Взаимодействие фотонов с ядрами в области больших переданных импульсов Кречетов Юрий Федорович

Содержание к диссертации

Введение

1 Базовая аппаратура экспериментов . 9

1.1 Введение 9

1.2 Установка для регистрации двух 7-квантов 9

1.2.1 Характеристики используемых нами черенковских 7-спектрометров полного поглощения 10

1.2.2 Конструкции элементов установки 15

1.2.3 Выводы, комментарий 18

1.3 Установка с черенковскнми спектрометрами 18

1.3.1 Выводы, комментарий 24

1.4 Измерение координатного разрешения 24

1.4.1 Выводы, комментарий 36

1.5 Исследование э/м калориметров 37

1.5.1 Исследование температурной зависимости световы-хода 39

1.5.2 Исследование макета ЭМК на основе вольфраматов 44

1.5.3 Выводы, комментарий 51

1.6 Сильнофокусирующий магнитный анализатор 53

1.6.1 Расчет характеристик анализатора . 54

1.6.2 Калибровка анализатора с помощью радиоизотопных источников а-частиц . 56

1.6.3 Выводы, комментарий 63

2 Асимметрия фоторасщепления дейтрона . 64

2.1 Введение 64

2.2 Пучок поляризованных фотонов 66

2.3 Экспериментальное оборудование .- 67

2.4 Проведение измерений 70

2.5 Обработка и анализ результатов измерений 71

2.6 Выводы, комментарий 76

3 Изучение реакции (7,тг р) 78

3.1 Введение 78

3.2 Условия эксперимента и аппаратура 80

3.3 Измерение сечения реакции (7, я) на протоне 87

3.4 Измерение выходов реакции (7, тг р) на ядрах '91

3.4.1 Оценка вклада фоновых реакции 95

3.5 Анализ экспериментальных выходов реакции 97

3.5.1 Расчеты с плоскими волнами 97

3.5.2 Учет взаимодействия в конечном состоянии 102

3.6 Анализ и обсуждение результатов 109

3.7 Выводы, комментарий 115

4 Фотообразование отрицательных пионов . 117

4.1 Введение 117

4.2 Аппаратура, условия эксперимента 118

4.3 Результаты измерений 123

4.4 Анализ результатов 124

4.5 Выводы и комментарий 131

5 Оценка Д(1232)-компоненты в ядре 12С 133

5.1 Введение 133

5.2 Аппаратура, условия эксперимента . 135

5.3 Анализ данных 141

5.3.1 Модель фотовыбивания Л-изобары из ядра 142

5.3.2 "Valencia model" 145

5.3.3 Определение сечения реакции 147

5.3.4 Импульсное распределение Д-изобар 151

5.3.5 Оценка числа Д-изобар в ядре 12С 153

5.4 Выводы и комментарий ; 155

5.0 Заключение 157

• Характеристики используемых нами черенковских 7-спектрометров полного поглощения
• Калибровка анализатора с помощью радиоизотопных источников а-частиц
• Измерение сечения реакции (7, я) на протоне
• Модель фотовыбивания Л-изобары из ядра

Введение к работе

Актуальность проблемы.

Создание микроскопической теории ядра, несмотря на многолетние значительные усилия физиков, по-прежнему встречает серьезные трудности, связанные с построенпем нуклон-нуклонного потенциала и проблемой многих тел. Решение проблемы многочастичных взаимодействий ограничивается в настоящее время ядрами с атомным номером около восьми из-за недостаточной мощности современной вычислительной техники. Нуклон-нуклонные потенциалы, получаемые из данных по нуклон-нуклонному рассеянию, не определяются однозначно, в то же время различные фазовоэквивалентные потенциалы приводят к разным результатам при применении их к связанным нуклонам. Нет теоретических критериев для выбора из множества эквивалентных потенциалов "правильного". В первую очередь это относится к ключевой проблеме современной ядерной физики, а именно нуклон-нуклонным взаимодействиям на средних и малых расстояниях. Опубликовано большое количество теоретических и экспериментальных работ, в том числе и в последние годы, но прогресс в изучении нуклон-нуклонного взаимодействий, особенно на малых расстояниях, очень медленный. Появляются все более изощренные нуклон-нуклонные потенциалы, которые тем не менее плохо описывают совокупность экспериментальных данных при применении их к реальным ядрам и реакциям, особенно в области больших переданных импульсов. Существуют аргументы против традиционной концепции ядерных сил, обусловленных однобозонным обменом между нуклонами (см., например, В.И. Кукулин, Сборник трудов, посвященный памяти Р.А. Эрамжя-на "Современные проблемы физики ядра и частиц", РАН, ИЯИ, М, (1999) 159). Приводятся аргументы, что без кварк-глюонных степеней свободы невозможно, по видимому, описать область малых меж-нуклонных расстояний. В этих условиях представляется важной дополнительная экспериментальная информация о структуре ядра, получаемая при изучении процессов взаимодействия частиц с атомными ядрами, которые служат "фильтром" для NN-потенциалов и моделей ядер.

