Ливневый спектрометр электронов и гамма-квантов

Союз Соеетских Социалистических РеспубликОП ИКАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(23) Приоритет Н 01 У 39/34 Государствеииый комитет СССР по делам иэобретеиий и открытий(72) Автор изобретения Л. В. Сильвестров Объединенный институт ядерных исследований(54) ЛИВНЕВЫЙ СПЕКТРОМЕТР ЭЛЕКТРОНОВ И ГАЯИА в КВАНТ 10 Изобретение относится к технике детектиро вани я и и з мерен и я эн ер гий электронов и гамма-квантов.В изобретении усовершенствуется один из видов спектрометров электронов и гамма-квантов, а именно ливневый спектрометр полного поглощения.Известны различные спектрометры, предназначенные для регистрации ядерных излучений (11.Ближайшим к заявляемому является ливневый спектрометр электронов и гамма-квантов, содержаший слои вешества-конвертора и датчики числа вторичных частиц ливня 2).Энергия первичной частицы определяется по числу вторичных частиц ливня, которые регистрируются ионизационными камерами или газовыми20 пропорциональными счетчиками .Недостатком этих спектрометров является большое время срабатывания (и 1 мкс), связанное со скоростью дрейфа электронов в газах (10 см/с).25ь Другим их недостатком является то, что такие спектрометры имеют низкий коэффициент разделения электронно- фотонных и ядерных ливней, поскольку адроны в ядерных ливнях имеют такую же или большую ионизующую способность, что и вторичные электроны в электронно-фотонных ливнях, Кроме того этим спектрометрам присущ эффект насышения, выражающийся в том, что нри большом числе ионизующих частиц в ливне, что соответствует большой энергии первичной частицы, нарушается линейность между энергией ливня и выходным сигналом спектрометра.Цель изобретения - увеличение быстродействия, улучшение разделения электронно-Фотонных и ядерных ливней и расширение диапазона измеряемых энергий в область сверхвысоких энергий.Поставленная цель достигается тем, что спектрометр содержит детекторы числа вторичных частиц ливня, выпОлненные в виде вакуумных конденсаторов, соединенных с источником высокого напряжения и измерительным устройством, например, анализатором импульсов, При этом электроды электрически изолированы от слоев конвертора, а между электродами создано электрическое поле с помощью внешнего источника напряжения.Расчет ожидаемой величины сигнала при различных энергиях первичной частицы производится следующим образом,личе о на ряже стиц напр созда енциал П н, напред ст ай конмет под бой ких ряж ный пласт ение О, .плоск зарядо нии эл а обкл которы ляет с денсат движущ кого и разнос р. Чаяся вля Е,ь пот 6ктричесдках л Электроды могут быть расположенылибо приблизительно параллельно продольной оси спектрометра,совпадающей с направлением движения первичной частицы (продольное расположение), либо приблизительно перпендикулярно к ней(поперечное расположение). В последнем случае вещество электродов может одновременно служить конвертором для развития ливня. Расстояниемежду электродами выбирается тогоже порядка или больше, что и поперечные размеры ливня в спектрометре.Число вторичных частиц ливня измеряется по наведенному на электродахзаряду, вызванному движением заряженных частиц вдоль направления электрического поля,На фиг. 1 приведена схема предлагаемого спектрометра с продольнымрасположением электродов; на фиг. 2схема спектрометра, вариант выполнения.Спектрометр содержит слои 1 вещества в конверто, электроды 2, вакуумный кожух 3, клемму 4 для присоединения к источнику высокого напряжения, высоковольтный ввод 5, резистор б, с которого снимается выходной сигнал, электрод-конвертор7, высоковольтный электрод 8, ввод9 высоковольтного электрода и клемму 10 для подачи высокого напряжения,При попадании электрона или гамма-кванта в спектрометр в слоях 1конвертора развивается электроннофотонный ливень. Заряженная компонента ливня состоит из электронов и позитронов число которых равно друг другу. Электроныи позитроны, попадая в зазор междупластинами 2, под действием электрического поля отклоняются в противоположные стороны: электрон - в сторону положительно заряженной пластины, позитрон - в сторону отрицательно заряженной пластины. При этом напластинах наводится заряд и в цепирезистора б возникает сигнал, который затем усиливается и анализируется обычными электронными схемами.(4) 15где диэлектрическая постоянная среды;д - ширина пластины;длина пластины;щ - масса частицы;ЬС- скорость частицы;с - угол между направлениемдвижения частицы в момент ее выхода из конвертора и осью спектрометра.Объединяя формулы (1) - (4), получим: 25 2 йод(5) ых ливней ливне й, ливни Иу й энергиугол мнот яжелых равны соСогласно теории кас2) полное число частиисло частиц в максимуисло частиц с кинетичй меньше Е (Й) и среократного рассеяния Алементов и больших угтветственно:о Е ад е сконийдляов ч 0ек где Е - энергий пер 50 рона или га Е р - критическая кР ва конверто Из формул (8) и около 80 частиц лив гию меньше критическ 55 на угол + 80 о т е вертора практически Для упрощения рас жим, что первичные узком пучке вдоль о 60 рометра, а в паре вт электрон-позитрон о ходят из конвертора лении. Выбирая разм 6 = 10 см, число пром 65 н апр яжен ие на электвичного эл т -мма-кванта;энергия вещестра.9) следует,чтоня имеют энерой и рассеянывыходят из конизотропно.