Исследование свойств рентгеновского переходного излучения стримерными методами и развитие детекторов на их основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

л**

ЕРЕВАНСКИЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

0 оЧ

На правах рукописи

4 X Су/С

ШИХЛЯРОВ КОНСТАНТИН КАРПОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ РЕНТГЕНОВСКОГО ПЕРЕХОДНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СТРИМЕРНЫМИ МЕТОДАМИ И РАЗВИТИЕ ДЕТЕКТОРОВ

НА ИХ ОСНОВЕ

01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

ЕРЕВАН 1998

\

\ \

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1 Современный уровень понимания проблемы РПИ 12

§1.1 Основные формулы теории РПИ. 12

§ 1.2 Методы регистрации РПИ, обработки информации и оптимизации 17

§1.3 Анализ первых экспериментальных работ по РПИ 31 ГЛАВА 2 Исследование РПИ в неоднородных средах методом

стримерной камеры 51

§2.1 Цель эксперимента и общая схема экспериментальной установки 51 § 2.2 Высоковольтное питание стримерной камеры и его особенности,

связанные с наличием Хе 52

§2.3 Постановка эксперимента 54

§ 2.4 Исследование стримерной камеры, содержащей Хе 56

2.4.1.Зависимость линейной плотности стримеров на треке частицы

от разных факторов 56

2.4.2 Процессы поглощения квантов РПИ и пробеги фотоэлектронов 61

2.4.3 Эффективность регистрации РПИ 62

2.4.4 Порог регистрации РПИ 66 §2.5 Исследование РПИ в нерегулярных пористых средах 67

2.5.1 Сравнение со спектрометрическими измерениями 72

2.5.2 Измерение углового распределения РПИ 73 § 2.6 Исследование РПИ из слоистых сред, сравнение с теорией 77 § 2.7 Фон 78 §2.8 Эффективность регистрации и сепарации частиц методом РПИ

на основе стримерной камеры 80

ГЛАВА 3 Регистрация РПИ в режиме самогасящегося стримера 92

§3.1 Основные свойства самогасящегося стримера 92

§ 3.2 ДПИ на основе плоских МПК в СГС-режиме 94

3.2.1 Лабораторные исследования СГС-режима 95

3.2.2 Испытание ДПИ в СГС-режиме на электронном пучке 96 §3.3 ДПИ в СГС-режиме для Гибридного Нейтринного Спектрометра

(ГИНЕС) на УНК 99

3.3.1 Выбор типа регистратора РПИ 99

3.3.2 Способ Зизготовления и крепления трубок 100

3.3.3 Режим регистрации РПИ 101

3.3.4 Предварительные замечания к исследованию регистраторов РПИ 101

3.3.5 Корреляция амплитуды стримерного сигнала с зарядом кластера 102

3.3.6 Порог регистрации кластеров 103

3.3.7 Эффективность регистрации минимально ионизирующих частиц

по 8-кластерам 104

3.3.8 Зависимость вероятности перехода в стример от места

облучения трубки 105

3.3.9 Коэффициент газового усиления (КГУ 106

3.3.10 Временные спектры, время и скорость дрейфа 107

3.3.11 "Мертвая" зона и загрузки 109

3.3.12 Шумы трубки 110

3.3.13 Регистрация РПИ на пучке электронов 110 §3.4 Расчет стримерного ДПИ 111

3.4.1 Выбор оптимальных параметров ДПИ 111

3.4.2 Однородность ДПИ по фактору режекции 113 §3.5 Особенности приготовления газовых и газопаровых смесей

динамическим способом для питания детекторов частиц 115

3.5.1 Приготовление газовых смесей с помощью поплавковых ротаметров (ПР). Предварительные замечания 115

3.5.2 Устройство и принцип действия поплавкового ротаметра 116

3.5.3 Способ калибровки поплавковых ротаметров 117

3.5.4 Об одной возможности определения отношения коэффициентов расхода 119

3.5.5 Приготовление газопаровых смесей с помощью

увлажнителей. Предварительные замечания 121

3.5.6 Принцип функционирования увлажнителя 121

3.5.7 Концентрации и парциальное давление компонент смеси 124 ГЛАВА 4. Радиаторы РПИ 128 §4.1 Нерегулярные радиаторы 128

4.1.1 Оптимизация ДПИ с пенопластовым радиатором.

