Ливневый спектрометр электронов и адронов

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН юС 01 т 1 И 49/ САНИ мвгеек ъ ЕТЕЛЬСТВУ 768/18-251. 835.85. Бюл Р 19Сильвестровиненный инсти 21) 3 22) 2 ер ольши 1953,е излучеяционны ольши 105(54)(57)РОНОВ И АД ТР ЭЛЕКТ- металлиНЕВЫЙ СПЕКТР НОВ, содержа ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ССС ДЕЛАМ ИЗОЬРЕТЕНИЙ И ОТНЯТ(прототип). ЯО 1115590 А БРЕТЕНИЯ ческие пластины конвертора, детекторы заряженных частиц, источник напряжения и первый анализатор импульсов, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью расширения диапазонаизмеряемых энергий и повышения точности измерения, увеличения быстродействия и обеспечения раздельнойрегистрации электронно-фотонных иядерных ливней, детекторы заряженныхчастиц выполнены в виде слоев эмиттера, нанесенных на пластины конвертора, помещены в вакуумный объем исоединены церез резистивный делительс источником напряжения, при этом вспектрометр введен второй анализаторимпульсов, а пластины конверторасоединены через одну с первым и вторым анализаторами импульсов.1 1115Изобретение относится к технике детектирования и измерения энергий электронов и адронов больших энергий, в частности к одному из видов спектрометров электронов и адронов 13.Езвестны различные спектрометры, предназначенные для измерения энергии частиц в области ее больших значений: черенковские спектрометры на основе тяжелого стекла или спектрометры на основе твердых кристаллических сцинтилляторов Г 2 1.Ближайший к предложенному спектрометру является ливневый спектрометр, содержащий металлические пластины"конверторы, сцинтилляционные детекторы заряженных частиц, источник напряжения и первый анализатор импульсов 3 1.Принцип работы этих спектрометров состоит в том, что электрон или адрон, проходя спектрометр расходует свою энергию на создание ливня вторичных частиц в пластинах конвертора. Число вторичных частиц., пропорциональное энергии первичной частицы, регистрируется сцинтилляционными детекторами, включающими сцинтилляторы, световоды и Фотоумножители. При этом ливень, вызванный электроном или гамма-квантом, содер- ф жит только частицы электромагнит,:,ой природы (электроны или Фотоны), . а ливень, вызванный адроном содержит также ядерноактивные частицы (ацроны и-ядерные осколки). Последние отно сятся к сильноионизующим частицам: их ионизующая способность на несколько порядков больше, чем у электронов и позитронов.Основными характеристиками этих 4 О спектрометров являются: точность измерения энергии первичной частицы, быстродействие и воэможность раздельной регистрации ливней, вызванных электонами или адронами, 45Указанный спектрометр имеет следующие недостатки:1, Ограничение на точность измерения :нергии в области ее больших значений 1,больше 100 ГэВ), Относи- Ы тельная точность измерения энергии описывается выражениемА -где Е " энергия первичной частицы,ГэВ; 1 - толщина пластины конвертора 590 2в радиационных единицах; коэффициенты К, В и с отражают вклад Флюктуаций в числе частиц ливня, в числеФотоэлектронов на фотокатоде ФЭУ ив процессах светосбора в сцинтилляторах и световодах. Их типичная величина К =143, 6: 4 Е и с "- 2%. Как видно изприведенной Формулы, относительнаяточность измерения энергии повышаетсяс ее ростом до величины около 100 ГэВи при дальнейшем повышении энергииостается на постоянном уровне,2. Недостаточное быстродействие.Оно определяется временем срабатывания сцинтилляционных детекторов, которое составляет приблизительно50 нс, Отсюда величина быстродействия составит 2 х 10" с.3Отсутствие возможности раздельной регистрации электронноФотонныхи ядерных ливней. По величине сигналав сцинтипляционных детекторах нельзяопределить, какого типа ливень развился в спектрометре.Устранение этих недостатков имеетсущественное значение при использовании спектрометров на ускорителяхпоследнего поколения, имеющих энергиючастиц до 1000 ГэВ и большую интен"сивность пучков частиц, а также приисследовании редких процессов с рождением электронов и гамма-квантов.Цель изобретения заключается врасширении диапазона измеряемых энергий и повышении точности измерения,,увеличении быстродействия и обеспеч:ния раздельной регистрации электронно-Фотонных и ядерных ливней.Цель достигается тем, что в ливневом спектрометре электронов и адро"нов, содержащем металлические пластины конвертора, детекторы заряженныхчастиц, источник напряжения и первыйанализатор импульсов, детекторы заряженных частиц выполнены в виде слоевэмиттера, нанесенных на пластиныконвертора, помещены в вакуумныйобъем и соединены через резистивныйделитель с источником напряжения,при этом в спектрометр введен второйанализатор импульсов, а пластины кон"вертора соединены через одну с первым и вторым анализаторами импульсов.Конструктивно спектрометр выполнен в виде модулей, из которых можнополучить сборку необходимых размеровНа чертеже приведена схема одногомодуля спектрометра.590 4 и остальных четных промежутках - при прохождении только сильноионизующих частиц. Последние рождаются в ядерных ливнях и отсутствуют в электронно- фотонных,.