В физике нуклон-нуклонного взаимодействия обычно разделяют три характерные области:

- Область больших расстояний (г > 2 Фм ~ 1.5 т~^х). где доминирует однопионный обмен и количественное поведение нуклон-

нуклонного потенциала хорошо определено.

Промежуточная область (0.8 Фм < г < 2 Фм), где динамические вклады от двухпионного обмена конкурируют или превосходят потенциал однопионного обмена.

Внутренняя область (г < 0.8 Фм) обычно описывается феноменологическим путем, так как имеет сложную динамику, с трудом поддающуюся теоретическому анализу. Считается, что на взаимодействие в этой области сильно влияют тяжелые мезоны и/или кварк-глюонные степени свободы.

При изучении взаимодействия нуклонов на средних и малых относительных расстояниях наибольшее внимание уделяется двум задачам:

роли ненуклонных степеней свободы в ядрах, в частности мезонных обменных токов (МЕС) и изобарных конфигураций (1С);

природе короткодействующих динамических корреляций в ядрах (SRC), которые обусловлены отталкивающей частью нуклон-нуклон-ного потенциала и, таким образом, связаны с высокоимпульсной: компонентой ядерной волновой функции.

Ввиду большого количества работ по изучению NN взаимодействий на средних и малых расстояниях в ядрах молшо перечислить лишь ряд уже традиционных направлений исследований, которые начинались еще в 50-е годы с изучения захвата пионов ядрами и фотоэффекта при относительно высокой энергии фотонов:

Формфакторы ядер при больших переданных импульсах;

Квазиупругое рассеяние электронов и адронов ядрами;

Скейлинговые функции из данных по инклюзивному рассеянию электронов;

Низко и высокоэнергетические процессы рассеяния в 3N и 4N системах;

Кумулятивные эффекты при взаимодействии частиц с ядрами.

При постановке экспериментов по изучению процессов нуклон-нуклонного взаимодействия на средних и малых расстояниях и анализе результатов возникают серьезные проблемы с разделением механизмов реакции, связанных с мезонными обменными токами, изобарами в ядрах, короткодействующими динамическими и тензорными корреляциями, а также взаимодействием частиц как в начальном, так и в конечном состояниях. Но в последнее время все чаще стали появляються теоретические работы, представляющие интерес для постановки экспериментов, которые будут уже более избирательны

к отдельным механизмам реакции. Здесь по-прежнему обсуждается и отдается предпочтение использованию в качестве пробных частиц фотона или электрона, но в постановке более сложных экспериментов. В частности, предлагается использовать реакции (7, NN) и (е, e'NN) на ядрах с фиксацией конечного ядерного состояния, поляризационные характеристики реакции А(е, е'р) или провести измерения сечения реакции (e,e'NN) в "нестандартной" кинематической области. С другой стороны, уже появилось значительное количество экспериментов, в том числе поляризационных, где изучаются (е,е'р)-реакции на легких ядрах до больших переданных импульсов (см. Proseedings of the ЦЛ and 15th International Conferences on PARTICLES AND NUCLEI - PANIC96, Williamsburg, Virginia, USA и PANIC99, Uppsala, Sweden). Недавние эксперименты, проведенные в Майнце (МАМІ) и Амстердаме (NIKHEF), показали, что реакция ¹⁶0(е,е'рр) по сравнению с реакциями (j,NN) и (е,е'рп) более предпочтительна для изучения короткодействующих динамических корреляций по сравнению с изобарными конфигурациями. Уже появились первые экспериментальные результаты при более высоких энергиях электронов в Jefferson Lab. (США) Jafferson Lab Hall A Collaboration: N. Liyanage et al., The reaction dynamecs of the ^I60(e, e'p) cross section at high missindg energies. LANL, nucl-ex/0009017, 2000. Проведены измерения сечения и функции отклика реакции ¹⁶0(е, е'р) при больших потерях энергии. Расчеты сечения реакции с включением МЕС, 1С и SRC дают хорошее описание поведения экспериментального сечения, но объясняют только половину его величины. Планируется дальнейшее проведение "(е, е'р)-эксперпментов" в этой лаборатории.

