Ливневый спектрометр электронов и адронов

 

ЛИВНЕВЬЙ СПЕКТРОМЕТР ЭЛЕКТiPOHOB и АДРОНОВ, содержащий металлические пластины конвертора, детекторы заряженных частиц, источник напряжения и первый анализатор импульсов , отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых энергий и повьшения точности измерения, увеличения быстродействия и обеспечения раздельной регистрации электронно-фотонных и ядерных ливней, детекторы заряженных частиц выполнены в виде слоев эмиттера , нанесенных на пластины конвертора , помещены в вакуумный объем и соединены нерез резистивный делитель с источником напряжения, при этом в спектрометр введен второй анализатор импульсов, а пластины конвертора (Л соединены через одну с первым и вторым анализаторами импульсов.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И.

ГОСУД@ СТЕННЫЙ НОМИтат ССС

re ДЖУЛИЮ ИЗОИ КУНИЙ И ОТН1,цтий (21) 3573768/ t 8-25 (22) 28.01.83 (46) 23.05.85. Бюл Р 19 (72) Л.В. Сильвестров (71) Объединенный институт ядерных исследований (53) 621.387.424(088.8) (56) 1. Росси Б. Частицы больших энергий. M., Гостехиздат, 1953, с. 372.

2. Джелли Дж. Черенковское излучение. И., ИЛ., 1960, с. 155.

3. Акимов Ю.К. Сцинтилляционные методы регистрации частиц больших энергий. Иэд. ИГУ, 1963, с. 105 (прототип). (54) (57) ЛИВНЕВЫЙ СПЕКТРОИЕТР ЭЛЕКТРОНОВ И АДРОНОВ, содержащий металли„„SU„„1115590 А

4(5 ) G 01 Т 1/36) Н 01 J 49/44 ческие пластины конвертора, детекторы заряженных частиц, источник напряжения и первый анализатор импульсов, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых энергий и повышения точности измерения, увеличения быстродействия и обеспечения раздельной регистрации электронно-фотонных и ядерных ливней, детекторы заряженных частиц выполнены в виде слоев змиттера, нанесенных на пластины конвертора, помещены в вакуумный объем и соединены перез резистивный делитель с источником напряжения, при этом в спектрометр введен второй анализатор импульсов, а пластины конвертора соединены через одну с первым и вторым анализаторами импульсов.

1 1115

Изобретение относится к технике детектирования и измерения энергий электронов и адронов больших энергий, в частности к одному из видов спектрометров электронов и адронов 11).

Езвестны различные спектрометры, предназначенные для измерения энергии частиц в области ее больших значений: черенковские спектрометры на основе тяжелого стекла или спектрометры на основе твердых кристаллических сцинтилляторов f23.

Ближайший к предложенному спектрометру является ливневый спектрометр, содержащий металлические пластины-конверторы, сцинтилляционные детекторы заряженных частиц, источник напряжения и первый анализатор импульсов f3).

Принцип работы этих спектрометров состоит в том, что электрон или адрон, проходя спектрометр„ расходует свою энергию на создание ливня

BTop:ÿ÷H61õ частиц В пласт11нах КОн вертора. Число вторичных частиц, пропорциональное энергии первичной частицы, регистрируется сцинтилляционными детекторами, включающими

I сцинтилляторы, снетоводы и фотоумножители. При этом ливень, вызванный электроном или гамма-кнантом, содер- -0 жит ТОлькО частицы электромагнит",=,oA природы (электроны или фотоны}, . a ливень, вызванный адроном„ содержит также ядерноактивнь1е частицы (ацроны и-ядерные Осколки). Последние отно- 35 сятся к сильноиОнизующим частицам: их ионизующая cBocooHocTb на несколько порядков больше, чем у электронов и позитронов.