Предварительные замечания 137

4.1.2 Постановка задачи и расчетные формулы 137

4.1.3 Результаты вычислений 140 §4.2 Регулярные радиаторы 142

4.2.1 Предварительные замечания 142

4.2.2 Регулярный пневматический радиатор РПИ 144

4.2.3 Регулярный радиатор из LiH для комптоновского

пучкового ДПИ. Предварительные замечания 146

4.2.4 Идеология пучкового ДПИ 146

4.2.5 Радиатор пучкового ДПИ 147

4.2.6 Частотный интервал 148

4.2.7 Фон 149

4.2.8 Результаты Монте - Карло вычислений 149 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 153 ЛИТЕРАТУРА 158 ТАБЛИЦЫ 176 РИСУНКИ 185

ВВЕДЕНИЕ

Изучение свойств электромагнитных волн, излучаемых равномерно движущейся в среде частицей, началось с открытия излучения Вавилова-Черенкова в 1934г. Если вначале рассматривались лишь оптические свойства излучения Вавилова-Черенкова, то позже оно прочно вошло в ядерную физику как один из главных методов идентификации частиц. Уже тогда было очевидно [1], что есть и другие явления, в которых оптические свойсва вещества существенны для излучения быстрой частицы. К их числу принадлежит переходное излучение (ПИ), предсказанное в 1946г. В.Л.Гинзбургом и И.М.Франком [2]. Переходное излучение возникает при пролете равномерно движущейся заряженной частицы через границу раздела двух сред с разными оптическими, характеристиками. Физически этот вид излучения связан с перестройкой электромагнитного поля частицы при переходе из среды с диэлектрической проницаемостью £1 в среду с £2- Впервые выражение для спектра ПИ с произвольными частотами было получено в работе [2]. Авторы рассматривали оптическую область ПИ и предлагали использовать его для определения и проверки оптических констант различных веществ. Высказывалась также мысль об использовании этого явления для регистрации быстрых частиц. С этой целью предлагалось воспользоваться прозрачными диэлектриками. Это дает возможность суммировать излучение от многих поверхностей раздела [3,4], увеличивая при этом общую интенсивность. Но если учесть, что минимальное расстояние между пластинами пропорционально длине волны излучения, то окажется, что для оптических частот и ультрарелятивистских частиц такие радиаторы ПИ приобретают фантастические размеры. Кроме того, теория ПИ предсказывала слабую, логарифмическую зависимость излученной энергии от энергии частицы.

В дальнейшем были выяснены и другие характерные свойства ПИ релятивистской частицы. Наиболее интересным из них является то, что спектр ПИ ультрарелятивистской частицы распространяется и на область рентгеновских и у-лучей, причем тем дальше, чем выше энергия частицы. Впервые этот факт был установлен Г.М.Гарибяном и К.А.Барсуковым в 1959 г., причем ими же было показано, что именно эта часть спектра существенна для регистрации частиц больших энергий [5,6].

Следует отметить, что в 60-е годы многие ученые, в том числе и сотрудники ЕрФИ, тесно связанные с исследованиями в области физики космических лучей, хорошо понимали, что не за горами время, когда физика элементарных частиц перешагнет рубеж энергий, где уже не могут применяться традиционные методы идентификации частиц, и большие надежды связывались с новым излучением, привлекательные свойства которого обещали этому явлению новые перспективы в экспериментальной физике высоких энергий (у =103 +105).

Существующие методы идентификации частиц могут эффективно использоваться лишь в ограниченных импульсных (энергетических) интервалах: время-пролетная техника до ~2ГэВ/с, пороговые черенковские счетчики до =20ГэВ/с, БС-счетчики -до ~200ГэВ/с и детекторы РПИ -для у>103. Для к-мезонов эти граничные значения соответствуют у=14; 140 и 1400. Так как ОГБС-счетчики применимы только для узких пучков параллельно падающих частиц, среди детекторов, обладающих универсальностью в использовании, имеется пробел в области 100<у< 1000, который можно перекрыть ионизационными идентификаторами, измеряющими релятивистский рост потерь энергии на ионизацию. Среди относительно новых разработок следует отметить черенковские ЫСН-счетчики с рабочим импульсом до ~65ГэВ/с.

Таким образом, при у>103 трудно найти альтернативу методу РПИ. Чтобы оценить ошибку в определении импульса частиц в детекторах, измеряющих )3, продифференцируем выражение для импульса Р=тру. Тогда АР/Р=у2А[3/[3. Обычное разрешение по скорости для газовых черенковских счетчиков Д(У(3=10~5. При фиксированном А|3/(3 ошибка в определении импульса растет как у2 и при у=103 и др/р=10"6 достигает 100%. Кроме того, стандартное оборудование на ускорителях при обсуждаемых энергиях приобретает критические размеры.