Приведенный краткий обзор свидетельствует об актуальности дополнительных критических экспериментов в этом направлении. Фотон для этих целей является подходящей частицей по сравнению, например, с адронами. Он одинаково хорошо "видит" как периферию ядра, так и его более плотную центральную часть. Кроме того, в отличие от взаимодействия лептонов или адронов с ядрами, фотон в процессе взаимодействия с ядром поглощается, следовательно требуется регистрировать в конечном состоянии на одну частицу меньше (мы не рассматриваем здесь процессы комптоновского рассеяния).

Целью диссертационной работы является экпериментальное исследование эффектов нуклон-нуклонного взаимодействия в реакциях фотонов с ядрами. На пучках фотонов Томского синхротрона было проведено в этом направлении три типа экспериментов:

Для изучения эффектов мезонных обменных токов измерена асимметрия фоторасщепления дейтрона линейно поляризованными фотонами ниже порога рождения пионов;

Для изучения эффектов, приводящих к отклонению от одноча-стичной оболочечной модели ядра при фотообразовании пионов, были измерены выходы реакции (^,у,'л⁰р) ^на р-оболочечных ядрах до переданных импульсов порядка 600 МэВ/с в области резонанса Д(1232). Во второй резонансной области измерено сечение реакции ¹²С(7, к~р) в широком диапазоне кинематических переменных;

Для получения информации об изобарных конфигурациях в ядрах измерено сечение реакции ¹²C(j, тт⁺р) в области резонанса Д(1232) при больших переданных импульсах.

Научная новизна результатов, приведённых в диссертации, определяется тем, что впервые:

1. Измерена асимметрия фотодезинтегращш дейтрона линейно поляризованными фотонами при в* = 60 в области энергии фотонов 100 - 140 МэВ;

2. Измерена зависимость выхода реакции (7, кр) на ядрах в области Д-резонанса от полярного угла вылета протона. Обнаружено поведение выходов реакции в виде максимумов в области углов вылета протона в заднюю полусферу;

3. Измерена зависимость дифференциального сечения образования отрицательных пионов в реакции ^пС(^,у, тг~р) в широком диапазоне кинематических переменных. В зависимости сечения реакции от полярного угла вылета протона в области углов задней полусферы также обнаружен максимум;

4. Предложено для изучения Д-изобарных конфигураций в ядрах использовать реакцию (у,тг⁺р), которая обладает рядом преимуществ по сравнению с другими реакциями. В области больших переданных импульсов измерено дифференциальное сечение этой реакции на ядре ¹²С;

5. Сделана оценка плотности вероятности найти в ядре ¹²С Д⁺⁺-изобару с импульсом 300 МэВ/с.

6. Создана установка для измерения полных сечений фотообразования медленных 7г- и ^-мезонов с высокой эффективностью их регистрации на основе оригинальной методики;

7. Создан координатный черепковский спектрометр полного поглощения большой площади на основе анализа импульсов фотоумножителей, просматривающих радиатор спектрометра;

8) Показана возможность создания электромагнитных калориметров с высокой радиационной стойкостью на основе кристаллов вольфрамата NaBi{WOi)2.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты измерения асимметрии фоторасщепления дейтрона линейно поляризованными фотонами. Вывод о несостоятельности теоретических моделей, не учитывающих эффекты мезониых обменных токов и изобарных конфигураций на основе анализа совокупности экспериментальных данных ниже порога образования пионов при при в*_р < 90.

2. Результаты исследования реакций (j,Kp) и {"l,K~p) на р-оболочечных ядрах в широком диапазоне кинематических переменных. Обнаруженное поведение выходов реакций в виде максимумов в области углов вылета протона в заднюю полусферу невозможно объяснить в рамках модели квазисвободного фотообразования мезонов. Включение в рассмотрение обменного механизма реакции и изобарных конфигураций в основном состоянии ядер также не объясняет экспериментальные данные. Высказывается предположение, что обнаруженные в этих двух реакциях максимумы обусловлены общей причиной - структурой ядра на малых межнуклонных расстояниях в области короткодействующих динамических корреляций в ядрах.