Основными характеристиками этих 40 спектрометров являются: точность измерения энергии первичной частицы, быстродействие и возможность раэдель НОЙ регистрации ливней, вызванных электонами или адронами, 45

Указанный спектрометр имеет следующие недостатки:

1. Ограничение на точность измерения -нергии в области ее больших значений (больше 100 ГэВ). Относительная точность измерения энергии описывается выражением — + +С где Е " энергия первичной частицы, ГэВ; — толщина пластины конвертора

59Î 2 н радиационных единицах; коэффициенты К, Б и С отражают вклад флюктуаций в числе частиц ливня, в числе фотоэлектронов на фотокатоде ФЭУ и н процессах светосбора н сцинтилляторах и светонодах. Их типичная величина К =14%, 6 = 4% и с "- 2%. Как видно из пРиведенной формулы, относительная точность измерения энергии повышается с ее ростом до величины около 100 ГэВ и при дальнейшем повышении энергии остается на постоянном уровне, 2. Недостаточное быстродейстние.

Оно определяется временем срабатывания сцинтилляционных детекторов, которое составляет приблизительно

50 нс. Отсюда неличина быстродействия составит 2х10" с

3 ° Отсутствие возможности раздельной регистрации электроннофотонных и ядерных ливней. По величине сигнала и сцинтилляционных детекторах нельзя определить, какого типа ливень разнился в спектрометре.

Устранение этих недостатков имеет существенное значение при использовании спектрометров на ускорителях последнего поколения, имеющих энергию частиц до 1000 ГэВ и большую интен" сивность пучков частиц, а также при исследовании редких процессов с рождением электронов и гамма-квантов.

Цель изобретения заключается в расширении диапазона измеряемых энергий и повышении точности измерения,,увели 1ении быстродействия и обеспе- ..-Ния раздельной регистрации электронно-фотончых и ядерных ливней.

Це.1ь достигается тем, что в ливневом спектрометре электронов и адронон, содержащем металлические пластины конвертора, детекторы заряженных частиц, источник напряжения и первый анализатор импульсов, детекторы заряженных частиц выполнены в виде слоев эмиттера, нанесенных на пластины конвертора, помещены н вакуумный объем и соединены через резистивный делитель с источником напряжения, при этом в спектрометр введен нторой анализатор импульсов, а пластины кон" нертора соединены через одну с первым и вторым анализаторами импульсов.

Конструктивно спектрометр выполнен в виде модулей, из которых можно получить сборку необходимых размеров„

На чертеже приведена схема одного модуля спектрометра.

Через делитель источника напряжения б на пластины 1 подается постоянное напряжение. Величина сопротивления резисторов выбирается такой, чтобы в промежутках между пластинами в чередующемся порядке создавались электрические поля напряженностью приблизительно 40 кВ/см (например, в первом со стороны входа пучка и остальных нечетных промежутках) и х20 кВ/см (во втором и остальных э5 четных промежутках). При попадании в спектрометр электрона или адрона в пластинах 1 развивается электроннофотонный или ядерный ливень. Заряженные частицы ливня, проходя через 40 слои эмиттера 3, вызывают в них вторичную электронную эмиссию. Вторич ные электроны собираются на последующих пластинах конвертора. Наведенный ими заряд через переходные конденсаторы 8 передается на анализаторы 9 и !О импульсов, которые измеряют его величину. Количество вторичных электронов и соэдаваемый ими заряд зависитот состава эмиттера,напря- 50 женности электрического поля и ионизующей способности частиц ливня. Напри мер, для эмиттера, состоящего иэ ИяО и при указанной величине электрического поля,в первом и остальных нечет- . И ных промежутках вторичные электроны будут испускаться при прохождении всех заряженных Частиц, а во втором (4) 3 1115

Пластины 1 конвертора помещены в вакуумном объеме, созданном внутри кожуха 2, На одной стороне пластин, противоположной входу пучка, нанесены слои эмиттера 3. Пластина 4 служит анодом, на котором собираются электроны, испускаемые эмиттером, нанесенным на последней пластине 5 конвертора. Пластины 5 со слоями эмиттера

3 представляют собой детекторы заряженных частиц. Пластины 1 соединены с делителем источника напряжения 6, собранным из резисторов 7, и через переходные конденсаторы 8 — с анализаторами импульсов 9 и 10. Соедине-..— ние пластин с анализаторами сделано через одну: первая и последующие нечетные пластины соединены с анализатором 10 а вторая и последующие четные пластины — с анализатором 9.

