Ионизационные эффекты в детекторах частиц высокой энергии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ЛКЛДШИЯ цлук сссг

огдгял лг:зяи н огдепл октябо-скоп революции

ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ИМЕЛИ П.И. ЛГВВДША

{О О

уда 539.1.07

НЕРЗСИ Габриэль Израилавич

1ЖШЩ0КШЗ &НЕКШ В ДЕИЗСТОРЛХ ЧАСТИЦ ШСОКОЯ ЭНЕРГИИ

(01.04.16 - физика атомного дара и алвнзнтпртк частиц)

Двгора.фвра* дзсоертадш! па сопоягша ¡гтано!! степени доятора ¿лаггяо-кагемзгя'мсйСЕ пцрс

Москва - 1990 г.

Работа выполнана в Лаборатории элементарных частиц Отделе кссшчэских изяучоний Физичаского института им. П,Н.Лебадава АН СССР.

Официальный оппоненты: доктор физмно-матеыетических наук профессор 1!. И. КШШВ (ШЭД, г.Ыооква)

доктор физико-ыатенатичаскш: неук профессор Б.Ц.ШОТОЕСЗШП ШИН СССР, г.Ыосква) доктор ф1:экко-ыатсыат:!чос1ак наук профессор В.С.МУРЗШ (Ш1Ш2 ¡£ГУ, г.иосква).

Вздувая организация: Институт ядарных ксслодоваикй Аяедешш паук СССР, г.Москва

Защита состоится "_ю__1900 г. и . часов

на заседании Специализированного учоного совота Д 002.33.03 Осзичэсного института им. П.Н.Лзбздова АН.СССР но вдрзеу: 117524, Москва, Ленинский проспект, д.БЗ.

С диссертацией шгно ознакомиться в библиотека ®АН СССР.

Автореферат разослан-"_"_ . 1990 г.

Ушный секретарь Специализированного совете Д 002.39.03 ЙИАН

доктор фиэнко-ыатзиат кчэ с гак неук

Л.И.ГОРБУНОВ

I. ОБЩАЯ ХЛРШЕРИСПША РАБОТЫ

Явленна иошиацпи вещества, лепащее в основа действия всех детекторов элементарных частиц, ииеог исключительное эначанио для ядерной физики и физиям высоких энергий. Именно регистрация ионизации позволил« открыть естественную радиоактивность и космические лучи, впервые наблюдать расщепления атогавдс ядзр, обнаружить богатейший шр субатомных частиц матории, изучение которого про-долзается упе почти столотио.

В результате возбуждения и ионизации быатрши эардаэкнша частицами атомов вещества детектора я последуто^го усиления слабого первоначального ионизационного сигнала возникает наблвдяешй макроскопический ионизационный эффект. Мерой ого сдукит средняя плотность структурных олешнтов следа-кгаель, пузырьков, зорен, стримеров, сгустков ионизации (в трековых детекторах). или средняя слилитуда импульсного элехтричоского сигнала - заряда, тока, напряжения на единице длины пути (в электронных детекторах).

Измерения ионизационного аффекта, как и врзкени пролета, а тагом черепковского или рентгеновского пзрзходного-излучения используются, для идентификации зарякенных частиц, .-в частности, "стабильных" адронов - ЗГ ,К ,|э . Идентификация вторичнцх одронов -одна из труднойпях задач экспэримзнтольной физики высоких энергий. Важность еа реиония диэтуетсл тем, что сведения о составе продуктов взаимодействия остро необходимы для изучения характеристик столкновений адронов и лептонов с адронаш и ядрами при высоюгх энергиях. С этой целью многие современные крупномасштабные экспериментальные установки, содержащие большое число разнообразных детекторов, дополнительно оснащаются идентификаторами частиц, в той числе ионизационными.

Для создания и оптимизации таких идентификаторов необходимо

ытиъ, кая иаблцишлм ¡з даелынс: детекторах шшзацкогшгр оффои-чи эаииоя? от скорости juiu анергии частицы. Гоиаш» swx ьс-про-сов входит в круг -зодач георан ионизационного уоркокения ааряазн-шх частиц в вещество, которая обычно свяэьшаот ионизационный зф-фзкт с удаяькшп (ограниченными или вероятными) потерями энзргш. Однако лродпршятцэ з 60-е - 70-э годы тщательнш иссяедовелвш копиаацяоннщ эффанзов обнаружили сарьеанаа расхождения ыззду предсксзаншшп тррдадюнпой теория к рдзудмагаш экспо ршзнтов, а такке противоречивость к неполноту ссхл;ис экспздоштаодшк дал-injx, П чазтсст / 1,2,3 /,

(1) - рздятишготешй подъем плотности следов п K&tspaz Вильсона,

наполненных х-етолвл;: гаашь оамотно слабее, чем дают расчзти ограниченных шнизациснньа потерь опертой;

(2) - норшчаая.удельная ншшоацня, произведшая раядаииютсяцки частпцаш, как и еа энаргеткчзская зависиыовФЬ, изшраны лиаь в небольшом число газов. Расчеты вэрьячной ионизации ограничквазг-ся водородси п vornan и из учигшзезг поляризации ергды;

(3) - релятивистский рост плотности следов б тякелоэдоиоетнш: пу-знрькоеых кпизрах аномально со пик для конденсированного сещоства. Он нашого больше, чом в сцчнткяляторах аналогичного состава а плотности и существенно иревшаэт предсказания теории;

(4) - релятивистский подъем плотности зерзн на следах частиц в ядэрной фотоэмульсии находится в обратной зависимости от es чуест-ЕПтсльностц;

(б) - релятивистское увеличзниа вероятной ионизации зацатно слабеэ, й флуктуации ионизации значительно больше, чсы прадсказнзаот тоо. рая ионизационного гориокешш.

Подробность поиска причин расхождений мевду онидазьиш и иа-бявушвмши иониэациошшш эффектами стимулировала провздешш цикла

исслздовешй, результаты которш: полсаенн в основу продотавлонной Д?!СССртаД!Ш.

Ц-зль работы

Зашганировешш исследования накечата две основньэ цэли:

(1) - опспоришптяльно изучить дашзпциошща эффээтм, которыэ но-возможно оГгьяснить или предсказать в па;:;ах прздставлзннй традиционной теории ионизационного ториоаоння бистро оврлязших чяетиц в поляризуемой сродз;

(2) - Найти способ едэиввгяого тоорэтичэспого опасения срнх тов. ■

Реализация эуой прогрелш потребовала разработки ногак око* поржзнтальщи кэтодик и проездешш ионизацпошшк лзмэрйний э конденсационной, пуонрькопой, газовой огсгггролзаопгасцентной дрейфовой кидзрох, а нсероеык кашрах низкого давления, а такнэ анализа дсн-гсж, получэнных а ядэрньк фотоэмульсиях. С другой сториш, для гштарпрзтацш! полученных результатов понадобилось обобщить теср:э негогайцношого торхок&ипя быстрая зарпкш?шх частиц в поляризуемой ерэдо. п развить «отода расчета, дбвчкз рзашзтптасняэ оцонги парсайтров распределений ионизафгкяагк потерь анэргии в очзиь тонких поглотптолях, КОТЙрйЗ ХР.рККТОрШ ДЛЯ шюгослойшх газовых

ионизецйошшх ДЕенткфйкатотов.

Работа шюлнплась в соотезтстеин о планаш научных псслодо-вяяиЯ'Академия наук ССвР по проблсиз "Ядерная физика" п рамках тем "Изучение ролягаскотокого роста ионизации0, "Иэучэшго первичной ионизации под дойстввды бкетрцх зарлтнных частиц" п' "Нзйтрта-иоя физика на ускоритзллх высокой энергии" (государстшшка рзгко-трационныэ номера, соотвзтствегаю, 60057270; 7Я001375 п 7ЙЖЮ05).

Актуальность темы

Актуальность теш диссертации определяется необходимостью ликвидировать "белые пятна" и противоречия .в понимании процзссов проховдхения быстрых эаряшнних частиц через вещество и создать прочные физические основы иетодов разработки и оптимизации ионизационных идентификаторов едронов для нужд физики высоких энергий.

Среди других способов идентификации частиц - по враыани пролета, черанковскоыу и рентгеновскому переходному излучениям - ионизационный ыетод в области лоренц-факторов fa 10-10^ иыеет определенные преимущества, поскольку его шано сошестить с прецизионными измерениями координат и кшукьеов частиц в едшоа приборе - многослойной пропорциональной или дрейфовой, а такка стрны-ыэрной, искровой, пузырьковой, конденсационной, годоскошгаэской разрядной камерах., цдерной ф>тоэ-Мульсии. Однако использование ионизационных изшрений для целей циентификацпи частиц невозшано без четкого понимания природы ионизационных эффектов, их зависи-иости от энергии частицы, ог особенностей метода регистрации н рзкима работы детектора, а рагага без надежного теоретического базиса для расчета втих эффектов.

