Основы экспериментальных методов ядерной физики - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Поскольку значительная часть энергии излучения Вавилова — Черенкова приходится на ультрафиолетовую область, в которой большинство фотоумножителей не чувствительны, то иногда (особенно в случае жидких радиаторов) в радиатор добавляют флуоресцирующие вещества для сдвига спектра излучения в более длинноволновую область. При этом, естественно, теряется способность радиатора излучать свет под определенным углом, и поэтому данный метод применим к счетчикам без фокусировки света. Необходимо, чтобы в этом случае радиатор с добавками не стал сцинтиллировать под действием заряженных частиц, иначе будут утрачены и пороговые свойства черенковских счетчиков.
В некоторых случаях черенковский счетчик и без фокусировки можно использовать для определения энергии электрона или фотона. Если изготовить радиатор больших размеров из свинцового стекла, то в нем может поглотиться практически вся энергия электрона
* При вероятном значении коэффициента сбора света 0,5 и квантовом выходе фотокатода 0,1 число электронов с фотокатода ФЭУ будет приблизительно равно 50, и это значение намного превосходит шумы фотоумножителя.
301- или фотона с начальной энергией в сотни мегаэлектронвольт. Так как большая часть энергии падающей частицы расходуется на релятивистские электроны и позитроны в ливне, полное количество излучения Вавилова — Черенкова можно связать с энергией, отдаваемой первичной частицей. Например, амплитуда импульса на выходе счетчика с радиатором диаметром 30 и длиной 35 см связана с энергией первичного электрона почти линейно вплоть до энергии 1500 Мэв. Энергетическое разрешение такого счетчика плохое, при начальной энергии электрона 1000 Мэв оно равно 30%.
Счетчик с фокусировкой. Характерная особенность излучения Вавилова — Черенкова — практически однозначная связь направления волнового фронта излучения со скоростью частицы, выражаемая соотношением (9.1), позволяет создавать оптические системы, эффективно собирающие свет только от частиц, скорости которых находятся в весьма узком интервале. Конструкций черенковских счетчиков с фокусировкой много: в одних излучение попадает на фотокатод умножителя только тогда, когда скорость частиц соответствует заранее выбранному и фиксированному значению угла Э, в других этот угол может изменяться, и тогда становится возможным измерить распределение частиц по скоростям. Очевидно, что фиксировать определенное значение угла Э возможно лишь в том случае, когда пучок частиц, проходящий через радиатор, имеет малые размеры и характеризуется малым углоЕым разбросом. Это условие обычно выполняется, и при дальнейшем анализе будем считать, что частицы входят в радиатор в одной точке и движутся в одном направлении.
Схема одной из возможных систем фокусировки с радиатором из плексигласа изображена на рис. 9.2. Чтобы сфокусировать параллельные лучи, которые испускаются частицами, проходящими через радиатор по оси симметрии, в этом детекторе используется преломление на границе сферы. Фокус при коэффициенте преломления п = = 1,5 будет находиться на расстоянии двух радиусов сферы от поверхности. Далее ставится цилиндрическое зеркало, которое отражает лучи, сходящиеся в кольцо на его поверхности, в точку на оси. Выбор нужного значения 0 осуществляется перемещением диафрагмы и фотоумножителей вдоль оси детектора. Применение двух фотоумножителей, включенных в схему совпадения, выгодно, поскольку при этом исключаются некоррелированные во времени импульсы
Рис. 9.2. Схема черенковского счетчика с фокусировкой: 1 — радиатор; 2 — цилиндрическое зеркало; 3 — подвижная диафрагма; 4 — катоды фотоумножителей
302- шумов, ФЭУ, которые в детекторах с фокусировкой по порядку величин сравнимы с импульсами от излучения Вавилова—Черенкова.
Энергетическое разрешение счетчиков с фокусировкой. Энергию частицы в черепковском счетчике можно измерять, используя однозначную связь угла излучения со скоростью частицы, а следовательно, и ее энергией. Любая причина, искажающая связь между углом и скоростью или ограничивающая точность измерения угла влияет на точность измерения скорости и энергии. Полная энергия частицы связана со скоростью известным соотношением E = — т0с2 (1 — ?2)_1/2, а соответственно энергетическое разрешение счетчика можно выразить через разрешение по скоростям:
AEfE = ?2A?/[(l — ?2)?]. (9.5)
Выразим AEIE через АЭ, используя связь между Э и ? (9.1):
AEIE = tg ЄДЄ/(«2 cos2 Є — 1). (9.6)
Неопределенность при измерении угла 0 может возникнуть по многим причинам, связанным как с конструкцией счетчика (например, ширина коллимирующей щели) и параметрами пучка, так и физическими процессами, связанными с образованием излучения Вавилова — Черенкова. Рассмотрим основные физические эффекты, определяющие энергетическое разрешение черепковского счетчика, а именно: а) оптическую дисперсию; б) уменьшение скорости частицы при прохождении ее через радиатор и в) многократное кулоновское рассеяние частицы в радиаторе.
Угловая дисперсия, возникающая из-за оптической дисперсии, приводит к неоднозначности при измерении угла излучения Вавилова — Черенкова. Оценить А9 можно из (9.1). Предполагая АЭ и An малыми по сравнению с 8 и я, получаем