четов предполочастицыидут всевой линии спекоричных частицбе частицы выв одном направеры О=3 = 20 см,ежутков 20 иродах 200 кВ,где Хо - расстояние, пройденное частицей в направлении поля(в данном случае перпендикулярно пластинам);д - расстояние между пластинаС - емкость конденсатора.Из формул электростатики получа 741351получим следующую величину сигнала(суммированную по всем промежуткамдля различных энергий первичногоэлектрона или гамма-кванта:Е. В ч мВ10 0,3 51010 30Для усилителей с входным каскадом на полевом транзисторе уровеньсобственных шумов и собственная емкость составляет соответственно5 мкВ и 2 пф (3) . При 20 промежутках суммарный шумовой сигнал составляет0,1 мВ. Отсюда следует, чтосигнал от электронно-фотонного ливня можно уверенно регистрировать,начиная с энергии первичнойчастицыв (2-3) 10" эВ (200-300 ГэВ)В случае расположения электродовперпендикулярно оси спектрометра(поперечное расположение) заряд на 20пластинах будет наводиться за счеттого, что при попадании в зазор между электродами, частицы с одним знаком заряда будут ускоряться, а с противоположным - тормозиться. Максимальная величина наведенного зарядасигнала Ч= 0(С будет соответствоватьслучаю, когда одна частица заворачивается назад электрическим полем.Это условие выполняется, когда энер- ЗОгия частицы, выраженная в электронвольтах, меньше разности потенциалов между пластинами, выраженной ввольтах. Считая, что в среднем частицы вылетают из конвертора под уг- З 5лом 45 , получим, что оптимальное "соотношение между размерами электродов площадью 5=с 1 Ь и расстоянием между электродами Д будет О= Ъ=Зд. По-.скольку .при таком соотношении размеров емкость С будет примерно на порядок больше, чем при продольномрасположении электродов, данную конфигурацию целесообразно применять,когда конвертор выполнен в виде одного слоя, толщина которого соответствует максимуму каскадной кривой .Поскольку сам конвертор может служить электродом, конструкция спект рометра существенно упрощается(фиг. 2) . 50Пользуясь формулами, приведенны-ми выше, и выбирая размеры а=1=30 см,д "10 см, 0= 20 кВ, получим следующую величину сигнала для различныхэ нергий первичной части цы: 55Еэв Ч м 51 011 0,210" 2. 10 20Из формулы (5). следует, что вели- бОчина сигнала обратно пропорциональнамассе частицы ъ.Масса . наиболее легкого адрона (пиона) приблизительно в300 раз больше массы электрона, по-.этому адроны, как фонового происхож" 65 дения, так и возникшие в результатеядерных взаимодействий в веществеконвертора, практически не будутрегистрироваться,Время 6 нарастания сигнала определяется временем пролета частиц через спектрометр и при длине промежутка 10 см составит1 нс для одного,промежутка 06 нс для 20 промежутков (в последнем случае 1 определяется наиболее энергичными частицами.ливня, для которых с :4). Мертвоевремя зависит от схем усиливающей ианализирующей электроники и можетбыть сделано 10 нс.Отметим, что величина сигнала пропорциональна напряженности электрического поля Р . Электрическая прочность вакуума при расстояниях междуэлектродами порядка десятков сантиметров позволяет создавать поля напряженностью 100 кВ/см. При наличии соответствующих .высоковольтныхисточников, можно получить сигнал /на два порядка больше, чем приведенных выше расчетах, где принималось Е = 1 кВ/см.Таким образом предлагаемый спектрометр обладает быстродействием10 имп/с, лишен эффекта насыщения,присущего ионизационным приборам,что позволяет расширить область измеряемых энергий в область сверхвысоких энергий и обладает повышеннойспособностью разделения электроннофотонных и ядерных ливней.Спектрометр может быть примененв экспериментах на пучках электронови гамма-квантов с энергией 100 ГэВна ускорителях и для регистрацииэлектронов и гамма-квантов космичес-.кого происхожденияВ последнем случае особенно важно иметь простые и 1дешевые спектрометры, покрывающиебольшие площади (порядка сотен квадратных метров)Спектрометр можеттакже использоваться в сочетании сдругими детекторами космических лучей, например, сендвичами из слоевсвинца и рентгеновских пленок. Спектрометр также может быть применен впланируемых экспериментах по регистрации нейтрино нарасстоянии примерно 1000 км от их источника (ускорителя),Формула изобретенияЛивневый спектрометр электронов и гамма-квантов, содержащий слои вещества-конвертора и датчики числа вторичных частиц ливня, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения быстродействия, улучшения разделения электронно-фотонных и ядерных ливней и расширения диапазона иэмеряежх энергий в область сверхвысоких энергий, он содержит детекторы числа вторичных частиц лив741351 ня, выполненные в виде вакуумных конденсаторов, соединенных с источником высокого напряжения и измерительным устройством.Источники информации, принятые во внимание цри экспертизе Составитель Б. Рахманоевич Техред Н,Ковалева Шекмар М ррек едакт писн аказ митета СССРоткрытийаская наб., д илиал ППП Патент, г. ужгород, ул. Проект 1/8 ЦНИИП по 11303Тираж 844 Государственного елам изобретений Москва, Ж, Ра 1, Патент Великобритании9 1469415, кл. Н 1 Р,опублик, 06.04.77.2. Росси Б. Частицы больших энергий. М., Гостехиздат, 1955, с. 380 (прототип).