3. Предложение использовать в области Д(1232) резонанса реакцию (7, тг⁺р) в ядрах с целью изучения Д-изобарных конфигураций. Экспериментальное исследование Д⁺⁺-изобар в основном состоянии ядра ¹² с помощью этой реакции. Оценки плотности вероятности найти в ядре ¹²С Д⁺⁺-изобару с импульсом 300 МэВ/с и числа Д-изобар в этом ядре.

4. Создание установки для измерения полных сечений фотообразования Медленных 7Г- II 7/-МЄЗОНОВ.

5. Создание координатного черенковского спектрометра полного поглощения большой площади.

6. Возможность создания электромагнитных калориметров с высокой радиационной стоикостьюна основе кристаллов вольфрамата NaBi{WOi)₂.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтвеждается:

1. Согласием величины асимметрии фоторащепления дейтрона линейно поляризованными фотонами с другими данными при близкой по величине энергии фотонов, а также высокой селективностью методи-

ки регистрации протона с нейтроном в совпадении к исследуемому процессу.

2. Хорошим согласием величины измеренного дифференциального сечения фотообразования тг-мезонов на водороде с величинами сечения, измеренными другими группами на жидководородных мишенях. Удовлетворительное согласие экспериментальных результатов по фотообразованию пионов на ядрах при малых переданных импульсах с результатами расчета в рамках модели квазисвободного фотообразо-ванпя пионов.

3. Постоянным и периодическим контролем каналов экспериментальных установок. При измерениях выхода (7г⁺р)-пар в реакции ¹²С(7,7Г⁺р) применением оригинальной методики контроля стабильности работы протонного канала.

4. Детальным анализом поправок к выходам реакций, систематических экспериментальных и модельных погрешностей.

5. В экспериментах с применением магнитного спектрометра хорошим согласием результатов расчета его характеристик с результатами проведенных калибровок методом "токонесущей нити" и с помощью а-источников.

Практическая ценность и внедрение результатов исследований заключается в следующем:

1. Измеренные величины асимметрии фотодезинтеграции дейтрона линейно поляризованными фотонами при в* = 60 в области энергии фотонов 100 - 140 МэВ закрыли в экспериментальных данных одну из критических областей по отношению к эффектам мезонных обменных токов и изобарных конфигураций в дейтроне. Подтверждена важность вклада в амплитуду реакции мезонных степеней свободы.

2. Обнаруженное поведение выходов реакции (7, кр) и (j, к~р) на ядрах в виде максимумов в области углов вылета протона в заднюю полусферу не объясняется в рамках модели квазисвободного фотообразования мезонов с учетом взаимодействия в конечном состоянии. Включение в рассмотрение обменного механизма реакции и изобарных конфигураций в основном состоянии ядер также не приводит к согласию с экпериментальными данными. Это служит стимулом как для дальнейшего теоретического анализа полученных данных, так и для новых экспериментальных исследований для получения дополнительной информации о структуре ядер на малых межнуклонвых расстояниях.

3. Предлолсение использовать реакцию (7,7г⁺р) с целью изучения

Д-изобарных конфигураций в ядрах уже реализуется на микротроне в Майнце в эксперименте с гелиевой мишеныо.

4. Экспериментально полученная величина плотности вероятности найти в ядре ¹²С Д⁺⁺-изобару и оценка числа легчайших изобар в этом ядре служат базовыми характеристиками для проверки ядерных моделей с включением Д-изобарных конфигураций.

5. Магнитный анализатор заряженных частиц использован в четырех экспериментах. Один из них связан с измерением асимметрии фоторасщепления дейтрона линейно поляризованными фотонами при энергии фотонов меньше 100 МэВ, а остальные описаны в диссертации. В настоящее время с его помощью идет подготовка эксперимента по исследованию короткодействующих динамических корреляций в ядрах в реакции ¹²С(-у, тг'рр). Грант РФФИ No. 02-02-17866.

6. На установке для регистрации двух 7-квантов от распада нейтрального мезона проведено три эксперимента:

определены длины свободного пробега 7г-мезонов в ядрах;

определено сечение rj — N взаимодействия;

измерен выход реакции (7, лр) на легких ядрах.

С помощью спектрометров с этой установки в настоящее время ведется поиск новых типов радиоактивности при вынужденном делении урана нейтронами в ядерном реакторе (грант РФФИ N. 02-02-17803).

7. На установке с черенковскими спектрометрами большой площади для регистрации медленных 7г- и ?/-мезонов измерены полные сечения фотообразования 7г-мезонов на ряде р-оболочечных ядер вблизи порога реакции.