Основнш результаты, предегоцяенныа к защите

Автор оавдЕцаат еяедущио наувдыо результаты, идо и и положения; (Г) - зависимость окслорименгально наблюдавши ионизационных аффектов по только от ионизирующэй способности частицу, ею и ог особенностей метода регистрации, е. также от рзгиат работы детектора, оп-рздеяшцпх ого яоксяьпу?) функции отклика, которая зависит от знап-рки, передаваемой ксоыйн вещества в отдельных ионизирующие столк-кованияк, - и аадсат соо. ia-г вклада в сушаргай ионизацаошый оффэкт; Ш - обобщенно тоорда иониэвцаошюго тормоаышя рэлатипкотоких

эоржзшшх частиц з поляризуемой среде с учетом ограничений как сверху, так и снизу на пврздачн энергий в отдельны* ионизирующих соударениях; •

(3) - обобщенно формулы для ограничениях потерь энергии и кояичэ-стсэнную интерпретацию на ее основа более слабого (по сравнении

с предсказаниями трориционной теории) релятивистского роста плот-кости капель на следах космических цэонов и электронов в кашрах Вильсона, заполненных тяжелами газами;

(4) - ыотод расчэта первичной удельной ионизации, сШ4/«Ах , под действием рздптивистстк зарягенных частиц. Результаты расчетов 'сШ/йх. в инертных газах, водорода, азоте, кислорода и воздухе с учэтои эффекта плотности;

(б) - апроксшлацио!пшо формулы для расчета гА^ДЬг а газ ох при различных давлениях и температурах;

(6) - разработку и результаты исследований штода искровой кашры низкого давления, работающей в реииыэ иалаэффоктивного детектора, для измерения удельной первичной ионизации в газах;

(7) - результаты измерений первичной удельной ионизации и ее релятивистского возрастания в инертних газах методом искровой камеры низкого давления;

(8) - результаты измерений релятивистского возрастания плотности следов в,пропановой пузырьковой камере, его теоретическую интерпретацию, а такае результаты аналогичного анализа для пузырьковых канер, наполненных аддкини Не, С^-д, 5Рб, СВгГ-д и Хо при различных реяимах работы (перегревах);

(9) - результаты анализа данные измерений плотности зэрэн на следах релятивистских частиц в толстослойных ядорикх фотооцуяьсиях и вывод о связи рэллгИЕИстсяого роста плотности верен о чувствительность» ядерной эмульсии и иззависшости ого от размера иикрекрас-

- 6 -

тадяоп бромистого сорэбра и разбавления ецульоии;

(10) - результаты раопэтов спэктров пвродач аноргни в нзупругщ соударэниях быстрых заряясгек-н частиц, в газах и осповсншк на

о тих результатах вычислений с применением катода Манго-Карло ха-'ршггористик (вероятных значений, ширины) распределений ионизационных потерь энергии в тонких слоях газа;

(11) - свойство подобия распределений ионизационных потерь и основанный на нём простой способ реалистической оценки релятивистского возрастания вероятных потерь энергии ы тонких слоях газа;

(12) - разработку катода газовой пропорциональной вдектродшкшс-цзнтной дройфовой камеры для измерения пошшацлошшх потерь анэргии бистрых заряженных частиц;

(13) - результаты измерений релятивистского возрастания ионизационных потерь энергии быстрых электронов в тонкой слоа тяжелых инертных газов и idc смесей методом элекгрояшянеецэгтюй дрейфовой квиэры.

Научная новизна основных результатов диссертации

Результаты работ, полоненных в основу настоящей диссертации, способствовал! развитии нового научного направления - физики ионизационных аффектов в реальных дотекторох релятивистских частиц. При зтег. получен рад новых научных дашке. В частности, ЕперБ*©:

1) выдвинута новая физическая идоя о зависимости наб.чадозмш: ионизационных о флангов от метода регистрации и резака работы детектора, оппедадянвр« его локальную функция отклика;

2) предложен способ учета особенностей метода детектирования с по).:счьа едакввтной ему яокалышй функции отклика, которая зависит от »{¡оргии, шредасяэиой атомам ерэди в отдельных ионизирующих соударениях, и ((предоплат с каким eocom ксздос из них вносит

- 7 -

вклад в наблюдаемый ионизационный эффзкт;

3) проведено обобщение теории ионизационного торможения быстрых заряженных частиц в поляризуемой среде с учетом ограничоний (пак сверху,.так и снизу) на передачи энергии в отдельных ионизи-ругюрос столкновениях. На основе этого обобщения:

(в) дало количественное объяснение измеренному релятивистскому возрастания плотности капель на следах космических иоонов и электронов в каигаргж Вильсона с тяжелыми газшли, более слабому, чзм следует из традиционной теории;

(б) количественно обоснована зависимость релятивистского увеличения плотности следов частиц в ядерной фотоэмульсии от ее чувствительности и независимость его от среднего разгара микрокристаллов ГЦ5г и степени разбавления фотоэмульсии;

(в) рассчитаны спектры передач энергии в неупрупас столкновениях бмстрых зарягзгаик частиц с атомам! инертных газов, послу-нишив основой дяя моделирования методом Ыонте-Карло распределений ионизационных потерь анергии в тонких слоях газа;

<г) обнарукено свойство подобия распределений потерь энергии и прздлокон простой способ реалистической оценки релятивистского УЕЭлачения вероятных ионизационных потерь в тонких слоях газа.

4) Получены новые данные о первичной удельной ионизации, создаваемой быстрыми заряженными частицами в газах:

(в) предложены ?,:зтсды расчета первичной удельной ионизации в поляризуемой среде, в том чис/з простые алроксииацисшше формулы для вычислений первичной удельной ионизации при различных температурах а давлениях газа;

(б) выполнены расчеты первичная удельной ионизации для инертных газов, а тапке водорода, азота, кислородаи и воздуха з области от минимума < 4) до плато Фзрми ( Х^ Ю"5);

(в) разработан и исследован метод искровой камеры низкого

дшздэшш, рабо?шззй в рейва "маясэффзктикюго" дохостора, для нзкзрзипя тарвкчной удольнзй ионизации а гйзо ;

(г) проводспн спетекатичосшю коисцхзшш' нэрыгеной удельной иоштцпп и ипартиш 1'е.аек и широкой области лоронц-фадгороа -4-10®;

5) детально иаучоно рожятквистскоо возрастание цлоиюсти слэдов частиц в прошнопой цузцрьдоюй каюро и дана пелуполлгсзот-взннаг. шиерпрэтацня рзаультотов отех к аналогичных изкерзний в цузырькоБих камерах, иапояненшя другими кщшоотлыи, в зашецаое-5И от рзкнма равоты (карзграза). Црздсглзшш ожкдезша •рэяягигке-теккй подьоц плотноогн следов в гилиеаой и ксеноиоьой пуварьковис взшрвх и ого пзпопункз, как фонаря «щагрош. и аузнрыюшг кагорах, вашшгсшцх СдНу и СЕгР<}',

6) провэдзны Ешморэшш рзлятшшстского возрсстгшщ ионизационных ПОТОрЬ ОКОрГИИ I! гонкой СЛОГ) коононя, КрИНТОНа, ЦрГОНа к их скосой штодом олостролкиинзсц^гткШ дроГ.|хтэй каморы.

Следуа? тмив указать, что ыодвяцрошжэ коннэацьмшы: пспо{л ызтодел Монте-Карло на основа раашотщзского спокт-ра ивродьч энергии в ноннзирувзрпс сголкногзнпях было проводок» нгзаяисимэ и практпчэски одновременно с группой Эллиссна из Езлшюбрптснгл (оба работы датируются 1976 г.).

Научная ц практическая ценность работы

В процоасо випелнэния работ осуществлен полный цикл исследования - от экспорккантвльного наблюдения явления к его объяснения и кодичэствснному описашш, сблсдащеиу продокозательной сило! к позволявщзиу использовать ого для практичзскнх нужд. Результаты диссертации помогли устранить пробелы и противоречия б привычных представлениях об ионизационных эффектах и кшли приконениэ при

развитии новых катодов п ря.зработкя детекторов для фнзихш высоких энергий в работах, выполненных в СССР и за рубзяом;

(1) - стримэрна* накер, наполнетздс На, tía я toc ctracawii, дял ¡to-торъ'х предслаэнвеотоя ЬыооготЯ рэлятнйиотскиН рост пэрпичиой пени-зпцчи (глаза 4), а соотвотствиз зяапоримзн'толъшк и рпечэтнше данных (главы И и 4) слуулт критериям оптимальности роли»-» роботя отрвдэрной'кешры (НШ, СИПИ, ЩРШ;

(2) - метода счота кл?отзроп ионизации а ярошрционолтой итеэрз с продольнш дрейфом -зл-эк'грелоз, гдэ пгвдйшш о -поршгаюа комяеа-ции (глава 4) является ориентире»« 'цч! ш-иер-з состава гезя, çsmîf работ«, конструкции камер) i и олзщншикк {1$ГН,0*»5Ш) {

(3) - детекторов рэнтгвноБСкого й-зр-эх'А-шого азаучзнягь при кодояя pnssjrm аоторчх рясчзти ионизационного фона слигаятся па спек-тры поддач эноргни в нчупругах стодшдопрях:« таетиолшп^нэ л гяасо 2 (ФШ11, ЛШШ);

И) - прэциэпонных коордашотннх дрэйфэпьч чг.мэр, гдо рзечзгн сп-зк-трзп пврздач внэргш и одела столкновений (глаза Й) послузпяп ео-ИОСОЙ для оценок продольного lîooprj'.nnxiiuro рязрок;".ш«я (SPD;

(5) - развитии мэтода цшзнтификации чг.етиц в ядортк '¡отсздфяьск-!îx с учетом результатов главч ó о зявксинасти ралятявистсксго возрастания' плотности слздоа ОТ ЧурсТШТЧЛЬНОСТИ ОМуЛ&СНИ (КТВЭ АН Паз.ССР); '

(6) - иэтода счзтй котялъ в ксмэрэ Вильсона для цаентифякацни космических едронов и измерения огножжия W/p на высота гор о яспопь-зованием результатов, приведенных; в главах S и 3 (ЗНАЯ);

(7) - многопроволочннх "малоэфргктпякнх" детектороп-цяоитифяяато-ров ролятиоистских ядрено? в соответстпии с материалами главм 4 (И53Э) и т.д.