Таким образом, представляется особенно перспективным использовать возможности РПИ, измеряя вместо $ у-фактор частицы, что обеспечивает намного более чувствительный и недеструктивный метод. Хотя ошибка в измерении у(Ду/у) улучшается с ростом у (при соответствующей зависимости РПИ от у), тем не менее задача по определению энергии частиц по РПИ оказалась достаточно тяжелой и пока не решена. Поэтому широко используется та часть возможностей, которая не требует точного измерения у-это задача по режекции или идентификации частиц с разными массамй, причем чем больше

разность в массах, тем менее жесткие условия накладываются на разрешение Ду/у. Следовательно, наиболее легкой задачей является я/е-режекция, более трудной - идентификация р/тс и к/л: и наиболее тяжелой -р/к режекция.

Всем детекторам переходного излучения (ДПИ) независимо от методов регистрации квантов РПИ присущи общие особенности, обусловленные основными свойствами излучения, которые заключаются в том, что при у>103: 1)полная интенсивность Б излучения на границе среда-вакуум пропорциональна у (8=у), 2) угол излучения мал (Ф^_1), 3) число квантов с границы мало, порядка а=1/137 и 4) с ростом у имеет место интерференция излучения как в пластине, так и в стопке пластин, что приводит к насыщению излучения и к отсутствию зависимости от у. Следовательно, малость угла излучения требует прохождения частиц через ДПИ вместе с излучением. Малость числа квантов диктует создание радиаторов излучения из сотен пластин в одном модуле и создания многомодульных РПИ-систем. Явление интерференции ограничивает рабочий диапазон ДПИ по у, и чтобы обеспечить его расширение, необходимо обеспечить условие приводящее к увеличению размеров ДПИ как у2. Общими для всех ДПИ являются также проблемы их оптимизации.

Солидная доля исследований приходится на методы регистрации РПИ. В настоящее время выделяются два метода -метод полного энерговыделения (Е-метод) и метод регистрации числа квантов или кластерный метод (]Ч-метод). Е-метод был впервые предложен в работе [18] и реализован в [56]. В 1969 г. М.Л.Лорикяном было сделано блестящее предложение использовать для регистрации РПИ стримерную камеру с добавкой тяжелого газа Хе. Это предложение было реализовано в [19*-21*] и положило начало кластерному 14-методу. Уместно остановиться на той роли, которую сыграла работа [19*] в развитии направления, связанного с рентгеновским переходным излучением. Хотя факт существования РПИ отмечен 1959 годом, тем не менее этот вопрос не привлекал широкого внимания экспериментаторов примерно до 1969 г. К этому времени было опубликовано всего несколько работ в этой области, и многие вопросы представлялись не очень ясно. Отсутствовал широкий интерес к явлению РПИ, что частично объясняется слабостью самого эффекта, малостью угла излучения и тем, что не был решен вопрос радиатора РПИ, содержащего большое количество переходов и имеющего большую площадь, а частично тем,

что не была разработана методика разделения РПИ от проходящей частицы без магнитного отклонения.

Использование стримерной камеры в качестве детектора РПИ на заре развития этого направления имело не только научное значение. Как отмечал А.И.Алиханян в работе [57], "опыты со стримерной камерой резко изменили отношение физиков к явлению рентгеновского переходного излучения. Если до 1970 года интерес к РПИ был весьма сдержанным, как к некоему "академическому" эффекту, то после опытов со стримерной камерой, когда можно было визуально наблюдать следы фотоэлектронов, вызванных квантами РПИ, многим физикам стало ясно, что это явление, хотя и не очень интенсивное, но на его основе можно будет создать детекторы для идентификации частиц сверхвысоких энергий". По меткому выражению одного из французских физиков (Н.РезБагё) опыты со стримерной камерой явились триггером, запустившим механизм исследования РПИ.

Другой важный аспект работы [19*] заключается в том, что по предложению М.П.Лорикяна впервые в качестве радиатора использовалась нерегулярная среда - пенопласт, и было показано, что РПИ возникает не только в обычной стопке пластин, но и в нерегулярных пористых средах [22*]. Обнаружение РПИ в пористых средах имело большое значение, так как, с одной стороны, решало проблему создания радиаторов РПИ любых толщин и площадей, а с другой -вносило определенную ясность в понимание физики этого явления. Опыты со стримерной камерой продолжались до 1974 г. и, в основном, имели характер исследования свойств РПИ. Однако известные недостатки камерной методики (фильмовый съем информации, большое мертвое время системы, большое и опасное напряжение питания и т.д.), затрудняют использование оптической стримерной камеры в ускорительных экспериментах.