8. Модернизированные черепковские спектрометры большой площади можно использовать, по аналогии с установкой для регистрации двух 7-квантов от распада нейтрального мезона (п. 6), для регистрации 7г- и ^-мезонов уже большей энергии. При этом обеспечивается удовлетворительное энергетическое и угловое разрешения установки, а эффективность регистрации мезонов увеличивается почти на два порядка. Способ определения координаты частицы в спектрометре имеет также самостоятельную методическую ценность.

9. Определена возможность создания электромагнитных калориметров на основе кристаллов вольфрамата NaBi(W$4)2- К^ак черепковский радиатор этот кристалл способен заменить традиционные радиаторы пз свинцового стекла без потерь в энергетическом и временном разрешениях, но с такими дополнительными качествами, как высокая радиационная стойкость, малая радиационная длина и малый радиус

Мольера при относительно низкой стоимости производства.

Апробация работы Основные результы работы докладывались и обсуждались на Всоюзной конференции по разработке и применению электронных ускорителей (Томск - 1975 г.); Всесоюзных совещаниях по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (г. Ташкент - 1977 г., г. Алма-Ата - 1978 г., г.Ленинград - 1983, г. Алма-Ата - 1992 г.); Сессии совета по э/м взаимодействиям (г. Харьков - 1977 г.); Сессиях Отделения ядерной физики АН СССР (г. Москва, февраль - 1978 г., ноябрь - 1978 г., январь -1986, январь -1988); Всесоюзном семинаре "электромагнитные взаимодействия адронов в резонансной области энергий" (Г. Харьков - 1983 г., 1985 г., 1987 г.); Всесоюзном семинаре "Черенковские детекторы и их применение в науке и технике" (г. Москваь - 1984 г.); Научной конференции Отделения ядерной физики АН СССР по физике ядра (г. Москва - 1986 г.); Всесоюзной школе "Взаимодействие пионов и каонов с ядрами" (г. Тбилиси -1988 г.); International Workshop on Heavy Scintillators for Scientific and Industrial Applications Chamonix, Prance - 1992); Научной конферєнціш Отделения ядерной физики РАН "Фундаментальные взаимодействия элементарных частиц" (г. Москва - 1998 г.); XV Intern, conference "Particles and Nuclei"- PANIC99 (Uppsala, Sweden - 1999); Intern, conference on Clustering Phenomena in Nucl. Pysics (St.Petersburg -2000); VII, VIII и IX Международных семинарах "Электромагнитные взаимодействия ядер при малых и средних энергиях" (г. Москва - 1988, 1991 и 2000 г.г.) и опубликованы в работах [1-29].

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 230 наименования. Общий объём составляет 174 страницы, включая 59 рисунков и 9 таблиц.

Характеристики используемых нами черенковских 7-спектрометров полного поглощения

ЧСПП в области энергий 7-квантов выше 100 МэВ обладают следующими характеристиками: - высокой эффективностью; - низкой чувствительностью к регистрации более тяжелых частиц, чем электроны (высокая селективность); - высоким быстродействием; - высоким временным разрешением; - удовлетворительным энергетическим разрешением; линейной зависимостью величины сигнала от энергии 7_квантов. Таким образом, ЧСПП удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к 7-спектрометрам, кроме, пожалуй, энергетического разрешения. Лучшим энергетическим разрешением, за исключением магнитных спектрометров, обладают сцинтилляционные у- спектрометры на основе тяжелых кристаллов [17]. Впервые для высоких энергий такой спектрометр на основе NaJ-кристалла был изготовлен Хофштадтером. Но они уступают ЧСПП по таким характеристикам, как быстродействие и чувствительность к фону, при этом имеют более высокую стоимость из-за трудности изготовления кристаллов большого объема.

При разработке конструкции и исследовании характеристик ЧСПП основное внимание, как правило, уделяют получению хорошего энергетического разрешения и точности временной привязки события регистрации частицы. Для этой цели обычно использовались ФЭУ двух типов, один в спектрометрическом режиме, другой, с более лучшими временными характеристиками, во временном [18, 19, 20]. Для упрощения конструкции и повышения надежности работы ЧСПП мы исследовали возможность получения высокого временного и энергетического разрешения спектрометра с использованием лишь одного фотоумножителя ФЭУ-49, который является одним из лучших спектрометрических фотоумножителей отечественного производства с большим диаметром фотокатода (150 мм). Так как ФЭУ-49 является спектрометрическим, то основной задачей было исследование возможности его работы во временном режиме.