Апробация работа;

Результаты отдельные этапов цикла работ, аоставлязщого содержание диссертации, неоднократно полагались на научных сэкшшраз: Лаборатории эленокз-гфлих частиц к Лаборатории космических лучэй fiHIH, Лаборатории горних проблен ОИЯИ. в Ер®, ¡НВЗ, на сессиях Отдаления ядерной физика &ШЗ§ и Ш1Й, а тпвяа на всесоюзных кон-ёэронцвгас оо еоошчзскш лу'-ши о Новосибкрско (Ii'67r,) и Таппен-тс (19бйг.), вкояэ Сизяки в Бакуриана (1980г.), «оадународаыг кои-фэращанях по аппаратура с фкзккз йяоеих енергий в Содфодаэ (США, 1966 г.) и Дубна (1970г.). иездауаароишых конферсвддос пэ космичз-сиш лу«ам в ХобОарзе (Чаги&ш, 1972г.) и по дверной фо?егреф:ш ь Барсояонсз (Испании, 1970г.} н Бухара«? СГукинля, Нзй-

дупарсдкси сииаоаадьа ао psim'siioscso«? пзреходжщу ткучониг б Spnr-aiiB (IS77r.), Уацдунарфиюн сешюрь измята Г.£.Чико№Ш в Тб.аднск (1968 г.).

.Публикации

Дкссзртацяя оспов&нд -Л 30 ПУиЯёПСйиЛЛл» в ВЦДС ПрС-

пркшов ©IAH, или нЕпечатангсо: в соеотсккх (^йдорьая физика", "Цурнед эксглишентелыюй к тьорбчичзскоВ физик;!'1, ИрнЗиуы техника эксперимента", "Краткие сообщают во флэша*, гЖу^ал нэучпоЗ и прикладной фотографии п кккскатогрвфии*, Труды ШАН", "Шизика алсиенгвршЕе честна к второго ядра") к зарубокак (HacXsar Inst-ruaants й KothoöR ' 5 ф:тг-йских syриалах и сборниках, в монографии "Ионизацкошшз кзкгрения в физике высоких онаргий", я текло £ трэдах пзрочисяаикык ваш всесоюзных и каддународкие конференций и сишоспумов.

Список основных публикаций no teiie диссертации приведен в конца автореферата. Полный перечень тч&тних рвбот с участке« азторя

шсчнтнв<?эт 03 наиианочяшш.

Структура диссертации

Диссертация содораит Владение», гссгмь глад тояста, Згжтачзш» и шесть пряяогзний. Ножная глава сиабзвна иратянм роззки сэ содар-¿ашш. Осиосниэ выводи диссертации присздйиы в Заклпчзиш. Обгеы диссертации составляет 319 стргмищ, з той одета 72 рце-угап, Г;9 таблиц, 237 пт'-'.гиой^шй цитированной гатаратурн.

П. НРА'ШЗЗ садшнш РАШТЦ

8о Всэдвниц в диссертация кратко ргсснг.зцяа5«5д о роли яелэ-аая нснизец'н! з развитии екешрш'знтальной .тдэрней фчз!::;и и флза-внсояих знзргий, а такяз о гпташш кеннзецнониого г.зтпдч для Идентификации бьятрих зарязеншк чр.стиц п его из ста ерздн других еозиияьве йзтодсо «.тантифакгцеи. Зрясь so дазтея спрзделониз иаб-лгдеекого ;;он!<зг:|т";он:;ого зффзкта а »зрзчиолязтея спсссбн зго намерения. Констатируется шогоччсдзншгэ расхождения иэцду рззузьта-yciaj изгзрзний ионизационных еффэотов п различных детекторах и ак?/>.сш1Э?1тти! традиционной тзорки иснкзецнонного торнсгания а;ля-азнных частиц в издаете®. Именно такпз расхездшия дзлечт шггуаль-нш дальнейшие исследовення в втоП области с цзльз создания прочной физщаской основы для разработки и оптимизации ионизационных црантнфккатороз.

Во Введении сфорнулировены такта цели работы, парзчявлзнн рззультаты, полегенпл и щшн, шнзеенщгз на долоту, педачоряцута научная новизна ряда подучэннщ деннаг. Здесь указаны npsapa, подтвзрэдаэдив научив и практкчвеяуа цзкиосяь рззультзтоо дясазр-тецйя, рассказано о со олробацш, о дубядвадгугх, на котврш сна еснованй, отнзчзн дичныЯ вклад автора, раскрыта структура дкеезр-тецян.

- 12 -

Б Глава I даны основнш опрэдэлэния и исходнда соотношения теории ионизационного торизмения быстрых заряженных частиц а сро-да / 1,2,3 /. Подробно описывается развитие неших представлений о прохождении ионизирующие частиц чзрзз шцаство с начала ншеш-наго Езка и вплоть до периода, напосрэдстванно прад^астЕовашаго работам, пологзннш в основу диссертации, Отшчаотся значзннз прздлоганного Н.Бором катода разделения соударений зарякенной частицы по прццальноыу пара^зтру, что позволило Епзрвыэ учзсть связь электрона в атош. Приизнзниэ этого ыетода дало возможность Езтэ, Мёл,юру, Блоху и др. получить впоследствии соотно&ения для удельных ионизационных потерь анергия (в той числа, извзстнув формулу Бо то-Блох а). Вслед ва этны 3, Ферми на основа исдодв сзг-зстса в виде набора осцилляторов с едино,') рзаонснсной частотой 2/й, {I - средний потенциал ионизации сзцзства) вшрвые рассчитал по-прашсу на поляризацию среди электромагнитным полам частицы (зффзкт клотности). Благодаря атому оффзкту удзльныз потери енвргии (-«Ш/с!»)^ в столгсновенилх, ограниченных свэрху передачами мц. {"ограничению" ионизационные потери), а такш вероятные ионизационные потери пси релятивистских анергиях частицы насылаются а еьесодят на "плато Ферми".

Впоследствии Р.ШторнхеГшер прадлоккл О'олеэ точный метод рас-Ч5тй о&фэкта плотности, используя ыодеяь среды в воде набора кэ-скояьккх осцилляторов с частотами, отвэчащиш! различный электронным оболочка« атсыоз. Результаты Штернзсеймера для ограниченных иенизвцношых потерь справедливы при 10№ , где 10П - внергая края и - полосы поглощения вещества, и зсчастуи но отЕзчшгрзаль-условиям експерижнта, Ста иодель но учитываэт такаа пороговкэ свойства дзтедторов. Ее предсказания неплохо согласуются с результате^ измерений в конденсационных камерах, наполненных легкими

газаш, а в ецшш'зляцнсншх. детекторах, г.о противоречат даннш, получении« з камерах Вильсона о гязелый! газами, в дузнрь;:о5ьк с сферах, в дйаргаа фотоэмульсиях; и газовых пропорциональных детекторах:.

. Строгое» кваитоЕоквханичэскоз решение основной задачи теория столкновений быстрых эьрязеннас частиц в вещество - опрэдаления сечения ноупрупк столкновений и езчзния ионизации - лшеа лонучгно лшь для атомарного водорода и гелия боа учэта поляризации с рода.

Таким образом, теория ионизационного торможения быстрых аара-еонньц частиц з взцествэ, существовавшая к началу ошюнвсаыих в диссертации исследований, оказалась' неспособной объяснить рда на-бладаегшх ионизационных аффектов в детекторах часкщ еисок;;:; онор-гиЯ. Причмщ 5того заилвчгатся как в неполнота теории, та;: я попм-тпэх ез использования яке прадояов применимости. Чтобы прзодолать упаэышыа проткворзчия потребовалось дельноШюа развито !! обойа.ъ-га:г теория, а тшасэ уточнение и налеплешз попах вкспершзенталшых денных. Обэ оти задачи, в частности, били решены в ксследовашгях, положении? в основу настоящей днсссртации,

В.главз. 2 прошдсно обобщение теории ионизационного тор:;огз-ния в поляризуемой средв / 1,4-13 /. Анализ процессов, сопрогсп-дакщих прохевденнэ черзз вещество .быстрой нонизпрущзй чаетпцц Фяззлев. дяеетрона, поколел, что подавляющая доля терюкгой оа енэр-ггш выделяется вблизи траектории и якпь незначительная часть уносится рентгеновскими ивситааи фяуорвсцзнцаи плн двльта-олэятронк!;!, а тшеке излучением Вашлова-Чзрзннова. При сопоставлении эгепзрп-изцтсльлых данных о тоорэтпчэсниш расчотаки эту. дола пзт-рудпо учесть соотвэтствуащш* выбором гяр\най граниадсП парздавазиой энергии е0 .