Зажим 11 служит для подачи высокого напряжения на делитель.

Спектрометр работает следующим образом.

590 4 и остальных четных промежутках — при прохождении только сильноионизующих частиц. Последние рождаются в ядерных ливнях и отсутствуют в электроннофотонных, Таким образом, величина сигнала, измеряемого анализатором 9, будет пропорциональна полному числу частиц ливня, т.е. энергии первичной частицы, а величина сигнала, измеряемого анализатором 10 будет пропорциональна числу сильноионизующчх частиц, т.е. будет указывать на природу ливня (ядерный или электроннофотонный).

Расчет характеристик предлагаемого спектрометра производится следующим образом.

Согласно формулам электростатики величина сигнала в вольтах при парал лельном соединении пластин равна

e. KM ed кя (2) с n gS

Здесь е - заряд электрона С вЂ” емкость одного промежутка; 5 — площадь пластин; d — расстояние между ними; электрическая постоянная и системе СИ; — средний коэффициент вторичной эмиссии; Н вЂ” среднее число ливневых частиц во всех промежутках.

Для пластин свинца толщиной 6 радиационных единиц м рассчитывается из формулы

Н= 50 Е/Ф. (3) Здесь F энергия первичной частицы, ГэВ.

Точность измерения энергии (энергетическое разрешение) согласно теории лавинных процессов будет равна

Для регистрации электронно-фотонных ливней оптимальная площадь одного модуля равна примерно ЗхЗ см . Зада« вая « = О, см, < = 1 р.е, = 20 и К =- 10, получим величину сигнала на входе анализатора 9 и энергетическое разрешение при разных энергиях:

В, тэВ мВ c(a)/e., x

О,! 0 05 1,3

10 0,5 09

10 5,0 0,13

Величина сигнала на входе анализа тора IO будет такого же порядка, учитывая, что доля сильноионизующих частиц составляет 0,1 от полного чис1115590

ВНИИПИ Заказ 2889!5 Тираж 748 Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул.Проектная, 4 ла частиц в ливне, а значение к для них примерно на порядок больше.

Чувствительность входа современных анализаторов импульсов не менее

5 мкВ. Таким образом, начиная с энер- 3 гии 0,1. ТэВ (100 ГэВ), сигнал спектрометра будет уверенно регистрироваться.

Величину выходного сигнала снектрометра можно увеличить, если приложить к пластинам конвертора импульсное напряжение длительностью в доли .микросекунды от генератора, запускаемого внешним детектором. В этом случае количество вторичных электронов может возрасти на 2 — 3 порядка.

В предлагаемом спектрометре время собирания вторичных электронов на пластинках конвертора составит 1 нс.

Отсюда его быстродействие будет рав- 29 но 10 - с

Таким образом, предлагаемый спектрометр позволяет расширить диапазон измеряемых энергий в область выше

100 ГэВ при одновременном повышении точности измерений от 10 до 100 раз по сравнению с базовым объектом, увеличить быстродействие s 50 раэ и обеспечивает возможность раздельной регистрации электронно-фотонных и ядерных ливней.

Предлагаемое решение является технически осуществимым, учитывая, что техника нанесения слоев эмнттера на металлические пластины хорошо раз- работана и применяется, например, при производстве фотоумножителей.

Спектрометр может быть использован как на ускорителях больших энергий, так и в экспериментах с космическими лучами.