Рометри повного поглинання (калориметри)
Джерело енергії, що неефективно реєструється
з малоюЕ, при якій мало
Низькоенергетичніеn, . Уламки ядер, ,
Джерело найбільшої флуктуації
Глибина першої взаємодії
Глибина першої взаємодії таЕ, передана o -мезону
Типи спектрометрів повного поглинання
Конструктивно СПП діляться на два типи - гомогенні та гетерогенні. У гомогенних робоча речовина одночасно є і детектором енергії, що виділилася в СПП. Прикладом може служити СПП на основі рідкого Ar, в обсязі якого розташовуються дротяні електроди ІЧ або ПК.
Гетерогенний СПП є "сендвіч" з переміжних шарів робочої речовини (поглиначів) і детекторів. Використання поглинача з великимZіxнабагато меншою за довжиною, ніж у детектора, робить гетерогенний СПП набагато компактніше і дешевше порівняно з еквівалентним поtгомогеним.
Детектори СПП реєструють або іонізаційні втрати (іони та (або) електрони, сцинтиляції) або черенківське випромінювання. Як детектори використовуються іонізаційні (ІЧ), пропорційні (ПК) камери, сцинтиляційні та черенківські лічильники. Робоча речовина може бути твердою, рідкою і газоподібною.
Геометричні розміри СПП обох типів у випадку вибираються за однаковими критеріями. В основі критеріїв лежить експериментальне або розрахункове визначення повної довжини і ширини зливи.
Поздовжній(за імпульсом початкової частки) розмір зливи. На рис.5.3 [5] і 5.4 [6] наведено енергетичні дозволи Eдля різнихE0 залежно відtдля електронів і від x [г/см 2] для адронів. Як видно з малюнків, при даній E0, починаючи з деякого значення глибини,Eперестає від неї залежати. Це відбиває той факт, що злива повністю укладається на цій довжині і виготовляти СПП більшої довжини сенсу не має.
Поперечнийрозмір (радіусr) зливи визначається, в основному, виходом з чутливої області СПП для е/м зливи -квантів з мінімальним коефіцієнтом лінійного поглинання і для адронної зливи - нейтронів з енергією порядку декількох МеВ та малим перетином взаємодії. Для е/м зливиrвизначають у радіусах Мольєра:rM =Esx0/Ec, деES= 21,2 МеВ. На рис.5.5 наведено залежність витоку енергії за радіусrзалежно відr/rM [7].
Як видно, у цих одиницях витоку енергії слабо залежать від речовини і 99% енерговиділення відE0 лежить усерединіr3rм. Для адронів досліджувалася залежністьEвідrв г/см 2 . На рис.5.6 наведено результати дляE0=20 ГеВ щодо різних довжин СПП [5]. Як видно, починаючи зr3яд залежність відrзникає.
Так як методика вимірювання енерговиділення зливи і джерела похибок при вимірюваннях енергії істотно залежать від типу СПП, розглянемо їх окремо.
Вимірювання енергіїEзливи в гетерогенному СПП.Товщини шару поглиначаtп і детектораtд, що примикає до нього, обрані так, щобtп>tд. Тому втрати енергії Eп>Eд. Повна енергія, що виділилася в поглиначі n, може бути записана, як
де п=dE/dt- втрати енергії в поглиначі, - число частинок вi-му шарі поглинача,ti, ef=ti/ - ефективна товщина шару, - середній косинус кута нахилу трекучастинок під час проходження шару. Аналогічно дляi-го детектораdможемо записати
Так як товщина tn, то можна вважати, що
.
деA- амплітуда з детектора. Як видно з наведених міркувань, основне припущення при використанні гетерогенного СПП - рівністьniв поглиначі та детекторі, що реально не так і це робить свій внесок у похибку виміряної енергії.
Енергетичний дозвіл гетерогенного СПП.Механізми розвитку е/м та ядерних злив у щільній речовині мають суттєво різний характер, що призводить до різного відгуку спектрометра на адрони та електрони (-кванти). У кінцевому підсумку в е/м зливі вся енергіяE0 перетворюється на (dE/dx)іон. У ядерному каскаді енергія дисипує такими каналами:
б) продукти розвалу ядер,
г)нейтрони з енергією кілька МеВ.
У кожному з цих каналів частина енергії частково чи навіть повністю не перетворюється на іонізацію. Наприклад, не реєструється енергія нейтрино. Релятивістський мюон йде з обсягу СПП, втрачаючи малу частку своєї енергії. Продукти розвалу ядер мають малий пробіг у поглиначі і тому їх вихід із поглинача в детектор малоймовірний. Сильноіонізуюча (що має великий зарядZ) частка, потрапивши в детектор, швидко рекомбінує, в результаті чого тільки частина її енергії перетворюється в іонізацію. У детекторі на рідкому Ar, наприклад, це становить лише 1020% від енергії частки. І, нарешті, нейтрони з енергією в кілька МеВ, як згадувалося вище, мають малий переріз взаємодії та залишають об'єм СПП без втрати енергії. Таким чином, у ядерному каскаді частина енергії не реєструється СПП. Сумарно втрати "видимої" енергії досягають 1530% відE0. Похибка у визначенні енергіїE0 в е/м СПП визначається наступними флуктуаціями енерговиділення в детекторі: 1) семплінг-флуктуації; 2) флуктуації довжин треків; 3) флуктуації Ландау. Флуктуації довжин треків обумовлені електронами, що проходять через детектор під великими кутами, що мають у ньому довгий шлях (їх називають довгопробіжні електрони) і тому такими, що втрачають у детекторі набагато більше енергії, ніж вона втрачається в середньому. Флуктуацію числа частинок, що вийшли з поглинача, називають семплінг-флуктуацією. Вона зростає зі збільшенням товщини поглинача та зменшується зі зростанням енергіїE0.
На рис.5.7 [8] представлена залежність E/EвідEдля кожного типу флуктуацій для СПП з 1 мм Pb-пластин та аргонових пропорційних лічильників. Сумарна роздільна здатність для гетерогенних електромагнітних спектрометрів дорівнює E/E 0,2/(тутEв ГеВ). У адронних СПП крім перелічених вище джерел флуктуацій великий внесок, який можна порівняти зі своїми сумарним вкладом в
Рис.5.7 енергетичний дозвіл СПП, дає присутність неспостережуваної частини енерговиділення. Це призводить до того, що енергетичний дозвіл адронних СПП в 34 рази гірше, ніж е/м.
Істотного поліпшення вдалося досягти, використовуючи як поглинач пластини з урану. Швидкі нейтрони зливи викликають поділ та збудження ядер урану. В результаті продукти реакцій - уламки ядер (частково) та -кванти реєструються детектором.
На рис.5.8 [9] представлені експериментально виміряні залежності амплітуди з залізо-аргонових та урано-аргонових спектрометрів від енергії та типу пучкової частинки. Видно, що співвідношення енергії, що реєструється для адронного Fe-СПП на 30% менше, ніж для е/м, а адронного U-СПП і е/м близькі. При цьому в U-СПП суттєво покращуєтьсяенергетичний дозвіл:
Fe-СПП E/E=(0,70,9)/, для U-СППE/E= 0,35/, деЕв ГеВ. У табл.5.2 наведено характеристики поглиначів, що використовуються в гетерогенних СПП.