Дальнейшее развитие стримерный метод получил в 1983 г. в работе [38*,42*], где по предложению автора РПИ регистрировалось в режиме самогасящегося стримера (СГС), лишенного перечисленных недостатков. Идею регистрации РПИ в СГС журнал Сипег Сегп оценил как "свежую идею" [58]. Аналогичная работа была выполнена группой сотрудников из ИТЭФ в 1989 г. [59].

Следует отметить, что в начале 70-годов параллельно с интенсивными исследованиями свойств самого переходного излучения началась не менее

бурная подготовка к использованию детекторов РПИ в составе установок как на ускорителях, так и в экспериментах с космическими лучами. К счастью, к этому времени уже была подготовлена техническая, технологическая и электронная база, связанная с развитием с 1968 года техники шарпаковских камер. Наиболее значительным успехом, в то время достигнутым на ускорителях, является выделение Т-резонанса и событий от J/^P и ЧР-резонансов с помощью РПИ на основе пропкамер и литиевых радиаторов [60,61]. В течение этого же десятилетия был проведен ряд успешных экспериментов с космическими лучами на высокогорных станциях [62,63], спутниках [64] и шарах-зондах [65-67] по идентификации адронов и электронов. Во всех случаях применялись ДПИ той или иной конфигурации, и во многих случаях радиатором служил пенопласт. Авторы [65-67] специально отмечали, что такой радиатор является "очень эффективным и значительно упрощающим конструкцию".

За последние 15 лет направление РПИ получило дальнейшее развитие. Кроме уже осуществленных экспериментов, таких как Е769 [68], NA31 [69], Е715 [70], WA69[71], VENUS [72,73] и других, находятся в процессе сооружения крупномасштабные ДПИ как на коллайдерах, так и в экспериментах с фиксированной мишенью. Хорошим примером является строительство ДПИ на LHC (ATLAS) на базе пенопласта с вкрапленными в него регистраторами -тонкостенными трубками малого диаметра [74]. Поиск нейтринных осцилляций WA96 также не обошелся без ДПИ [75]. Здесь уже получены некоторые результаты. Крупномасштабные ДПИ предполагалось построить и для установок на УНК. В частности, наша группа (ЕрФИ) входила в коллаборацию ГИНЕС (Гибридный Нейтринный Спектрометр) с целью создания ДПИ больших размеров (ЗхЗх5)м3 на основе трубок (straw tube), функционирующих в СГС-режиме [50*]. В результате этих работ были созданы регистраторы РПИ [54] и новый пневматический радиатор РПИ [52*]. Консервация УНК привела к замораживанию этих работ, однако некоторые наработки, сделанные за это время, оказались полезными и для WA96. Наше сотрудничество с группой ДПИ для WA96 продолжается и по настоящее время. Сейчас, когда освоены энергии в сотни ГэВ и происходит переход к ТэВ-ным энергиям, можно сказать, что рентгеновское переходное излучение достаточно глубоко и всесторонне изучено как в теоретическом, так и в экспериментальном аспектах, и имеются многочисленные примеры использования его в целях идентификации частиц.

Обсуждаемой проблеме посвящены уже сотни работ. Как это происходило во времени за первые 20 лет, проиллюстрировано на рис.1, где отобраны экспериментальные работы оригинального характера путем исключения их дублирования в разных изданиях. Видно, что "спокойное развитие событий" происходит вплоть до 1970г. (стримерная камера). Затем наблюдается обвальный рост экспериментальных работ как по исследованию, так и использованию РПИ вплоть до 1983г. (регистрация РПИ в режиме самогасящегося стримера). Интересно отметить, что совокупность указанных работ ограничена стримерными методами регистрации РПИ.

Целью данной диссертации является обобщение работ, выполненных автором по исследованию свойств РПИ, особенностей его регистрации стримерными методами и развитию радиаторов излучения.

Диссертация, состоящая из введения, четырех глав и заключения, выполнена на 235 страницах, содержит 9 таблиц, 123 рисунка и 239 библиографических ссылок.

Во введении очень коротко приведена история открытия переходного излучения, показано место детекторов частиц, связанных с новым явлением, в ряду известных детектирующих систем. Отмечены общие требования, присущие всем типам ДПИ, и область наиболее массового их применения. Прослежены основные вехи в развитии нового направления.

Первая глава включает вопросы, связанные с современным