Детекторы корпускулярных излучений - Клайнкнехт К.
ISBN 5-03-001873-5
Скачать (прямая ссылка):
SPEAR SLАС, Станфорд, США 4 1972
DORIS DESY, Гамбург, ФРГ 5 1974
ВЭПП-IV Новосибирск, СССР 7 1980
CESR Корнелл, США 8 1979
PETRA DESY, Гамбург, ФРГ 22 1978
PEP SLАС, Станфорд, США 18 1980
TRISTAN КЕК, Цукуба, Япония 30 1986
SLC SLAC, Станфорд, США 50 1987
LEP CERN, Женева, 50 1989
Швейцария
1.2. Взаимодействие излучения с веществом
J9
Ускоритель
Лаборатория
Максимальная Начало эксплуа энергия пучка, ГэВ тации
Электрон-протонные накопительные кольца
HERA
DESY, Гамбург, ФРГ
Ускорители тяжелых ионов
UNILAC GSI, Дармштадт, ФРГ
GANIL
Кан, Франция
Super-HiLAC
SPS
LBL, Беркли, США
CERN, Женева, Швейцария
30(2) + 820(/»)
20 МэВ/ нуклон(и)
95 МэВ/ нуклон(О) 60 МэВ/ну-
клон(Са) 35 МэВ/ну-
клон(Кг) 9,5 МэВ/нуклон (все ядра)
200 ГэВ/ нуклон (О)
Протонные ускорители средних энергий — мезонные фабрики
LAMPF SIN
TRIUMF
LANL, Лос-Аламос, США SIN, Цюрих, Швейцария TRIU MF1 Ванкувер, Канада
800 МэВ 590 МэВ 520 МэВ
1991
1976
1983
1983
1983
!970
1986
1973 1974 1974
1.2. Взаимодействие излучения с веществом
Физические процессы, которые позволяют нам детектировать частицы, различны для нейтральных и заряженных частиц. Фотоны могут взаимодействовать с веществом за счет фотоэффекта, эффекта Комптона или за счет образования пар, причем последний процесс доминирует при энергии 7-квантов выше 5 МэВ. Электроны или позитроны, возникающие в результате этих взаимодействий, можно регистрировать точно так же, как и другие заряженные частицы. Нейтроны образуют вторичные заряженные частицы благодаря сильному взаимодействию с ядрами. Нейтрино можно регистрировать только по их слабому взаимодействию с ядрами или с электронами, причем закон сохранения лептонного числа требует испускания заряженного или нейтрального лептона; кроме того, в реакциях с ядрами могут возникать адроны.
Заряженные частицы могут регистрироваться непосредственно по их электромагнитному взаимодействию. Это обсуждается в разд. 1.2.1, а взаимодействия 7-квантов рассмотрены в разд. 1.2.2.
20
1. Физические основы регистрации излучений
1.2.1. Регистрация заряженных частиц
Для регистрации заряженных частиц практически всегда используется их электромагнитное взаимодействие. Если заряженная частица пересекает слой вещества, то в результате взаимодействия могут иметь место следующие три процесса: атомы могут ионизоваться, частица может испускать черенковский свет или (в неоднородных средах) может возникать переходное излучение. Общий вывод выражения для ионизационных потерь энергии и интенсивности испускаемого излучения можно найти в работе Эллисона и Райта [7, 11]. Рассмотрим электромагнитное взаимодействие заряженной частицы, имеющей массу M и скорость v = ?c, с веществом, имеющим коэффициент преломления п или диэлектрическую проницаемость є = s\ + is%, где ?i = п2. В результате взаимодействия образуется фотон с энергией йсо и импульсом hk. Закон сохранения энергии — импульса дает соотношение между 4-импульсами налетающей частицы (/?), вылетающей частицы (/?') и фотона (ру): р' — р - Ру. Отсюда для фотонов с малой энергией (Aw ^ уMc2) получаем
о, = v-k = і;-А: cos вс, (1.14)
где вс — угол между направлениями испускаемого фотона и налетающей частицы. В веществе энергия и импульс фотона связаны дисперсионным соотношением:
а>2 = к2с2/е. (1.15)
Из выражений (1.14) и (1.15) получаем
Ve^cos0c = 1. (1.16)
При энергиях фотона ниже энергии возбуждения вещества («оптическая область») а— действительная величина и є > 1, так что угол вс действителен для V > с/у/е. Испускание реальных фотонов возможно в том случае («эффект Черенкова»), если скорость частицы больше, чем фазовая скорость света в веществе с/Ve («черенковский порог»), В области от -2 эВ до -5 кэВ («область поглощения») а = є\ + ІЄ2 является комплексным числом с Sz > О и ?і < 1. В этом случае имеет место только обмен виртуальными фотонами между частицей и атомами среды, что приводит к возбуждению или ионизации атомов и к соответствующей потере частицей энергии. Наконец, в области рентгеновского излучения (hus ^ 5 кэВ) поглощение мало (s% < 1) и остается s\ < 1. Пороговая скорость эф-
1.2. Взаимодействие излучения с веществом
21
фекта Черенкова в этом случае больше, чем скорость света в вакууме. Несмотря на это, излучение испускается и ниже этого порога, если в среде, пересекаемой частицей, существуют неоднородности (т. е. среда состоит из слоев вещества с разными показателями преломления). Это так называемое переходное излучение.
В рамках упрощенной двумерной модели [11] можно рассмотреть свойства такого процесса: пусть частица движется вдоль оси г (т. е. V = (0, 0, v))t а наблюдатель находится в точке (0, у, z). Тогда из (1.14) получаем выражение v*kz = w, а из (1.15) имеем к2 + + kl = о)2є/с2. Отсюда получаем ку =* (o)/v)[(v2e/2) - 1]1/2. Если обозначить фазовую скорость света в веществе ст = с/VI, ?' = = v/cm, а также у' = 1/(1 - ?'2)l/2> то
