Детекторы корпускулярных излучений - Клайнкнехт К.
ISBN 5-03-001873-5
Скачать (прямая ссылка):
В двух экспериментах на электрон-позитронном накопительном кольце LEP в CERN принципы TPC будут использованы при создании центрального детектора. В эксперименте DELPHI будет использоваться TPC с радиусом 1,1 м и длиной цилиндра L = 2,5 м, в то время как в эксперименте ALEPH будет использоваться TPC сі? = 1,8 м и I = 4,4 м. В качестве прототипа для камеры эксперимента ALEPH использовалась камера, помещенная в поле соленоида диаметром 90 см (TPC 90). В этой камере изучались искажения треков, обусловленные неоднородностью электрического поля. Использовались ионизационные треки, создаваемые ультрафиолетовым лазером (рис. 3.22). При этом было достигнуто пространственное разрешение 180 мкм в плоскости (г, ^) и 1,5 мм вдоль оси цилиндра (ось z) и было показано, что уменьшение диффузного уширения трека из-за присутствия магнитного поля следует уравнению (1.76).
З.б. Имитация треков частиц ультрафиолетовыми лазерами
Для калибровки больших дрейфовых камер, в частности тех, которые обсуждались в разд. 3.4 и 3.5, полезно иметь прямые треки, проходящие через камеру. В этом случае можно исследовать искажения треков, обусловленные неоднородностью электрических и магнитных полей в камере, и вводить соответствующие поправки. Поскольку заряженные частицы отклоняются магнитным полем, то лишь частицы с очень большим импульсом могут создавать почти прямые треки.
3.6 Имитация треков частиц ультрафиолетовыми лазерами
95
Рис. 3.23. Зависимость плотности ионизации от плотности энергии лазерного излучения на длине волны \ = 266 нм для смеси ArZCH4 (неочищенной) и для той же смеси с добавками 5 10"* ЧЪ TMA и 2Ю"4% TMPD Наклон кривых составляет 1,99 ± 0,06 (Ar/CHt), 1,9 ± 0,1 (TMA) и 1,9 ±0,2 (TMPD) [138] J _ ArZCH4 + 2 10 - 4 Щ (TMPD),
2 —ArZCU4 + 5 10"4Vo (ТМА);
3 — Аг/СН4
Новый способ создания таких прямых треков был открыт в результате наблюдения того факта, что интенсивное ультрафиолетовое лазерное излучение ионизует газ в дрейфовой камере, несмотря на то что энергия ионизации газа больше энергии фотонов ультрафиолетового излучения [43, 14, 131]. Создаваемая плотность ионизации (количество образовавшихся электронов на 1 мм3) пропорциональна квадрату плотности энергии лазера. Это согласуется с механизмом двухфотонного поглощения [83, 138, 205]. Ионизация в обычном рабочем газе (смесь аргон—метан) происходит благодаря наличию примесей в газе и исчезает, когда примеси удаляются соответствующими системами очистки [138]. Чтобы ионизационные свойства надежно воспроизводились и контролировались, можно вводить в рабочий газ добавки с низким потенциалом ионизации и с концентрацией на уровне 10 ~6.
Для двух таких добавок, триметиламина и тетраметилфенилен-диамина, на рис. 3.23 показано измеренное отношение между плотностью ионизации и плотностью энергии лазера на длине волны X = 266 мм. Здесь также сохраняется квадратичная зависимость, что указывает на двухфотонный механизм поглощения.
Требуются лазеры с малым расхождением луча (<1 мрад). Используются азотные лазеры с X = 377 нм и неодим-УАС-лазеры с X = 266 нм.
96 3. Измерение координаты
3.7. Пузырьковые камеры
В пузырьковой камере [ПО, 116, 117] сжиженный газ (?, D2, Ne, СзШ) находится в сосуде высокого давления при температуре, близкой к точке кипения (но чуть ниже). После прохождения ионизующего излучения объем камеры быстро увеличивается в результате перемещения поршня (за время ~1 мс), а это приводит к тому, что температура жидкости становится выше температуры кипения! Вдоль треков ионизующих частиц начинают формироваться пузырьки газа; рост пузырьков прекращается при завершении расширения. Цепочка пузырьков вдоль трека освещается лампой-вспышкой и фотографируется через окно в корпусе камеры. Такие камеры обычно работают в однородном магнитном noj г с плотностью потока до В = 35 кГс. Поэтому по радиусу кривизны R можно определить импульс заряженной частицы р = eBR. Кроме того, может быть измерена плотность пузырьков вдоль трека. Она пропорциональна ионизационным потерям энергии частицы dE, dx. Для частиц с малыми импульсами (р/тс < 3) средние потери энергии уменьшаются пропорционально ]/?2 (см. разд. 1.2 и рис. 1.1). Следовательно, измерение плотности пузырьков позволяет определять скорость частицы v = ?c, а вместе с измеренным импульсом приблизительно оценить массу частицы т - Vl - ?2p/?c.
Выбор жидкости для заполнения пузырьковой камеры определяется физикой планируемого эксперимента. Для изучения реакций на свободных протонах требуется жидкий водород. Взаимодействия С нейтронами могут изучаться по измерению разницы между рассеянием на дейтерии и на водороде (с поправкой на ядерные эффекты в дейтерии). Если же предполагается регистрировать электроны, 7-кванты и 7г°-мезоны, то необходимо использовать жидкости с малым значением радиационной длины Xo— ксенон или фреон. В табл. 10 приведены некоторые физические свойства и рабочие характеристики жидкостей, используемых в пузырьковых камерах [31, 125, 252].
Пузырьковая камера до сих пор является уникальным прибором по способности анализировать сложные события со многими треками. Ярким примером этого служит фотография, полученная на пузырьковой камере BEBC в CERN на нейтринном пучке (рис. 3.24), где видно, как в результате взаимодействия нейтгАшо с протоном образуется «очарованная» частица Z)*, которая распадается на три заряженных мезона (A1- х+ 7г+). Все детали рождения и распадов частиц хорошо видны на снимке. Использование больших пузырьковых камер в качестве самостоятельных детекторов сдерживается