Таким образом, величина сигнала, измеряемого анализатором 9, будет пропорциональна полному числу частиц ливня, т.е. энергии первичной частицы, а величина сигнала, измеряе" мого анализатором 10, будет пропорциональна числу сильноионизующчх частиц, т.е. будет указывать на природу ливня (ядерный или электронно- фотонный).Расчет характеристик предлагаемого спектрометра производится следующим образом.Согласно формулам электростатики величина сигнала в вольтах при парал лельном соединении ь пластин равна Через делитель источника напряжения б на пластины 1 подается постоянное напряжение. Величина сопротивления резисторов выбирается такой,чтобы в промежутках между пластинамив чередующемся порядке создавались 30электрические поля напрчженностьюприблизительно 40 кВ/см (например,в первом со стороны входа пучка иостальных нечетных промежутках) их 20 кВ/см (во втором и остальных З 5четных промежутках). При попаданиив спектрометр электрона или адронав пластинах 1 развивается электроннофотонный или ядерный ливень. Заряженные частицы ливня, проходя через 40слои эмиттера 3, вызывают в них вторичную электронную эмиссию, Вторичные электроны собираются на последующих пластинах конвертора. Наведенный ими заряд через переходные Вконденсаторы 8 передается на анализаторы 9 и 10 импульсов, которые изме"ряют его величину. Количество вторичных электронов и создаваемый ими заряд зависитот состава эмиттера,напряженности электрического поля и ионизующей способности частиц ливня. Например, для эмиттера, состоящего иэ И 80и при указанной величине электрического поля,в первом иостальиых нечет 55,ных промежутках вторичные электроныбудут испускаться при прохождениивсех заряженных Частиц, а во втором(4) В, тэВ мВ И)Ы,0,1 0,05 1,310 0,5 0,410 5,0 0,13Величина сигнала на входе анализа 3 1115Пластины 1 конвертора помещены в вакуумном объеме, созданном внутри кожуха 2. На одной стороне пластин, противоположной входу пучка, нанесены слои эмиттера 3. Пластина 4 служит анодом, на котором собираются электроны, испускаемые эмиттером, нанесенным на последней пластине 5 конвертора. Пластины 5 со слоями эмиттера 3 представляют собой детекторы заряженных частиц. Пластины 1 соединены с делителем источника напряжения 6, собранным из резисторов 7, и через переходные конденсаторы 8 - с анализаторами импульсов 9 и 10. Соедине- - ние пластин с анализаторами сделано через одну: первая и последующие нечетные пластины соединены с анализатором 10, а вторая и последующие четные пластины - с анализатором 9, Зажим 11 служит для подачи высокого напряжения на делитель.Спектрометр работает следующим образом. Е КЛ 1 Ед кя (2) с и ВЗдесь е " заряд электрона С - емкость одного промежутка; 5 - площадь пластин; Ы - расстояние между ними;электрическая постоянная и системе СИ;- средний коэффициент вторичной эмиссии; Н - среднее число ливневых частиц во всех промежутках. Для пластин свинца толщиной 1 радиационных единиц н рассчитывается из формулы Н= 50 Е Ф. (3) Здесь Е- энергия первичной частицы, ГэВ.Точность измерения энергии (энергетическое разрешение) согласно теории лавинных процессов будет равна Для регистрации электронно-фотонных ливней оптимальная площадь одного модуля равна примерно ЗхЗ см . Зада вая с = О, 1 см,= 1 р.е,= 20и К = 10, получим величину сигнала на входе анализатора 9 и энергетическое разрешение при разных энергиях". тора 10 будет такого же порядка, учитывая, что доля сильноионизующихчастиц составляет 0,1 от полного чис"1115590 НИИПИ Заказ 28895 Тираж 748 Подпис иал ППП "Патент Ужгород, ул.Проектная, 4 ла частиц в ливне, а значение к для них примерно на порядок больше.Чувствительность входа современных анализаторов импульсов не менее 5 мкВ. Таким образом, начиная с энер гии 0,1. ТэВ 100 ГэВ), сигнал спектрометра будет уверенно регистрироваться.Величину выходного сигнала снектрометра можно увеличить, если прило ц жить к пластинам конвертора импульсное напряжение длительностью в доли .микросекунды от генератора, запускаемого внешним детектором. В этом случае количество вторичных электронов 15 может возрасти на 2 - 3 порядка.В предлагаемом спектрометре время собирания вторичных электронов на пластинках конвертора составит 1 нс. Отсюда его быстродействие будет рав- В но 10. с Таким образом, предлагаемый спектрометр позволяет расширить диапазон измеряемых энергий в область выше 100 ГэВ при одновременном повышении точности измерений от 10 до 100 раз по сравнению с базовым объектом, увеличить быстродействие в 50 раэ и обеспечивает возможность раздельной регистрации электронно-Фотонных и ядерных ливней Предлагаемое решение является технически осуществимым, учитывая, что техника нанесения слоев эмиттера на металлические пластины хорошо раз- работана и применяется, например, при производстве фотоумножителей,Спектрометр может быть использован как на ускорителях больших энергий, так и в экспериментах с космическими лучами.