Детекторы корпускулярных излучений - Клайнкнехт К.
ISBN 5-03-001873-5
Скачать (прямая ссылка):
6.2. Адронные калориметры
173
Рис. 6.12. Видимая энергия электромагнитных и адронных ливней в калориметре из железа и урана [101]
случае примерно в два раза больше, чем для электромагнитных ливней (разд. 6.1). В совокупности эти три источника фггуктуаций (потери энергии за счет утечек, флуктуации числа тг0-мезонов, сэмп-линг-флуктуации) приводят к энергетическому разрешению
а(Е)/Е ~ (0,9 - O9I)ZyJ Е(ГэВ),
если толщина слоев поглотителя меньше, чем 5 см Fe.
(6.6)
30
P W
о4
5
л 2 ш
о
' 1 1 ' 1 1 1 1 1 1 1 ' 1 ' 1 ¦ ¦ ' ' 1 I ' ' ' i ' і ' ' * ¦ і ' t i
SO
/00 fSO BOO 2SO
Энергия адрона ?f Гэв
300
3SO
Относительное энергетическое разрешение о(ЕУE,для калориметра с раз
Шчной толщиной пластины; / — Fe (1,5 мм) [101]; 2—'U 1(25 мм) [1, 42, 135].
мм)
fe
174 6. Измерение энергии
І
woo
эоо
8OO
SOO ГэВ
ЮО
200ГэВ
л
600
2
tOO ГэВ
/2
/
SOO
200 400 600 800 /ООО /200 /W /600 Ш 2000
Энергия, пер
Рис. 6.14. Амплитудное распределение для моноэнергетичных т-мезоЪов; 1 —
распределение без процедуры взвешивания; 2 —взвешенное распределение (см. текст) [42].
Улучшение этого разрешения может быть получено двумя методами :
а. Потеря «видимой» энергии в ядерных реакциях частиц ливня может быть скомпенсирована энергией, выделяемой при делении 238U. Быстрые нейтроны от деления дают вклад в наблюдаемый сигнал, так что, как показано в [ПО], при использовании урана в качестве материала калориметра соотношение регистрируемой энергии для адронных и электромагнитных сигналов почти равно единице (рис. 6.12). Соответствующие флуктуации исчезают и энергетическое разрешение улучшается почти вдвое. Экспериментальные результаты для урановых калориметров приведены на рис. 6.13; они соответствуют
Это значение примерно на 50% превышает значение, которое получается только из сэмплинг-флуктуаций.
б. Другой метод улучшения разрешения [1, 86] основан на уменьшении флуктуации, обусловленных тг°-компонентой в ливне. Электромагнитные ливни вследствие сравнительно малой радиаци-
о(Е)/Е = 0,35МЕ(ГэВ).
(6Л)
6,2. Адронные калориметры 175
о
SO fOO /SO 200 2SO 300 3SO
Энергия, ГэВ
1С. 6.15. Приведенное энергетическое разрешение о(Е)М E(TbB) (в Щ ГэВ1/2) для -мезонов в Fe-калориметре [1, 42]. 1 — взвешенное; 2 — без процедуры взвешива-[ия; 5, 4 — данные 1981 г.; 5 —данные 1979 г.
онной длины (Xq * 1,8 см в Fe) довольно коротки и в случае толщины поглотителя 5 см Fe локализуются в нескольких слоях. Они создают в соответствующих сцинтилляторах большие световые потоки. Метод заключается в том, что большие импульсы подавляют введением некоторых весовых факторов. Если обозначить величину световой вспышки в сцинтилляторе Ek, то взвешенная видимая энергия составит Ек = Ek(I - CEk) с некоторой постоянной С. Разрешение взвешенной величины LEk существенно лучше по сравнению с LEk, как видно из рис. 6.14 для трех различных энергий адронов. Энергетическое разрешение составляет при таком
взвешивании
а(Е)/Е = 0,58/VE(IbB).
(6.8)
Измеренные величины о(Е)/^ІЕ в зависимости от энергии E9 представлены на рис. 6.15.
Энергетическое разрешение адронного калориметра меняется с толщиной d слоев поглотителя (сэмплинг-толщина). Поскольку количество N частиц, регистрируемых счетчиками между поглотителем, обратно пропорционально d, то следовало бы ожидать рост
176 6 Измерение энергии
5
о
5
10
Рис. 6.16. Приведенное энергетическое разрешение а(Е)/>/E(TbB) (в ГзБ1/2) для тг-ме-зонов в зависимости от толщины d пластин железа. J —400 ГэВ [86], 2—10 ГэВ [146], 3 -[135], 4-[1].
относительного энергетического разрешения как Va в случае, если сэмплинг-флуктуации составляют основной вклад (как это имеет место для электромагнитных калориметров). Фактически наблюдаемый рост с увеличением толщины d представлен на рис. 6.16.
Результаты измерений можно параметризовать эмпирической формулой [12]
а(Е)2/Е = 0,25 + (R ')2(4ґ/3). (6.9)
Здесь t = d/Xa — толщина слоя поглотителя в единицах радиационной длины, І?' —свободный параметр, который из результатов измерений получается равным R' ~ 0,3 - 0,4. Результаты измерений показывают, что уменьшение толщины слоя до менее 2 см Fe не приводит к заметному улучшению разрешения, а граничное значение разрешения при d -> 0 составляет а(Е)/лгЩГЪВ) - 0,5.
Измерение ионизации частиц ливня в адронном калориметре может осуществляться с помощью сцинтилляторов, ионизационных камер на жидком аргоне, пропорциональных камер, цилиндрических пропорциональных счетчиков или газоразрядных камер Выбор детектора зависит от требуемого энергетического и пространственно-
6.3. Калибровка и контроль калориметров
177
го разрешения, а также от допустимой стоимости калориметра. Для детекторов больших размеров и с мелкозернистой структурой (например, около 5000 счетчиков) жидкий аргон и сцинтилляцион-ные счетчики дают наилучшее разрешение. Для очень массивных детекторов порядка 1000 т, создаваемых для поиска распада протона, или для детекторов с очень мелкозернистой структурой, которая необходима для хорошего углового разрешения при регистрации рассеяния мюонных нейтрино на электронах, предпочтительны (с точки зрения стоимости) цилиндрические пропорциональные счетчики или трубки Конверси.