Вклад квздого неупругого сголкносзния чаот?! э шбтдсгииЗ

нонизацион!шй эффект зависит от передаваемо;! в нем оноргии и определяется не только дифференциальным сечением столкновения, но и свойствами детектора. Роль последнего предложено учитывать с Ноыо-чьв локальной функции отклика (весовой функции) (?(£.) , которая зависит от условий и метода регистрации и показывает с кагаш вссоы кшдоо соударение с передаваемой энергией g вносит вклад в суммарный ионизационный эффект. По зтой причине представление о пропорциональности наблюдаемого ионизационного эффекта потерям онергии частицы является упрощэнннм и соответствует действительности только при линейно растущей 5\t) , примером чего могут ■ служить камера Вильсона, работающая в рвииш счета кашль, в смтняi-оннкз детекторы. Для детекторов первичной ионизации (стрииориад камера, "малоэффективные" детекторы и т.п.) характерна ступенчатая с порогом (где 1о - первый потенциал ионизации, для пузырьковой каморы - нелинейная с порогом &»*> 0,1*1 КэВ.

Рис Л. Локальная функция отклика (весовая функции) i?if,) различных детекторов: (а) - линейно возоастаидая

ь/ if d цктй рсалс [0,£5.а*«1; (б) - то ¡¡га в интервала [О.е-Л -(стЕзчсет детектором ограниченных потерь энергии);

(в) - ступенчатая 9(ь) в интервале [ 10 (отссчрот дето- о кгоран первичней ионизвцик) ; 0

(г) -- не: я raie ¡'шея (Pit) ь интервале [£«.,£„.,» (отвечает ядерной фотоэмульсии и пузырьковой камере).

о Lu

Теория ионизациошюго тор"схсния сперирует- о терминах сил' осцилляторов и среднего потзнциала иснцгации вещества. Анализ показал, что репяние задачи о сочшпш столкновения'и ионизационных потерях энергии в поляризуемой ерэдо но:шо получить как на основа модели ерзды в вида набора осцилляторов о непрерывным распродело-. нием частот, та:: и в модели эквивалентных длскротних осцилляторов. Сияй ^ Ш распределенных осцилляторов в дипольноы приближении, соответствующем оптически разрешенным перехода!!, определяются са-чением фотопоглощешш брЮ , известнки в широком диопазоно анэргий фотонов для большого класса вэцестп. В случао приборного ограничения передач анэргии сверху (£¿60 ) и/или снизу (£>/бт. ) средний потенциал ионизации перестает быть-константой вещества и завиепт тахно от условий регистрации, а силы осцилляторов укз но подчшязтея правилу сумм.

В р гам ах моделей вещества в виде набора дискретных' н распределенных осцилляторов произведено обобщенна теории ионизационного тормоздния в поляризуемой ерэдз а выведены соотношения для диффэ-рэнциального сечения неупругих кулоиовених соударений, ограниченных, а такгм двазды ограниченных (т.о. "сверху" и "снизу") числа столкновений я ионизационных потерь энергии о учетом поправок на зффзнт плотности средн. Так, в кодвли распределенных осцилляторов двадды ограниченна удельнеэ потери энергии в неупругих столшшвз-ниях с передачами энергии £п « С 4 ,•

(-¿б/<А*)£м/Е( ^Л +

(I)

Дв8ауш ограниченное число столкновений в той же модели, рис-2,

шиг>(Пл,

Рис.2. Интегральное число, ноупругих столкновений с передачами анэргии Ь->ЬК1\ релятивистской однозарядной частицы с атомами водорода и инзртнше газов в ыи-1ШМуШ ионизации / 1 /.

ю а-

гг , is'

ms £п

4« IS ^ [Ь-if&r- f + (4 - in* * (еГ " Т"?S *C£)cU " ^Сс '^ >.

о

о дифференциальное сечение неупругих столкновений частицы с атомами среды,

с

¿6 1 «?М

а.£ rup1 е L to-f>V

Здесь - распредоленныо силы осцилляторов, б - сеченио неуп-

ругих столкновений частицы с атомами среды, р - отношение скорости

частица к скорости свата с, т- пасса элзктрона, , 7j и А0 , соотВ&тетвэнпо, атомшгэ плотность, заряд и eso ветостш, А - 0,16360) a , , Sf„ - поправки на эффэкт пдотиос-тп срзди, оависяпрга от коштяоксгай диэлситричэской проницееиости среди бС^) , где = б/й . (Внролзняя для этих поправок тшгаэ дается в диссертация).

Лрп пороговой опертой £ма О II to» 1ск соотпспзппо (I) дсот обычнет уделышэ ограшпгошшз потери энергии,

<- ® -4 [ía --/ь1 - , (4)

гдэ I - орздняй {логирвфшчаский) потенциал яотэацга срэди. При 6т.« 0 и t0 i Iok. правило сумя Тоиг.сс-Ргfoa-Кша для сил ссцил-дятороз но выполняется,и голптаны Л, I п в (4) зависят от нэф-íorrTnnioro" атоздюго помора

ío '

Z/=:LFuc)«ZÍj-C¿)dt < X , (5а)

о

п эффективного сродного потенциала ионизация ерэды I ,

: -.bn,l'* j |С&)-1ле сДг/ FC£e5 , (56)

о

чего отраздот нэучастнз элоктрензп глубололэяецих атомных оболочзк а столкновениях о пзродачами е.< é„ £ 1оК_. Благодаря этоцу огра-ничэшшэ потери оиоргия п их рзлятивистскоо возрастите оказывается кзпъвю, тан прзденпзнвсат теория Итсрнхоймрэ. (рис.3 и 4).

Получэнныэ результата явилась одлиа из начальных иагой в становлении нового научного направления - физики ионлэацнокнщ процессов э реальных дотокторах частиц высоких энергий. Тсорзткчзспая штвь этого направления развивалась далее как по пути болаэ строгого обоснования и уточнения обобщенных соотношений для дпффзрзи-

Vf

S

4

T

. \ ' \ 1 M ПЦ ;—"Г- v V"» пи : ■ _fcj flr '

__№_

........1..... j—

«r ta о . »■

e,. «o

Pue.3c Средние огранкчешщо иояиаа-цизшшз доте pu в ишиауме исниелцгш для водорода и инертше геэов ври иормакышх условиях в зависимости от ьорхноЯ граничной но рода веемой энергии бо • Сплоапшэ кривыэ - расчет по форыуяви (4) и (5), пунктирные - из-дель iTopiïxeîtopa. Результат« вотас-лоний совпадав? при L0i> lan J I /.

т

Рес.4. Релятивлогскоо возрастание Й ерздаак огргишчзн-ных потерь энергии в водорода и шартннг газон в еава-онвдетк &? BspxHsR граничной пзредавьзшШ оиергш £и .

ошошицз ернбцз - рссчэт 03

форуулаи (4) п (5), пунктир-нио - модель ЙторюаШдара. Результаты совпадает при £;>*•■? ItK,

цаального евчевдя исупругего столяиовэшт s поляризуемой ерздо, vas и разработки на их о споет штодов описания распре,челзний понп-оацианшзх потерь вноргиа в слоях Еочзства различной толщины. Первая из 8ÏJDC проблем иаис!сдзе подробно и полно представлена с поояэ-дадак работах выполненных: в ШВ GCCP, в такса в Оксфордском укавзро1и;б?а'{Бзлиеобриташш). Результаты таких исследовании дета-SLixo шолзганру/отся с той ко главе 2,

ш

а

Дальнейшее развитие теории подтвердило (с пебольплми утечно-гетагп) осиогныэ виподи работ, полозмсио: в основу дясеертацяп. Таким образом, нояю зглнтачить, что в постоялка врзвд создана па-ДОН1ЕЛ тооротичзспал база длл росхюта дкффзрэнцп&чьного сечоная нзупругиз: столккоЕЗНпа о поляризуемой ерэде и тем самый средних ограниченных, а такпа дволды огршшчеияьк тлела столкновений . п иоипзлцгшннюг потерь зшргил. Как покаэоно в диесортацш! результат» этих расчотов, в цэлом, хорсяо согласуется с ошюриментзяь-гап.;п дшппмп / 1,3 /.

Тратья глава диссертации посвящена нолгюацнсшигл изг.'ерэшиг; и конденсационных: дотеиторах - классических трэковж прибор«, э. оспою действия которая леют конденсация перостгдшюго пара т пенах, образованных в газа заряюшшпа часткцшго. Ксгцшясвц^опгкя) ксаэрн (Вильсона, ди^узиониоя) широко прикашппсь до ссредшш 70-х годе а при нее лодовглдч косшпггсяого излутпнил, в честности, длл ионизационных нзмзрений / 14 /. В настоящего ярвкя такие детекторы витаснмш пз ядорнофизнчэсиого эксперимента, котя и продол-нети использоваться, нолргшзр, при нсслздовшшп гсоряускулярного излучения рлазш.