Перед установкой в спектрометр ФЭУ-49 с интегральной чувствительностью фотокатода более 100 мкА/люмен подвергались отбору на испытательном стенде по спектрометрическим и временным свойствам. Поскольку сигнал с анода ФЭУ-49 с паспортным делителем имеет болъ-,шую длительность по основанию ( 100 нсек) и пологий передний фронт ( 25 нсек), то осуществлялся специальный подбор делителя напряжения с помощью источника а-частиц "Mm, напыленного на пластический сцинтиллятор. При этом удалось подобрать вариант делителя, при котором сигналы, снимаемые с анодной нагрузки ФЭУ (RH = 75 Ом), имели, как правило, наилучшие параметры (передний фронт 15 нсек) и длительность по основанию около 40 нсек). С этим делителем затем определялось собственное временное разрешение ФЭУ при помощи время-амплитудного конвертора (ВАК) и светодиода, запускаемого от генератора импульсами длительностью 5 нсек. Стартовым сигналом для ВАКа служил импульс генератора, стоповым - импульс с анодной нагрузки, поступающий через усилитель и формирователь импульсов. Отбирались ФЭУ с минимальным разбросом чувствительности фотокатода по площади и временным разрешением в центре фотокатода 1,5-=-2 нсек. Затем, с прмощью NaJ-кристалла и источников 7-пзлучения ШС и 60Со, проверялось амплитудное разрешение ФЭУ-49. Для этого спектрометрический сигнал положительной полярности снимался с нагрузки последнего динода ФЭУ (RH = 75 Ом), интегрировался, усиливался и поступал на анализатор импульсов (АИ). При таком отборе оказалось, что из партии 20 штук в среднем 24-3 ФЭУ-49 обладают высокими временными и спектрометрическими свойствами.

В процессе работы было замечено, что при экранировании колбы ФЭУ-49 проводящим слоем, имеющим потенциал земли, наблюдается уменьшение длительности импульса с ФЭУ на 204-30% с одновременным увеличением амплитуды на 15 4- 20% [21]. Этот эффект исследовался на стенде для отбора ФЭУ. В качестве экрана применялось кольцо из тонкой (0.1 мм) алюминиевой фольги, плотно облегающей поверхность колбы ФЭУ между фотокатодом и модулятором. Источником света служил пластический сцинтиллятор диаметром 10 мм с напыленным источником 242Am или светодиод. Без экранирования колбы, при помещении источника света в центре и на краю фотокатода, длительность и амплитуда

импульсов с анода ФЭУ отличались в 1.5-=-2 раза. После экранирования колбы отличия практически не наблюдалось. Причем, указанный эффект имел место на краю фотокатода, а в центре амплитуда и длительность импульсов не изменялись. Этот способ позвогїил значительно увеличить коэффициент отбора ФЭУ-49 с нужными характеристиками. Несколько позже эффект влияния величины потенциала внешней поверхности колбы ФЭУ-49 на его работу расмотрен в [22].

Изучение временных и спектрометрических характеристик ЧСПП проводилось в квазимонохроматичеоком пучке электронов с разбросом по энергии ±1.5%, получаемом в парном магнитном 7-спектрометре. Источником электронов служила мишень-конвертор 7 спектрометра, облучаемая потоком 7-квалтов тормозного излучения электронов. Схема эксперимента приведена на рис. 1,1. Перед входным окном спектрометра с диаметром коллиматора 60 мм располагались сцинтилляпионные счетчики для мониторирования пучка электронов. На первых этапах работы была сделана попытка применения ФЭУ-65, обладающего по сравнению с ФЭУ-49 лучшими временными свойствами и таким же диаметром фотокатода. Оказалось, что применение ФЭУ-65 улучшило на 30% временное разрешение ЧСПП с одновременным ухудшением энергетического разрешения почти в два раза. Поэтому в дальнейшем мы использовали только ФЭУ-49.

Исследование временных характеристик спехтрометров проводилось с помощью ВАК. Сигнал с формирователя одного из сцинтилляционных счетчиков являлся стартовым для конвертора, стоповым служил сигнал с формирователя черенковского спектрометра. Изучалось распределение временных интервалов между импульсами со счетчиков в зависимости от напряжения питания ФЭУ-49, условий срабатывания формирователя и энергии электронов. При этих условиях полная ширина на полувысоте спектра временных интервалов составила 3,5 нсек при 100 МэВ и 2 нсек при 00 МэВ, при этом ширина на 0,1 высоты составила, соответственно 7-=-7,5 нсек и 4-г4,5 нсек. Сдвиг максимума временных распределений составил в этом диапазоне энергий около 0,5 нсек.

