Детекторы кольца черенковского излучения RICH).

Основные свойства черенковского излучения

1. Свечение вызывают не γ-кванты, а заряженные частицы

(в опытах Черенкова - электроны), движущиеся в среде.

2. Свечение обладает направленностью - испускается под

определенным углом к направлению движения частицы.

3. Интенсивность излучения не зависит от среднего заряда Z ядер

среды, т.е. оно не может быть радиационного происхождения.

4. Спектр свечения является сплошным с максимальной

интенсивностью в синей части спектра.

Детекторы черенковского излучения. Основные свойства черенковского излучения.

Пороговые черенковские детекторы. Имеют способность регистрировать только те частицы, скорость которых превышает заданный порог, т.е. одно из основных применений черенковских детекторов – это дискриминация частиц по скоростям.

Дифференциальные черенковские детекторы. В отличие от пороговых черенковских детекторов, регистрирующих все частицы, скорость которых удовлетворяет условию v>с/n, дифференциальные детекторы регистрируют частицы в узком угле черенковского излучения Dq, что соответствует узкому диапазону скоростей Dv. Однако обычно говорят не о разрешении по скорости Δv, а о разрешении по относительной скорости Δβ.

Детекторы кольца черенковского излучения (RICH).

Ближнефокусные RICH.

Термин «ближнефокусные» - это попытка перевести английский термин «close proximity», фактически же в конструкции этих RICH вообще нет никакого фокуса, поскольку отсутствует фокусирующий элемент – зеркало. Это сильно упрощает конструкцию ближнефокусных RICH.

1. Свечение вызывают не γ-кванты, а заряженные частицы

(в опытах Черенкова - электроны), движущиеся в среде.

2. Свечение обладает направленностью - испускается под

определенным углом к направлению движения частицы.

3. Интенсивность излучения не зависит от среднего заряда Z ядер

среды, т.е. оно не может быть радиационного происхождения.

4. Спектр свечения является сплошным с максимальной

интенсивностью в синей части

спектра.

Детекторы кольца черенковского излучения RICH).

Первоначальная идея RICH довольно проста. Действительно, рассмотрим еще раз геометрию счетчика со сферическим зеркалом (Рис.17).

Рис.17. Принцип образования кольца черенковского излучения при отражении от сферического зеркала радиусом 2R.

Рассмотрим пространство между двумя сферическими поверхностями с радиусами R и 2R. Сфера с радиусом 2R – вогнутое зеркало.

Если сферическое зеркало имеет радиус 2R, то его фокусное расстояние равно R. Рассмотрим частицы, двигающиеся строго по оптической оси счетчика от фокуса зеркала к направлению зеркала. Фотон, испущенный из фокуса зеркала под черенковским углом q, по определению после отражения от зеркала пойдет по траектории, параллельной главной оптической оси (обозначим этот луч цифрой (1)) и, пренебрегая малой поправкой на разницу в кривизне двух сфер, пересечет фокальную поверхность (сферу радиуса R) на расстоянии от главной оптической оси r = Rtgq.

Покажем, что любой фотон, испускаемый из точки, находящейся на оптической оси правее фокуса при отражении от зеркала пересечет фокальную поверхность на том же самом расстоянии от оси r = Rtgq.

Возьмем, например, фотон, испускаемый из точки, находящейся на расстоянии «х» от зеркала под углом q (луч 2). Поскольку луч 2 – расходящейся, его мнимое изображение будет лежать правее поверхности зеркала.

Из формулы зеркала можно записать:

; где f – фокусное расстояние равное R,

х – расстояние от источника до зеркала,

d - расстояние от зеркала до изображения (мнимого),

С учетом этого:

, или х = ;

Тогда tg = ;

Высота H, на которой отраженный луч пересечет фокальную поверхность, с точностью до малых поправок на разницу в кривизне сфер R и 2R, равна: Н = (R + d)tgj = (R+d)Rd tg θ/ d (R+d) = Rtgq

Что и требовалось доказать! Это же рассуждение справедливо для любого луча 3, испущенного под углом θ. Выведенные формулы строго точны для зеркал с бесконечно малой кривизной.

Эти тривиальные соображения, открывают однако, совершенно новые возможности для конструирования дифференциальных черенковских счетчиков RICH, позволяющих одновременно измерять скорость различных частиц в широком диапазоне скоростей.

Обратим внимание, что выше уже в неявном виде мы приняли, что основным детектирующим прибором черенковских фотонов является газовая многопроволочная микростриповая или микропэдовая камера, расположенная на сфере радиусом R. Фактически нет никакой необходимости делать камеру сферичной, возникающие искажения, вызванные несферичностью, можно учесть при обработке данных.

Один из простых вариантов такой газонаполненной камеры приведен на рис.19.

Рис.19. Схема многопроволочной камеры для регистрации фотонов RICH.

Ультрафиолетовое черенковское излучение, проходя через прозрачное к этому излучению окно, попадает в конверсионный газовый объем, где происходит фотоионизация газа.

Это – самый важный этап работы камеры. Дело в том, что обычные газы, применяемые для работы в пропорциональных камерах имеют потенциал ионизации 13 – 15 эВ, что значительно выше границы ближнего ультрафиолета.

Видно, что черенковское кольцо проведено через ограниченное (~10) точек, что достаточно для восстановления радиуса и центра кольца. Обращает на себя внимание, что для проведения окружности требуется всего три точки, однако на практике с учетом неизбежных фоновых событии для надежной идентификации требуется порядка 10 точек.

Рис. 20. Примеры регистрации колец черенковского излучения с помощью камеры, приведенной на Рис 19. Квадратами показаны области, где наблюдались электронно - фотонные лавины регистрируемой мощности.

Дата добавления: 2015-07-26