Способ регистрации треков заряженных частиц

 

1. СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ТРЕКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТВД, заключающийся в том, что на электроды камеры, наполненной неоном или смесью Хеногал, после прохождения частицы подают импульс высокого напряжения и фотографируют образующиеся на электронах треки стримера, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерения координат трека частицы, после окончания высоковольтного импульса рабочий объем камеры перпендикулярно направлению электрического поля освещают импульсным пучком излучения с длиной волны, соответствующей резонансному переходу атома неона с местабильного уровня на возбужденный уровень 3p 2V2jj. и производят фотографирование пер (Л пендикулярно направлению излучения. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рабочий объем камеры освещают импульсным пучком от лазера с перестраиваемой длиной волны.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

- СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„11392 (504 G 01 Т 5/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21 ) 3644069/24"25 (22) 21,09.83 (46) 07.08.85. Бюл. N - 29 (72) Е.N Гущин, А.Н. Лебедев и С.В. Сомов (71) Иосковский ордена Трудового

Красного Знамени инженерно-физический институт (53) 621.387.424(088.8) (56) Абрамов А.И. Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики, M., Атомиздат, 1977, с. 247-288.

2. International Conference on

Instrumentation for High Energy

Physics, Fraseati, Italy, 1973, р. 105 †2 (прототип) . (54) (57) 1. СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ

ТРЕКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, заключающийся в том, что на электроды камеры, наполненной неоном или смесью "Хеногал", после прохождения частицы подают импульс высокого напряжения и фотографируют образующиеся на электронах треки стримера, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерения координат трека частицы, после окончания высоковольтного импульса рабочий объем камеры перпендикулярно направлению электрического поля освещают импульсным пучком излучения с длиной волны, соответствующей резонансному переходу атома неона с местабильного уровня За (1 /27 на возбужденный уровень Зр(2 /27 . и производят фотографирование перпендикулярно направлению излучения.

2. Способ по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что рабочий объем камеры освещают импульсным пучком от лазера с перестраиваемой длиной волны.

1139272

Предлагаемое изЬбретение относится к экспериментальным методам ядерной физики и наиболее эффективно может быть использовано для регистрации треков заряженных частиц 5 в стримерных камерах в экспериментах на ускорителях.

Известны способы регистрации треков заряженных частиц с помощью различных трековых детекторов — камер Вильсона, пузырьковых и искровых камер и т.п. (1 . В этих способах след частицы в веществе, состоящий из электронов, ионов и возбужденных атомов (молекул) визуализи- 15 руют, воздействуя на вещество электрически (искровые и стримерные камеры}, механически (пузырьковые камеры) или химически (ядерные фотоэмульсии),, после чего видимый трек 20 фотографируют.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ регистрации треков заряженных частиц, заключающийся в том, что на электроды 25 камеры, наполненной неоном или смесью "Хеногал", подают импульс высокого напряжения и фотографируют образующиеся на электронах треки стримера (2).

В этой способе стримерную камеру, представляющую собой двух- или трехэлектродную плоскопараллельную систему, наполняют газом, как правило, З5 при атмосферном давлении, и, спустя 200-300 нс после пролета частицы, по сигналу триггерных счетчиков на электроды камеры подают короткий (10-30 нс) импульс высокого напря- . 40 жения. Двигаясь в электрическом поле с напряженностью Е ъ 10 кВ/см, электроны трека инициируют лавины. Каждая лавина по достижении критической концентрации ионов переходит 45 в стример-светящийся сгусток плазмы, развивающийся вдоль направления электрического поля. В момент окончания развития стримера (этот момент обычно с точностью до нескольких нс 50 совпадает с моментом окончания высоковольтного импульса) цепочку стримеров на треке частицы фотографируют фотокамерой. Описанный способ обладает рядом преимуществ по сравне- 55 нию с известными аналогами (быстродействие, управляемость, изотропность) и является базовым объектом.

Основной недостаток описанного способа регистрации треков частиц заключается в следующем. Стример в момент фотографирования содержит М электронов, положительных ионов

+ и М возбужденных атомов неона.

Свечение стримера обусловлено в основном высвечиванием возбужденных атомов, так что число высвеченных квантов 1, - 1, а средняя яркость стримера (отношение Н 1,< к проекции площади стримера), которая определяет возможность его фотографирования, пропорциональна приблизительно кубу его длины 1 . Так как точность измерения координаты отдельного стримера в плоскости, параллельной электрическому полю, составляет

О, 1Р, стараются уменьшать размер стримера путем укорочения длительности высоковольтного импульса или уменьшения его амплитуды. Однако при этом яркость стримера резко падает и в конце концов становится недостаточной для его фотографирования даже при использовании усилителей света — электронно-оптических преобразователей. Это обстоятель ство ограничивает точность измерения координаты величиной 0,2 мм.

Между тем целый ряд задач физики элементарных частиц требует в несколько раз более высокой точности.

Цель изобретения — увеличение точности измерения координат треков заряженных частиц.