В диссертации описано прженэшго кагэрм Вильсона для экспэри-мэнталыгоЯ проверю! обобщенной теории ионизационного тормогения и исследования воэмотшости разделения космичоскп: пионов.и протонов о энергией ^ 10** эВ по их ионизирующей способности. Измерения ■ проводйлпей на Тшь-Маиьской экспериментальной установке в кс.:эрэ Вильсона, заполненной сиэсью аргона и гэлия под общим давлением 0,3 отн. Для определения зависимости икпульс-ионизсцяп кспольэ'огга-лись следы космических кооков и электронов с лорэнц-фалтороц н 3-гЮ . Импульсы частиц измерялись по кривизна иг траекторий з магнитном поле, ионизация - мзтодоы счета капель. При этой сгустки

o tiiK.'iou капель болоэ' 36 отбрасывались, что отвечало ограшгсзнцэ по порадачшл внаргич в отдолышх столкновениях б„ и 0,С7 КэВд'.е. sésamo ыеныаа онергии IoK « 3,6 КоВ It-края поглощения атомов аргона. Средняя плотность едодов релятивистских частиц составляла ÎE-I8 Совокупность результатов отих кзмэрений / 15 / дан-

ни •• Пучкова, рпс.5, крл и анализ / 10 / других аиаасгичш« cucas-ршеитов, огвечзщцх условию Во í-, Ion j доказывает? справа,илваость обобщенного соотношения (4), содержащего аффвшмвииз значения Ц и l' вмйсто 2 н Ï (5). Приведенная ни рнс.5 калибровочная яашюи-мость использовалась для идзнтификацци космических ядронэв пра определения отношения потоков т/f на nuco re гор,

Pjm.ö. FoaKTiiBUCiCKoo возраста-пи средней плотности капель на слада;.; ¡,'йонсс (« ) п электронов (о) в каизре Вильсона, содор^а-шой смесь Ar-fHo (0,3 ста, 17,5 °G). Экспериментальные точки -совокупные данныэ / 15 J и Пуч-

i « и* " is4

. ^ 'Кова. Пунктирная кривая - раачзт

(-Js/íty-),^ ПО TSOpHlI Штарнхой-ыэра, сплошная кривая - по обобщенным формуле;.! (4),(5), Обо кри-вш нормированы к експориызнталь-ной зависимости tXj(pY) в шни-нуиа ионизации.

В .главе 4 диссертации рассказывается об исследовании первичной ионизации, еордапсэуой релятивистскими электронами в газах / 1,2,6,16-Й1 /. До начала эт:а работ вервичная ногшэацая под дзй-óv&isu частиц высоких анергий была измерена лшь з небольшом число

еочзств ц длл ограниченного интервала лоронц-факторов. йнду таи, порглпшел ионизация'«опят бить по.тотона в основу разработки ¡¿зто-доз идентификации частиц высоких энергий. В рдае случаев такой способ имеет.прсину^аства пород кзиерекияш ионизационные потзрь очергин. В частности, он обоспзчнвоэт бо'лшуо точность, хсропо соинеджгеся с изтрзиияии га",пульса по яривнзио треокториа, осудас-твнп с пог.оэьй многих детекторов, лнзот масштаб рзлятивнстского возрастания примерно тот п:з, что и (-¿Б/^*) £. .

Па основа обобщенной формулы (2) для двб:«дн ограгачзшюго Числя соударгний а поляризуемой срзда при бй1 а 1а и 1оК подучено об'120 соотно'ланга длл удельной первичной иснизпции,

, с«

г.

гд-з , о„, - поправка па эффзкт плотнестп,

»5

Л $Чб)Де/е , (7а)

о

Л «

1ч 5 . (76)

о

На основэ соотношений (б), (7) выполнены чпелегешэ рзечзты зависимости ( ¿1!(/с1х) от лорэнц-фактора частицы в инертных и некоторых бинор; пк газах / 16,17 /. Результат этих расчетов согласуется с зкспарпыентелынм! данной для легких газов (Н^, Но, Но , сетей Нз+!'о), крк по абсолютным значениям ¿'Ц /¿.ю , так и по релятивистскому Боарасташю. Предложены простыэ епрокекмаднонньл формула для вичиолзния первичной ионизации газов в условиях, когда да- • вжзниэ и тецвзркгура отяичаптся о** нормальных / 17,1 /.

С целью проверки справедливости теоретических соотисагний ШрГИЧНОЙ ионизации ВНПОЯНОН цикл ОКСПОрИКЗИГЭЛЫШх ИССДОДОЕШПТЙ

на электронной синхротроне С-60 ШАН / 18-21 /. Для этого разработана новая ызтодика искровой хамзры низкого давления с "прозрачными" проволочными электродами. Парой первичной ионизации является эффективность ^ искровой кашры,

¿Ыл ¡¿.X. = - X"4 <1п- ( . (2)

Паксиыальнал точность измерений отвечает ^ и 0,3 и при искро-Еоа~про!йЕутко I си отвечает давлении газа ¡ш^о атмосферного. ¡Самара позволяет иэшрять Л^/сЬс да^е в чистых гвзах с большая коэффициентами электронной диффузии, что иэеозиошю оауцаетелть другие кэтодамп (напр;шзр, в стрпуарной каыаре / 22 / или с по-иоцьэ малоэффективных счетчиков Гайгора-Езллора). Показано, что искровая кагора низкого давлзния, налолкзнная шкртпш газон, бт плато оффективности протяженностью 1-3 кВ / 19 /.

Методе:.! искровой камеры низкого давления проведаны система-тнчзышз изморзиия первичной ионизации в Не, Но, Аг, Кг, Хо к сноси 30$! с + 70$ Не (хоногало) вблизи ио!шзациошого ишидуаа (X " 4). При отоы для исклвчзшя систоыатичоских погрешностей, связанных с диффузией электронов ио1шзсции на стенки и олэктроды искровой кемзры, дашш изш рений при различных вадоржех 1<А высоковольтного шшульса экстраполировались к "Ьд -■ 0. Еылц вылсд-нзш такко огнеентолшш изтренвя рэ ляг иен с тског о возрастания

в икрокой области ^ =4-103 для всех шортных газов, где ранее для большинства из них измерения не проводились, рис.б. Результаты зкеперикзнтов хорошо согласуются с расчетами по формулам (б), (7), учитывающими, где ото необходимо, оклад дополнительной ионизации благодаря быстрым вторичным процэссаы в гаво, таблица I.

В пятой главе диссертации рассыатривавтся вопросы релятивистского роста плотности следов в пузырьковых камерах с различным на-

а , „

Зкстрюшталышэ точки: о - настоящая работа / 21 /, ® , + , «. , а > А. - денные других авторов (Б=1 атм). Спзкшгт крипт -• расчот по фэр'о'яш (6) я (7а), (76). Пунктир - раста'ш Еудпни н др. для галил при I а?«. Цифры у кривых - давяоикз газа п искровой наадрз (атц.)._

пожпзнпсм, Цолучоян дот слыша экспврпкэнтаяышэ дзшагэ о зшзкси-нссти плотности с| пузирькоз нсь стадах рзллтявастскшс заряетинглс частиц от их лорв!щ-|>!хктора в пропснооой пуанрьковоЯ нагарэ, рас. 7 / 23 /. Изшрошшй рэлятишстеяай подьеа (12,6+2,3%) илотностн с.та до в от игашзацисшюго шшинуиа до плато шганаяыш Бвавк для шадаиопрошшого вещества. Аналогичное явяаниэ' нпбдг.дэно и в друг;« тяталсшршоояшг яузырьковыл ладарах, нспотаипж О^Рд, ^ , СВгР3.

Таблица I

Первичная удельная ионизация в инертных газах, измерзниая в искровой камере низкого давления / I,18-21 /

Газ Давла-{Первичная удэльнвя йога нио {зация к) ( X»4) Релятивистский рост первичной ионизации

Р.аты |вксп./19/, «см'1 |е?ксп./19/ 1теор./1/ оксп./21/ !от;сп./21/ 1теор./1/

На 0,4 3,66+0,05 0,97+0,01 1,6610,04 1,01+0,03

N0 0,15 12,27^0,16 0,96+0,01 1,67+0,03 1,00+0,02

Аг 0,07 27,9+0,2 0,95+0,01 1,68+0,02 1,00+0,02

Кг 0,05 36,9+0,6 1,04+0,01 1,58+0,03 0,97+0,02

Хо 0,04 49,3+0,6 1,02+0,01 1,63+0,02 1,00+0,02

3(Шо+ +?0%м о 0,15 9,6+0,3 0,98+0,03 1,72+0,03 1,02+0,02

Рис.7. Зависимость плотности слодов ^ в пронановой пузырьковой камера от ло-ронц-фактора у. Экспериментальный тощ®' - детшо / 23 /. Пунктирная кривая - ограниченные ионизационные потери энергии (4). Сплошная кривая - расчет согласно (2) при -1,1 ХэВ / 11,24 /.

Его невозможно объяснить иа основе представлений о пропорциональности плотности следа ограниченным потерям энергии частицы, несыо-

тря ira то-, что результата измерений в сцинтилляторах сходного со-ктова и плотности хорошо согласуется с подобным утверждением.

П диссертации показано, что аномально высокий релятивистский рост плотности следов в тяЕелоглдкостнис пузырьковых комарах объясняется высоким энергетическим порогом 6т» 0,2-1 КоВ образовать пузырька в перегрето.'! жидкости / 1,4,5,11,21 /, значительно большим, ni и в каких-либо других дэтекторах. Благодаря этому увеличивается относительный вклад "близких" соударений, сопровождающихся большими передачами энергии и монео подверженных влиянии эффекта поляризации среды. Именно это обстоятельство замедляет выход зависимости <J(Y) на плато Ферми и усилигтаг. релятивистски!'! ■ рост плотности следов л пузырьковой комаре по сравногаш с теп, который имеет место в обычной плотной сродо, где» £п с; 10 зВ.

