроводниковые детекторы. При этом возникает необходимость выделять сигнал РПИ на фоне ионизации, производимой быстрой заряж. частицей в том же детекторе. Из-за больших флуктуации, характерных для обоих процессов, прямое вычитание вклада ионизации из суммарного сигнала невозможно. Для решения этой задачи пользуются неск. методами. 1) Отклонение частицы в магн. поле позволяет пространственно разделить её трек от фотонов РПИ. Применение метода ограничено необходимостью увеличения длины установки и снижением её светосилы. 2) Измерение энерговыделения. Используя различие в амплитудном распределении сигналов от фотоэлектронов РПИ и сигналов, связанных с электронами ионизации, удаётся с большой достоверностью разделять частицы, т. е. более или менее точно оценивать их массу или заряд. 3) Счёт сгустков ионизации (кластеров) с большим энерговыделением (>3 - 5 кэВ). В П. п. д. такие кластеры, как правило, образуются фотонами РПИ, значительно реже - на треке ионизирующей частицы. Для их регистрации обычно используют проволочную дрейфовую камеру, подключённую к быстрому амплитудному дискриминатору с порогом в неск. кэВ. Фон создаётся

-электронами, к-рые благодаря большому пробегу часто удаётся отделить по сигналу на ближайших к треку проволочках. Метод счёта кластеров обладает наиб. достоверностью (рис. 3), и его легче использовать для идентификации частиц и создания быстрого триггера.

Рис. 3. Эффективность регистрации пионов

и электронов

с энергиями 10 ГэВ

и 15 ГэВ

в 12-секционном детекторе длиной 66 см с радиаторами из литиевой фольги толщиной 35 мкм: I - метод энерговыделения; II - то же с применением амплитудного анализа сигналов с 4 участков трека в каждой дрейфовой камере при пороге 4 кэВ; III - метод счёта кластеров при пороге 4 кэВ.

Осн. характеристика П. и. д. - зависимость между эффективностями регистрации частиц

с разными лоренц-факторами

напр. пионов и электронов одинаковой энергии (рис. 3). Эта зависимость определяет т. н. коэф. режекции

(при

= 90%), к-рый характеризует относит. кол-во частиц с меньшим

среди зарегистрированных. Значение R зависит от параметров П. и. д., методов измерения и обработки данных, а также от порога электронных устройств, с помощью к-рых измеряют энерговыделение или число кластеров. В лучших компактных (L1 м) многосекционных П. и. д. R = 10^-2 - 10^-4 при

= 10³ - 10⁵.
П. и. Д. входят в состав ряда комбинированных систем детекторов, используемых в экспериментах на больших ускорителях. В частности, они позволяют выделять электроны на фоне большого числа адронов в многочастичных взаимодействиях или разделять адроны с разл. массой во внеш. пучках ускорителей, а также при исследовании космич. лучей.

Литература по переходному излучению детекторов

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.