Калибровка анализатора с помощью радиоизотопных источников а-частиц

Измерение координат влета ливневой частицы в электромагнитный калориметр производится обычно двумя способами (см., например, обзор [47]). Один способ, используемый в калориметрах ячеистого типа с поперечной сегментацией, заключается в определении координат частицы по центру тяжести электромагнитного ливня. Другой способ состоит в измерении с помощью трековых детекторов координат электрона на входе в калориметр или координат вершины заряженной компоненты ливня после конвертора в случае регистрации фотона.

Мы рассмотрели возможность определения координат ливневой частицы в черенковском спектрометре большой площади [42], описанном в предыдущем разделе, путем измерения амплитуд сигналов с нескольких фотоприемников, просматривающих гомогенный черенковский радиатор. Радиатор из свинцового стекла марки ТФ-5 (р = 4,77 г/см3; п = 1,755; XQ = 1,87 см ) имеет вертикальный и горизонтальный размеры 60 х 40 см2 и толщину 15. см. Боковые грани радиатора неполированы и докрыты белой краской, а передняя имеет дополнительно отражатель из алюминированного лавсана. Радиатор просматривается шестью фотоэлектронными умножителями типа ФЭУ-49 с диаметром фотокатода 15 см. Фотоэлектронные умножители располагаются на большой грани радиатора двумя вертикальными рядами по три ФЭУ. Покрываемая ими поверхность составляет около 40% площади грани. В системе координат с центром, расположенным в центре большой грани, с горизонтальной осью X и вертикальной Y центры фотоумножителей имеют следующие координаты (хс,ус) в сантиметрах: (—10.4,20.8), (—10.4,0.0), (-10.4,-20.8), (10.4,20.8), (10.4,0.0), (10.4,-20.8)).

Исследования проводились на вторичном пучке электронов Томского синхротрона с разбросом по импульсу ±1.5% и угловой расходимостью менее 3 мрад. Диаметр пучка электронов в месте расположения спектрометра составлял 2 см. Импульсы с анодов ФЭУ-49 подавались на многоканальный зарядо-цифровой преобразователь, который открывался на время 100 нсек. Триггером служили совпадения сигналов со сцинтил-пяционных счетчиков, формирующих пучок электронов, и спектрометра. Эксперимент состоял в измерении зависимости величины заряда, собираемого с анодов ФЭУ-49, от координат (х0, у0) точки влета электрона в спектрометр. Измерения были выполнены для 6-ти точек, расположенных на осях ФЭУ и 15-ти точек, равномерно распределенных на одной четверти передней грани радиатора на прямоугольной сетке с шагом около 5 см, при двух значениях энергии электронов Ее, равных 50 и 208 МэВ.

Задачу измерения координат частицы и определения координатного разрешения спектрометра мы решали двумя способами: - минимизацией подходящего функционала оценок методом МНК (метод наименьших квадратов); - минимизацией квадратичной функции потерь с использованием теоремы Бейеса. Достоинством МНК-метода является простота формулировки задачи оценки, но в общем нелинейном случае возникает проблема оценки точности решения и отсутствует механизм использования априорной информации. Теорема Бейеса в нашем случае позволяет решить эту проблему. Амплитуда импульса фотоэлектронного умножителя, регистрирующего световой поток, генерируемый электомагнитным ливнем в радиаторе спектрометра полного поглощения, пропорциональна энергии ливневой частицы Е и зависит от координат (х, у) точки влета электрона в спектрометр. Поэтому восстановление координат (ж, у) и энергии Е МНК-методом можно выполнить путем минимизации где АІ(І — 1,.-,6) - амплитуда импульса фотоумножителя; F{(x,y) - независящая от энергии функция отклика спектрометра (аналитическое представление Af/E) при попадании электрона в радиатор с координатами точки влета (ж, у). В общем случае, с увеличением энергии частицы меняется спектральный состав частиц в ливне, изменяются размеры и положение ливня в радиаторе спектрометра, увеличивается доля частиц, покинувших радиатор. Все эти факторы могут привести к зависимости функции отклика F{ от энергии Е. Данный спектрометр в диапазоне энергии до 300 МэВ имеет линейную амплитудую характеристику (рис 1.6), что позволило нам пренебречь этой зависимостью. Мы упростили задачу, полагая а і - весовые коэффициенты, взятые равными среднеквадратичным отклонениям распределения величины щ. Использование в (1.6) относительной величины амплитуды импульса ФЭУ позволяет частично устранить влияние на координатное разрешение флуктуации световыхода электромагнитного ливня. Зависимость амплитуды импульса фотоумножителя от расстояния между центром фотокатода и точкой влета электрона в радиатор при энергии электрона 208 МэВ (результатам для всех 6-ти ФЭУ на одном графике). Приведенные ошибки измерения - статистические. В результате эксперимента было выяснено, что несмотря на то, что геометрические размеры используемого черенковского радиатора не позволяют аппроксимировать его радиатором с бесконечными поперечными размерами, зависимость Fi(x,y) можно заменить единой зависимостью F(R) (см. рис. 1.7), где Я = ((х — хс)2 + (у — ус)2)1 расстояние от точки попадания электрона в радиатор до центра фотоумножителя с координатами {хс,ус). Это можно объяснить слабостью эффекта перерассеяния света на боковых поверхностях радиатора. Для более точной оценки координат радиальные зависимости Fi(R) находились отдельно для каждого ФЭУ.