Покозеко такке, что зависимость (JCY) , наблюдаемуо в пузырьковых камерам, исполненных Н2, CgHg, C-Pq, и CBrFg, могло описать, опираясь на локальную функцию отклика 9(.с) с резкий порогом, несколько провьгпоюцим термодинамический порог образования пузырька пара в перегретой гшдкости» На этой основа предсказали значения окцдаемого релятивистского возрастания плотности слодов в гелиевой (¿Г 12$) .и ксеноносой (£ АЯ%) пузырьковых камерах, а также характер изменения плотности слодов в зазшшости от перегрева в пропановой и фреоновой пузырьковых кадрах. Полученные результаты слабо чувствительны к форт локальной функции отклика вдали от порога (т.о. при t^ ), поскольку оггределяг/дое влияние на плотность следов н оё релятивистское возрастание оказывает околопороговоо поведение ■ЗЧЬ) .

В гдасо б диссортации анализируются иониэйционнш эффекты в ядерной фотоэмульсии и их связь с её основными характеристиками -чувствительность», размером микрокристаллов бромистого серебра,

разбавлением и т.п. / 7,6,25

Несмотря на слокный характер физико-химических процзссет активации бромистого серебра, оказалось возможным на основе.обобщенной теоретической ыоделн иишзационкого тормоазния быстрых заряженных частиц в поляризуемой среде дать количественное объяснение наблюдавши ионизационным о^фзктсы б верной фотоэмульсии.

В диссертации показано, что традиционное представление о прямой пропорциональности плотности следов ограниченным потерим энергии частицы в ыикрокристаллах бромистого серзбра (докэ при коррекции на отсутствие вклада столкновений с К- и и -электронами атомов Аа и Вр) противоречит экспоривднтальнца данным,

Выполнены вычисления ожидаемой плотности следов в ядерной зыульсии исходя из рассчитанного согласно соотношению (3) распределения передач энергии в столкновениях частицы с шкрокристалла-ми бромистого серебра, а также известной локальной функции отклика (т.е. вероятности активации ыикронристалла А|Вг в зависимости от локально выделенной энергии) с учетом кратных соударехтй. Найденная расчетная зависимость плотности следов от лоронц-фахтора частицы соответствует экспериментальным данным, рис.8 .

Показано таюш, что релятивистский рост & плотности следов в ядерной вцульсии уменьшается с повшениеы ее чувствительности, что как и в случае пузырьковых камер отраааат увеличение вклада столкновений с малыш передачами внерпш и нашло экспериментальное под-тве радение. Наблюдаемое релятивистское возрастание плотности следов в ядерных эмульсиях не превшьэт 15%. Предсказывается однако боз-моаность наблюдения повшенного релятивистского роста плотности следов шогозардшшх одер в малочувствительных или сильно недопроявленных фотоэмульсиях, т.е. эмульсиях с высоким порогом активации. Зависимость релятивистского подъема плотвости следов от чуветвите-

лыюсти фэтио;!уяьсип ставит под сомнениэ возмолюсть применения" универсальных калибровочных кривых.

Рис.О. Зависимость

в ядорной фЭТООМуЛЬСИИ. Сплошал кривая - результаты расчета при В-ЫЗ&. цушстир-шз кривт - продэ-льно воэмояньэ отклонения от ноо при варьировании • Эксперимент альнвз тотаи взяты из раз-пых работ (см./7,й/).

Полутаны таотз следущио розультптн:

- рзлятквнстскоо возрастание плотности сладоп практг.чссн'л на зависят от раз! кров мякрокристаллоз А<]Вг п разбавлзпия эмульсии;

- релятивистский рост и плотность следов покякаются (а из понюха-тс,я, naît в -теории Штор!йсой.цзра) с увошгоэшем поддаваемой п стоя-кповепшк частнцц с атсмкяг эмульсия граничной анергии С0 »6-20 КзБ, которая оце1Мваатся не. пробегу ялоктроиа, из пуходгп'сго за продела ширины (<^1 мкм) следа, т.о. по среднему разбору проявдон-ного зерна металлического соробра;

- порог чувствительности ¡-'икрокрисгадлзз стандартной ядорной фотоэмульсии состапляэт 20-30 зВ и безусловно нз превстаот 50 зВ.

¡LÇMM'SJLглаве диссертации растаатривкзтсл повет способы описания рЕспрсдблоннй кокизацнонннх потерь анергии бистрах заря-

Е2шшх часнщ б чстш слоях гдза, характерных для современных многослойных пропорциональных и дрейфовых детекторов / 2,3 /. От-

сання потерь внергш в тоныос (»Р£ 10 см.аты) поглотителях стп-цулировало разработку методов математического моделирования, позволяющих воспроизводить наблюдазшз распределэния ионнзационньк потерь. Тише гютоды базируются на дышых о дифференциальном со-чзши неулругкх столкновений быстрых заряженных частиц в поляризуемой среде и способны учитывать особенности применяемой экспэ-римэнтальной методики,

В диссертации разработана процедура п приведены результаты основанных на дифференциальном сечении в форкэ (3) детальных расчетов методом Мошс-Карло распределений потерь енергш однозарядных реяятишстских частиц в инертных газах при тоецшю слоя 1-80 см н нормальных условиях. Иоказсно, что результаты моделирования неплохо списывает окспзршентальныэ распределения ншшзационнш покрь, рис.9. Зависимости ширин распределений (рис.10) и их вероятных вначэний от отношения ^ /I , где ^ = , при фиксировании! лоренц-факторо в области «4-10^ шош1 универсальный характер практически для всех инертных газов.

сутствие в течение долгого времени адекватного теоретического опИ'

.•а а л/ 12 ?а л а яз из Ш

Я?*:?/! лцкзлз

Рис.9. Распределение потерь анэргии протонов (4) в 5 см Аг+б^СН^. Гистограмма -вксиеримзнталъныэ дшпше Копо-тя и др.;1 - разультаты модо-лировелия / 13 /; 2 - теория Лацдау, 3 - теория Бдунка-Лэй-еогдига.

Докьзшо-такге» что характеристики .распределений потерь енер-

Рно.Ш. Относительная ширин ь на полувысога расщк ллзний потерь энерпш а инертных га зах как функций для ня-нимуыа ионизации (а) и плато Ферми (б). Сплошная кривая -апроксшлацня результатов ио-делирования зависиностьа ° I штрюс-пунн-

тир - теория Ландау, пунктир-теория Блунха-Лейзеганга.

гиа в тонких слоях газа отвечай? предсказаниям теории Ландау при

> 10^ и теории Влунка-Лейзеганга при ^/1 > 10. Релятивистский рост вгроятиих потерь энергии, рассчитанный методом Монте-Карло, дучза соответствует экспериментальный данным, чей дает теория Ландау с- поправкой на зффэкт плотности среды, рис.11.

Обнарунено сноПетсо подобия распределений ионизационных потерь, которое звштчезтея в постоянства относительной площади их "хвоста", отвечающего больший потеряй анэргии, независимо от состава и толщины слоя газа / 26 /. С учетом этого свойства предлозен простой способ рэалистичзской оценки релятивистского подъема взро-ятньпе потерь опоргии э газах с различными 2. , Р и х , Способ основан на шалогки гавду вероятными и ограниченными потеря?«! энзр-гпи и использует факт оимизтризацаи распределения ионизационных потерь при ограничении передач энергии овзрху / Ш /. На отой основе проведена коррекция формулы Лаидцу-Штзрнхайазра для взроятннх шзтэ^ь внергин, что позволило согласовать расчетшл и наблвдозьаа еначвния юрояткых потерь внзргин для иизртнцх газов а диадаздаэ

а.

о-¿г, г-кг, 4-хе

®

9

R

2,0

Рис.11. Зависимость релятивистского роста вероятные иоторь энергии от ТОЛЦИНП ОДОЯ газа. Зкспарнызнтальнаэ есчхш взяты из различных работ. Расчет по обычной (I) и скорректированной (И) <|0рцулаа Лондау-Штораойазра / £б,£? Ш) - роаувьтаты годолирлоа--кик ютодом Нои то-Карло /13/.

Fisc.12. Конструкция дрейфовой вазктролззиинесцоптной каизры /23/. I - ВОЛОКОННЫЙ ОБ0ТОБОД, 2 - квяр-цзвса ошо, 3 - емзешталь спектра, 4 - экрашрущад сетка, 5 - анодная еоткй, 6 - каска с соткой, 7 -фторопластовые стаканы с тонкими днищами, 8 - пояафорыирущио проволочки, 9 - катод, 10 - сиенный калибровочный источник рентгеновских фотснов.

Sipe I-I02 сы.аты / 27 /.

Разработснныо изтедн моделирования распределений ионизационных потерь, а токко оценки их вероятных значений удобны для рас-

• ~ 31 -

чэта'п оптимизации многослойных ионизпцчотиг* идентификаторов, применяемых в физике высок« энергий.