Цель достигается тем, что в известном способе регистрации заряженных частиц, заключающемся в том, что на электроды камеры, наполненной неоном или смесью Хеногал", после прохождения частицы подают импульс высокого напряжения.и фотографируют образующиеся на электродах треки стримера; после окончания высоковольтного импульса рабочий объем камеры перпендикулярно направлению электрического поля освещают импульсным пучком излучения с длиной волны, соответствующей резонансному переходу атома неона с метастабильного уровня 3з j1 (2) на возбужденный уровень Зр(2 И), производят фотографирование перпендикулярно направлению излучения, а также тем, что рабочий объем камеры освещают импульсным пучком от лазера с перестраиваемой длиной волны.

1139272

Т/i р

50

Для наполнения стримерных камер используют благородные газы (неон, гелий, аргон, ксенон) или их смеси, а также азот и углекислый газ. Наиболее часто используется чистый неон 5 или смесь 70Х неона и 307. гелия (смесь "Хеногал ).

В результате высвечивания возбужденные атомы газа, находящиеся в стримере, за время ь <10 с 10 переходят как в основное, так и в метастабильные состояния, имеющие — 6 время жизни Г,„, 10 с. В конечном итоге через время (2-3) Г после окончания развития стримера (время 15 развития стримера в стримерных камерах составляет 10 с) приблизительно половина всех возбужценных атомов оказывается в наинизшем метастабильном состоянии. Из пере- 20 численных выше газов только неон имеет такой возбужденный уровень

Зр(2"/21 переход мс которого возможен только на нижележащий метастабильный уровень 3 з (1 /2), причем такой переход осуществляется за время . 10 с (характерное для неметастабильных уровней время жизни).

Таким образом, если на атом неона, находящимся в метастабильном состоянии 35 1 /2)2, падает параллельный поток квантов, длина волны которых соответствует резонансному переходу

35(1 (212 - - 3P Г 2 /2) (Л = 640, 2246 нм), то такой атом будет эффективно рассеивать эти кванты под различными углами относительно направления первичного потока в резуль40 тате многократного резонансного поглощения и высвечивания при о6ратном переходе 3 (2 /233 3э(1 /212.

Если первичный поток квантов создавать лазером с перестраиваемой длиной волны, то вследствие высокой пространственной когерентности лазерного излучения при фотографировании перпендикулярно оси лазерного пучка будут регистрироваться только рассеянные метаста- . бильными атомами неона кванты плюс собственное излучение стримера. Так как обычно фотографирование производят вдоль электрического поля, лазерное излучение должно распространяться перпендикулярно электрическому полю.

Если рассмотреть двухуровневую поглощающе-излучающую систему

"метастабильный атом — возбужденный атом" в интенсивном световом потоке, то можно легко показать, что число резонансно рассеянных одним метастабильным атомом квантов

P е6

- w$ (ijT

Т е

6 ВЬ +1/с 516 +1/С р р где Ф вЂ” плотность потока квантов, 1/см с;

Ьр — резонансное сечение возбуждения;

bP -10 см ; — время жизни атома в состоянии 3p(2 (233 «ь 10 с

Т вЂ” длительность лазерного импульса, с.

Очевидно, что максимальное число рассеянных квантов когда

I 1/ (p Г10 /(см с или ф Ъ 10 В т(ем

Серийный лазер ЛЖИ-409 на красителях имеет мощность излучения до

0 5 МВт и Т = 5.10 бс, так что освещаемая лазером площадь может достигать;10 см .При этом каждый метастабильный атом 3 э (1 /27 стримера макс рассеит и > > 10 квантов, а весь макс .,в стример Ир 0,5 п р и )Й.Таким образом, размер стримера можно уменьшить в (О, 5 и ) раз при сохранении яркости, характерной для прототипа.

Для лазера ЛЖИ-409 длина стримера может быть доведена до 0,04 мм.

На чертеже изображена регистрация трека частицы с помощью резонансного поглощения и высвечивания.

Частица пересекает рабочий объем стримерной камеры (СК), заполненной неоном или "Хеногалом", после чего по сигналу триггерных счетчиков (ТС) на электроды камеры подают высоковольтный импульс. В момент окончания высоковольтного импульса камеру освещают пучком излучения с длиной волны, соответствующей резонансному переходу 3 з (1 /21 - 3 р (2 /213 .агома неона и = 640, 2246 нм. Рассеянные кванты регистрируют фоторегистратором (Ф) в направлении, перпендикулярном оси пучка.

1139272

Редактор Л. Письман Техред Ч. Надь

Корректор А. Зимокосов

Заказ 5720/1 Тираж 748 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Источником излучения может служить лазер (Л) . с перестраиваемой длиной волны, например, лазер ЛЖИ-409, имеющий следующие основные характеристики: энергия излучения до

2, 5 Дж, длительность импульса

5,0 нс, диапазон настройки 265l100 нм,шириналинии излучения 1,0; 0,1

0,01 нм, расходимость 5-15 мрад.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом (базовым объектом) позволяет достичь точности Измерения координат треков частиц около 0,04 мм. С другой стороны, в экспериментах, где не требуется такая высокая точность, предлагаемое изобретение за счет увеличения яркости стримера дает возможность отказаться от использования сложных и

10 дорогих усилителей яркости изобра,жения и осуществлять прямое фотографирование трека.