Детекторы корпускулярных излучений - Клайнкнехт К.
ISBN 5-03-001873-5
Скачать (прямая ссылка):
/23 Импульс р7 ГэВ/с
5 3 Черепковские счетчики 137
і
1
1
0,5
0,6
0.7
0,8
O1S
/,о
Скорость ?*v/c
Рис. 5.6. Черенковский угол вс в зависимости от скорости частицы ? = и/с для разных показателей преломления 1 — п = 2,00, 2 — п = 1,80, 3 — п = 1,60, 4 — п = 1,40, 5 — п = 1,20, б — п = 1,10; 7— л = 1,05, 8 — п = 1,02
соответствует критическое значение лоренц-фактора частицы
Js = 1/Vl - 1/л
(5.5)
На рис. 5.6 приведены значения черенковского угла вс в зависимости от скорости частицы для различных значений показателя преломления. Точное рассмотрение для радиаторов конечной длины L показывает [140], что излучение испускается не только под углом всу но с некоторым распределением интенсивности под некоторым углом 0, что похоже на явление дифракции. Это распределение имеет максимум при в = вс и отстает от дифракционного максимума на величину Ав = (X/L)sin0c, где X— длина волны черенковского света. Количество излученных фотонов на интервал длин волн составляет
d N lira /L\ /sinx\ .2
d\ d cos в X
sin2O, (5.6)
где х(в) = (irL/\)[\/n? - cosd]. В предельном случае очень длинных счетчиков (L > X) член (sinjxr/a:)2L/X станет 5-функцией при х — 0,
так что после интегрирования по coso получим [см. (1.12)]
dN/d\ = ^ L sin2 Вс.
X2
(5.7)
В интервале длин волн от Xi до Хг количество излучаемых фотонов
138 5. Идентификация частиц
Материал п - 1 7» (порог)
Стекло 0,46—0,75 1,22—1,37
Сцинтиллятор (толуол) 0,58 1,29
Плексиглас (акриловый) 0,48 1,36
Вода 0,33 1,52
Аэрогель 0,025—0,075 4,5-2,7
Пентан (STP) 1,7 КГ3 17,2
CO2 (STP) 4,3 10 "4 34,1
He(STP) 3,3 10"5 * 123
В табл. 16 приведены материалы, используемые в качестве радиаторов черенковского излучения, и их характеристики: коэффициент преломления п - 1 и пороговое значение 7s.
Между самыми высокими полученными для газов (например, пентан) коэффициентами преломления и самыми низкими значениями для прозрачных твердых тел имелся пробел, который был заполнен лишь в последнее время благодаря развитию аэрогелей на основе диоксида кремния [54]. Они состоят из m(Si02) и 2т(НгО), где т --любое натуральное число, и образующиеся материалы имеют величину /7-1 между 0,025 и 0,075, так что становится возможным измерять скорость в области 7 * 3-5. В настоящее время возможно изготавливать такие аэрогели с показателем преломления п = 1,03 или п - 1,05 в виде блоков с размерами 18 х 18 х 3 см3 [129]. Черенковский свет в этом случае собирается позади радиатора-аэрогеля с помощью цилиндрических зеркал [55] или с помощью нанесенного на внутреннюю поверхность диффузного отражателя,
равно
IvaL j sin2Oc/X2бГХ. (5.8)
/
Для детектора, чувствительного в видимой области длин волн, X1 = 400 нм и \2 = 700 нм и количество регистрируемых фотонов составит N/L = 490 sin2 фотон/см. Распространение используемого диапазона длин волн в УФ-область позволит увеличить выход в 2-3 раза. Этого можно достичь путем использования кварцевых окон перед фотокатодом.
Таблица 16. Черенковские радиаторы, газы при нормальных условиях (STP)
5 3 Черенковские счетчики 139
/
2
а
5
40 CAT
образующего полый светопровод [16] (рис. 5.7). С помощью блока из аэрогеля длиной 15—18 см таким способом можно получить выход 6—12 фотоэлектронов.
Требуемая длина черенковского радиатора для регистрации ча-стицы с импульсом р растет пропорционально р , если требуется вполне определенное число фотонов (и фотоэлектронов). Предположим, необходимо разделить частицы с массами т\ и тг > т\ при помощи пороговых черенковских счетчиков. Можно выбрать показатель преломления радиатора таким образом, чтобы тяжелая частица с массой тг еще не вызывала излучения, т. е. находилась чуть ниже порога, ft? A 1/п2 или п2 = 72/(72 - 1). Тогда интенсивность черенковского света для частицы с массой т\ пропорциональна
Если длина радиатора равна L, а средний квантовый выход фотокатода в видимой области составляет 20%, то количество фотоэлектронов равно
где Lo = 1 см. Если, например, для регистрации быстрой частицы требуется 10 фотоэлектронов, то необходимая длина радиатора co-
sin2 0С = 1 - 1/()32«2)
и для 7^1
sin2 вс = с\т\ - т\)/р2.
(5-9)
Np ~ 100Lc2(mf - m2)/{p2U),
140 5. Идентификация частиц
ґ
ставит
UL0 = рг/\{т\ - mftc2-10]. (5.11)
Это, однако, справедливо только в случае, когда показатель пре-ломления радиатора может быть точно выбран таким, чтобы мед* ленная частица находилась под порогом черенковского излучения.
Для практических целей используют комбинацию многих черен-ковских счетчиков с различными показателями преломления, как видно из табл. 17. Используя два или более таких пятислойных пороговых счетчиков одновременно, можно идентифицировать тг-ме-зоны, AT-мезоны и протоны в области импульсов, которые представлены графически на рис. 5.8.
Таблица 17. Характеристики пороговых черепковских счетчиков (163]
Показатель Материал Длина радиа- Длина счет- Выход (число
Счетчик преломления радиатора тора, CM чика, CM фотоэлек-
п тронов)
Л 1,022 Аэрогель 20 50—100 5—6 .
8 1,006 ? (Аэрогель) ? 50—100 ?