Последняя восьмая глада диссортзции посвящена разктгэ копой пзтцишн газовая дрейфовой эяектролюшшоецзптной кигзры / 28 / и со истользовсгаго для ог.слзрйцгнтаяьнаго 'изучена распределений крчнзашюгепхх потерь пнэрпш релятивистски эязнтронов. О отой цэлью была' создана автоматизированная экепаркиентадьиая уетшов-;:а, содср1а:;ан газовую д.рзйфовуя злоктролюминосцснтнуз камеру (рис, 12), щ>една.г>нач9ннуа для изнэрония понизошюшщя потерь ьнерпш рз-тятиЕистских зсря^егаисс част!тд. Подробно последовши сшйства эяеетрояюмкшецоктной кш-гары и показано,' тхо она кц?«т д;ше?:Г>цй свотовыход в диаиозбш энбргоБьтаелэпяй в газе по крайней мерз 6-25 КоВ» а ез онерге'пггаско') разрешонш для КА-лаина ^Рз (5,9 КоВ) составлязт 18?. Аогомпгпзировапгоя систоча контроля, сбора и обработки спзгаро^зтричзской «нфорчадаи обзепочияа упрчвизгатз рэгзгаа--мл работи установки, её калибровку, стабилизация усиления э спек-тро:этрачоскси кокало, ишюшшяе и !5атокатппоскуа обработку по-дучгнщд дошвх, вклвчая коррэкцвэ случайного фена в рззннэ реального всо!!ЗГл / 23 /,

Установка экспонпровадгсь в пучка релятивистских: электронов синхротрона-С-60 5ИЛ11. Камзрени рсспрздзжншя ионизационных потерь энергия в тонких слоях (2 см) до, Кг,Аг- я их емзепй при давлениях 1-1,7 аш з интервал»? энергий электроне? 4~?50 ИзВ / 30 / (рас.13).

Показано, что каг н в сяучге обычных пропорциональных детекторов окспоргагантальнь'о дгннш о взрояшазс ионизационных потерях энергии и их релятивистском возрастании подгвввдюэт справедливость расчетов по скорректированной фориулэ Лендау-Зтэрнхоймэра, а такяэ методом Монте-Карло.

Использование новой элентролюмкнеецэнтной котодикн вместо

Рис.13. Релятивистское воэрястзимэ Еароятньа иснйзацзсшик потерь внэргзш в с г.* осях инэртиае газов, изкорешюэ ыэтодом слоитродама-нзст.рнтной дрейфовой кктары / 30 /. Плавные кривкз рассчитаны по обычной (пунктир) и скор j*.'i'iipoEtHHCií формулам Лсндау-Шторнхейлэ-ра / 26,27 /.

обычных пропорциональных детекторов подтвердило, что расхондвнга разультатов прэкнкх экспериментов с теоретическими дашь&ш ь'овос-йоино, pase частично, объяснить ыетодкчзскими причинами. IUoc-ís с тем, получению результаты доказиваят способность олзетролтэдпюс-цантн1к детекторов (помимо их традиционного пркывк«ния в спйк-ц/о-нотрии рентгеновского излучения и ядерных фрагментов) намерять нонкэацяонныз потери энергии однозарядных релятивистских чаегде, проходящих чэрез тонкий слой газе.

Ш. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основнкэ итоги диссертации эйюгочйэтся в том, что прободсн-hk8 теоратячоскио разработки к экспериментальные исследования >;о ниэоционных эффектов в детекторах частиц высокой анергии почволи

га липйууфоппть шюгио проболи и противоречия в основах напих представлений о прохождении быстрых гягляшс заряг.онных частиц череп осдество. 'Прэдложеиноо обобщенно теории иошгзпциешюго тор-но?.ешш, Еводонио нового понятия - локалмюП фунтами отклика до-. такторп - л разработка методов расчета характеристик распределен:!?? нонлзгдиошцх потерь опоргии, подтюрчдешшо получзншгми в д;'ссор-топ;.!!! и другжли экспериментальными дишымн, позволяют дать коли-чзстгошшз предсказания ояидпемого отклика расносбразнш: договоров и создают нодоязшй фундамент для проектирования я ептишззгал кенпзгвдтошшх идентификаторов рояятпппстсгагу. зарякоЕШкх частиц. Топ еемьм результата работ, цологдапи« в'основу диссертации, спо-собстг,ополи развитии нового научного направления - фттзтпш ианпза-циошнк эффектов в ромышх детекторах частиц высокой энергия. Конкрепгкз результата диссертации сссл'ап п следующем: I, Проанализированы донят окспэркснгалышх и теоретических исследований контоацношшх эффектов а различиях детекторах частиц и указано на оучоствеиноо ргххо-'дсию июгнх нвблдпломых конкза-щюнюгл офдвтоа. л нх теорзтичосиякг

Р. Вццис!ута новая физическая идоя о зависимости н.збяюдаэшго понигацйбшгаго эффекта не только о? понизпрующэй способности чао-тицч, по и особенностей нет ода регистрации. Предложено учитывать 9Т» ОСОбОШЮСТИ ИСХОДЯ ИЗ й'ОЗаЯЬНОЙ функции отклика (взеовой фуН— кцпи) детектора, которая зависит от енергкп, передаваемой в отдельна ноупругах соударениях, и определяет с кекщ весом каздоз из тсс вносит вклад л общий ионизационный эффект. Проведена классификация детекторов по характеру !тх локальной фушецпи -отклика. Показало, что традиционно« прсдставленио о пропорция сальности иеблэ-двгшго ионизационного аффекта удельным ионизационным потерям энергии является упроченным к справедливо лишь для огргнпчвнного

- 34 -

класса детекторов с линейной локальной функцией отклика. .

3. Проведено обобщение теории ионизационного торможения быстрых ткдалых эаряаенних частиц в поляризуемой среде с учетом ограничений (как сверху, так и снизу) на передачи энергии в отдельных неупругих столкновениях. Выведены общие соотношения для ограниченных и дважды ограниченных ионизационных поторь энергии и сечений столкновения (числа столкновений) с поправками на аффект плотности среды.

4. Экспериментально исследовано релятивистское возрастание плотности следов космических ш>онов и электронов в камере Вильсона, заполненной сшсш гелия и аргона. На основа полученного обобщенного выражения для ограниченных потерь энергии дано количзсэ-во1шоэ объяснение более слабого, чем предсказывает традиционная теория, релятивистского роста плотности следов в камерах Вильсона, наполненных тяжелыми газами.

5. На основе о;бобщенных выранэшй для числа столкновений но единице длины пути в поляризуемой с [еде получены соотношения для лэршнной удельной ионизации, производимой быстрыми заряасниыми частицами. Проведены расчеты зависимости ворвичной удельной пени-зации от лоренц-фщетора в релятивистской области анергий, вкяачан плато йерми, для инертных и бинарных газов. Показано, что результаты вычислений хорошо согласуются с экспериментальными данными. Предлошны простые алрокошационныо выражения для расчета первичной удельной ионизации этих газов в условиях, отличных от нормальных.

6. Разработана и исследована методика искровой камеры низкого давления, работающей в ренине малоэффективного имцульсного детектора. С ео помощьо проведены систематические измерения зависимости первичной удельной ионизации газов от яоранц-фактора реля-

уцрчотошй электронов з области 'У11 4-Ю3, Показано, что релятивистский подгеи первичной удельной ионизации, кис и со абсолютное значошю в ионизационной минимума, совладеет с теоротичоскиш! предсказаниями.

.7, йиепорвде.нтально исследована зависимость плотности слодов релятивистски* частиц в щгапановой пузырьковой камера от их лорснц-ф?ктора. Проанализированы пршпяш и дана нолуколичестсспиая интерпретация аномально высокого релятивистского возрастания плотности оледов в пузырьков® камерах с тялселнм наполнением. Указано на связь наблюдаемых релятивистского подъема и плотности слодов частиц от реяша работы (перегрева) пузырьковой камеры.

3. На основе литературных данных о нелинейной локальной функции отклика (вероятности активации микрокристалдов бромистого со-рзбра) дано количественное объяснение обратной завмси-чостп наблюдаемого релятивистского увеличения плотности следов от чувствительности ядерно!! фотоэмульсии. Показано, что плотность -следа и ее релятивистский рост практически не зависят от разузроз никрокрис-таплов бромютого серебра.

9. Исходя на результатов вычислений спектров передач энергии в ноупругнх столкновениях быстрых заряяеннцх частиц с атомами среди, провадоно моделирование методом Монте-Карло ионизационных по- ' торь в тоник слоях инертных газов. Показано, что рассчитанные параметры распределена потерь энергии (вероятные значения, полуширина) значительно лучше соответствуют экспериментальным данным, чем предсказания теорий Ландау и Блунка-Лейзеганга. Разработанный штод моделирования можно использовать для расчета и оптимизации многослойных ионизационных идентификаторов релятивистских частиц.

10. Обнаружено свойство подобия распределений ионизационных потерь и на ого-основз предложен простой способ реалистической

оцэшш релятивистского подъема вероятных потерь анергии в тошзк слоях газа.

II. Разработана методика дрейфовой электролшинесцентиой каморы, предшазначанной для измерения ионизационных потерь релятивистских частиц в газа. С помощью такого детектора независимый способом исследованы распределения потерь энергии релятивистских слектронов в тонком слое тяжелых инертных газов и их смесей. Из ыврения зависимости релятивистского увеличения вероятных потерь энергии в тонком слое газа от лоренц-фактора У* 4-Ю3 эяектроно; согласуются с результатами вычислений методом Понте-Карло и оцоН' ками по скорректированной формуле Ландау-Штернхеймзра. Получении: експериментальныз данные доказывают возможность использования електролшшгасцентной методики для измерения ионизационных потер! релятивистских зарякенншс частиц в газа.

В заключение автор приносит искреннюю благодарность свош соавторам - сотрудникам Лаборатории элементарных частиц и Лаборатории адронных взаимодействий ШАН - всей тем, кто принимал участие . в исследованиях ионизационных эффектов в детекторах частиц высоких энергий, и прежде всего ЛЛ.Котенко и В.ЛЛечипу. Автор благодарит других своих коллег, способствовавших проведению этой работы.

ПРИЛОЖЕНИЯ

В приложении I приведен список публикаций по теш диссертаци а в приложениях 2-6 представлены результаты некоторых вспомогател иых расчетов.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах: I. Асосков B.C.) Гришин В. Id., Ердалсса В.К., Котенко Л.По, Мерзон

Г.И., Чечин В.Л. Ионизационные эффекты в реальных детекторах релятивистских заршонных частиц. - Труды ФИЛИ, 1982, т.140, с,3-92.

2. Морзон Г.И., Ситар В., Вудагов В.А. Идентификация релятивистских частиц по ионизации а газе. Физ. злен.частиц и атош.пдра,

' 1983, т. 14, с.650-728.

3. Вудагов Ю.А., Мерзок Г.И., Ситар В., Чечин В.А. Ионизационные из!,ярения в физика высоких энергий. Н. : Энергоатомиздат, 19Ш, 225 с.

4. Kotonto Xi.P., Korson Q.I., Chechin V.A, Ralativiatio rise of tract density in bubble cto-embera end polarisation effect. -Proa* Int. Gonf. on Instrumentation on high energy phye.,

p.140-144. Stanford, 1966.

6. Котснко Л.П., Мерзон Г.И., Чечин В.А. Релятивистский рост и плато плотности следов в пузырьковых камерах. - Ядерн.физ., 1967, т.5, с.815-625.

6. ЕрмилошВ.К., Котенко Л.П., Цатачун Л.Г., Морзон Г.И., Чечин В.Л. Об измерении ионизации релятивистских заряженных частиц о помодьэ пороговых детокторов. - Тезисы докл. Всесоюзн.конф. по физ. косм, луче it. Новосибирск. чЛ, с.53, 1967.

7. Kotenko L.P., Moreoa q.i., ïorailova 7.C, Rolativiatic iao-rcaas .of ionization and nucloar eaulsion senaitivlty. - Соар-to rendu 7-й colloque lrvt, do photogr. oorpuao. et doa dotec-tcuxri visusls Bolida, v,l. p,(?6-69. Barsalona, 1970.

8. Ермилова В.it., Котенко Л.П., Мерзон Г.И. Релятивистский рост ионизации и чувствительность ядерных эмульсий. - Краги.сосбщ. но фкзико, 1970, 1С» й, с.51-56; %ри.ноуч!1.пр:1ки.фэтогр.юшо«а-тагр., 1971, ч.16, с.340-356.

9. Крылова В.К. ; Котенко Л.П., Мерзон Г.И., Чзчш В.А. ОбоС^знсэ

формул для ионизационных потерь энергии и сечения .столкновения в случае пороговых детекторов. - В сб. "Космические лучи", T.I3, с.223-226. И.: Наука, 1972.

10. Керзон Г.И. О релятивистском возрастании ионизации в газовых трековых детекторах. - Препринт 2ИАН J? 73, 1972; Яд.физ., 1972, т.15, с.278-283.

11. Clwehtn V.A., liotei&o L.i., Hsisgn G.I., Y««ilova V.O. EUa relativiotic rise of teaoi: density ia bubble cfcanbera. -

Bud. Instr. Keth., 1972, v.93, p.577-587= I

12. Alakoa A.V., Chechia V.A., Ко tonic о L.P., Morn сш 0.1.•, Yarailo«. ' va V.C. On tbs rsetrioted enox-gy 1озо of relativiatio ehargofl particles in matfcor. - Jiuolocr lasbmaonts cad Uathado, 1975, v.224, p.41-47.

13. Emilovu V.C., Kotenfco L.P., tier son G.I. I'luctuationc end tho ыоа'б probablo energy lose of relativiotic сЬагцоа particlco in thin gae layers. - Ifucloar Iantrunonto and ZJethodn, 1977, v.145, p.555-563.

14. Федоров B.LI.: Мерзои Г.И., Дайои М.И. О припанонии изтода фото-иетрирования для оценки ионизующей способности частиц в камера Вильсона. - Изв. AU СССР, сер.физ., 1955, т.19, с.750-752.

15. Kill V.S., Kotolnlkov К.А., Шгвоп G.I., Pucbkov Y.S. Tho ionization of rolativiotic particXoc in Ar-Hs tadxture and соы-parieon of experimental data with tho tho pry.- - Troo. 12-th ИКС. Conference papers, v.VI-TECH-5, p.24SO-2497. Hobart, Tasmania, 1971.

16. Ермилова B.K., Котенко Л.П., Ыерэон Г.И., Чечин В.А. Первичная удельная ионизация релятивистских частиц в газах. - ЖЭТЭ, 1959, т.56, с.1608-1618.

17. Ершшова В .К., Котенко Л.И., Ыерзон Г.И., Чечин В.А. Первичная

удельная ионизация рэллтивтстсних чпстиц в иоленуляриих газах / и смесях газов. - Препринт ФИАН № 152, 1969, 18 с.

10. Aoocudd B.C., Бдпюнкос В.В., Гришш В.Н., Котенко Л.П., Мер-зон Г.И.,. Порвоз Л.С. - Применение искровой камеры низкого давления для измерения первичной ионизация в газах. - Прзпринт <хШ В 45, 1975.

19. Асоскоп ii.G., Б?ш-генкоя В.В., Грчпш ВЛ1., Котенко Л.П., .''ер-зон Г.И., Парпов Л.С. Первичная ио:шзпцня блогородннх газов под действием релятивистских электронов. - ЖЭТФ, 1977, т.73, с. 146-1 Яб.

ЯО. Асосков B.C., Бчагзнков B.D., Грога* В.М., Котенко Д.П., Мерзея Г.И.. Пер воз Л.С. Измерение релятивистского рост-a первичной ионизации в благородных газах. - Краткие сообщения по физике, 1970, }? 5, с.18-21.

21. Асосков B.C., Бланенков В-.В., Грииин В.М., Ермилова В.К., Котенко Л.И., Мерзон Г.И., Первов Л.С. Релятивистское возраста-шга первичной ионизации в благородных газах. - ¿лЭТ§, 1973,

т.76, с.1274-1280.

22. 1'зрзсн Г.И. Стрккэрнал камера как идентификатор рэлятивнст-ск'.сс адронов. - Доклад на международном симпозиума памяти Г.К.Чкковшш. Тбилиси,20-22 сентября I9S8 г.

23. EpuiMOBiB.K. Котенко Л.П., Мерзон Г.К. Измерение релятивистского роста плотности следоз в пропановой пузырьковой камэро. - Препринт 0Ш1 )> 38, Ы. : 1950; ¡1 ряб.техн.эксп., 1969, 3, с. '14-46.

24. Ермилова ВЛС., Котенко Л.П., Мерзон Г.И. Релятивистский рост ионизации в пузырьковых комарах с различным наполнением. -Труды Ио»д. кенф. по аппаратура физ.икс.энергия. т.Z, о.664--665. Дубна, 1970.

25. Chechia V.A.., Kotenko 1.Р., Hereon Q.I», iermilova.V.C. The relctiviotic inoroaaa of ionization In track detectors, Proo. 8-th Int. С oaf. on bucI, photography'ond eolid state ' detectors, T.1, p.80-87. Bucharest, 1972.

26. Гришин В.Li., Керзон Г.И. Простой способ оценки релятивистского возрастания вероятных ионизационных потерь энергии в газе. -Препринт 2ЙАН, J? 171, 1988.

27. Oriehin V.M., Hereon G.I.Aaimplo method for realiatic estimation of the most probable energy loss In thin gas Inycrc. -Euclear Instruments! and Methods, 19S9, v.A.274, p.551-556.

28. Асосков B.C., Гришин В.Ы., Ершш>ва B.K., Котенко Л.П., Ыер-зои Г.И., Письменный О.Г. Электролвыкнесцентная пропорциональная дрейфовая камора для измерения ионизационных потерь анергии релятивистских частиц. - Препринт ФИАН.й 214, 1982.

29. Благенков В.В., Гришин D.1I., Ермилова В.К., Котельников С.К,, Мерзон Г.И., Первов Л.С. Автоматизированная система сбора и обработки данных с дрейфовой электролаыинэсцеиткой пропорциональной камеры. Препринт 8ИАН £ 81, 1983.

30. Гришин В.М., Нврзон Г.И. Измерение релятивистского возраста;гая вероятных ионизационных потерь энергии электронов в тонких слоях инертных газов ызтодом электролшинеецзнтной дрейфовой камеры. - Препринт ЙИАН $ 53, 1988.