Функция отклика F((R) определялась двумя способами. Один заключался в агшроксимации экспериментально полученной зависимости средних амплитуд сигналов с ФЭУ А от R сглаживающими кубическими сплайнами [48]. Другой способ состоял в нахождении такой радиальной функции распространения света в радиаторе fi{r), которая приводила бы, после интегрирования по площади фотокатода ФЭУ 5,-, к функции отклика спектрометра Fj(R)

Измерение сечения реакции (7, я) на протоне

Проекты экспериментов на новом поколении ускорителей типа SSC, UNK, LHC, а также на сильноточных ускорителях, но с относительно небольшой энергией, вызвали большие усилия в иоиске и разработке улучшенных материалов для быстрых и рад иационно-стойких электромагнитных калориметров (ЭМК). Эти вопросы были подробно рассмотрены на симпозиуме " CRYSTAL-2000" [53]. Радиаторы ЭМК должны соответствовать нескольким требованиям как высокие быстродействие и радиационная стойкость, малые радиационная длина и радиус Мольера, возможность массового производства, низкая цена и т.д.. Кристалл NaBiiWO - двойной вольфрамат (р = 7.58 gjcvn? Хо=1.04 cm, R = 2.4 cm, пд = 2.15 ) предложен как потенциальный кандидат для радиатора ЕМС. Первые результаты по выращиванию кристаллов вольфрамата NaBi(W04)2 (NBW) больших размеров были получены в 1990-1991 г.г. в институте минерального сырья (Александров) и институте монокристаллов (Харьков). При производстве кристаллов обращалось внимание на прозрачность кристаллов и коротковолновую границу пропускания света, которая для рабочих образцов составила около 370 нм, Кристаллы показали высокую радиационную стойкость к воздействию у-жзлучения (до 10 Мрад). Оценочная тоимость массового производства NBW-кристаллов диаметром до 40 мм и длиной до 200 мм оказалась не выше стоимости относительно дешевого производства кристаллов BaF (около 2- 3 долларов США за 1 см3).

На следующим этапе, коллаборацией ПИЯФ (С,Петербург), ИМС (Александров). ИМ (Харьков), НИИ ЯФ (Томск), ИїЬф (М осква), МИФИ (Москва), ИФВЭ (Протвино), была изучена однородность образцов и определен тип излучения. Однородность кристаллов по длине измерялась с помощью пучков частиц и радиоактивных изотопов. В пределах ошибок измерений отклонеия от "const" замечено не было. Определение типа излучения в NBW-кристалле и его временных характеристик проводилось в сравнении с известным сцинтиллятором CeFz- Изучался отклик этих образцов при облучении релятивисткими пионами, протонами и дейтронами с импульсами до 2.5 ГэВ на ускорителе ИТЭФ (Москва), 7-квантами и электронами от источников тСо и 905г, а также электронами на синхротроне НИИ ЯФ (Томск). Измерения проводились в режимах амплитудного анализа относительного световьгхода и временного анализа методом счета отдельных фотонов. Испытанные образцы вольфраматов размерами 19x19x19 ттъ и 24 х 24 х 160 mm3 являются, в основном, черенковскими радиаторами.

Оценка квантового выхода света на единицу поглощенной энергии для минимально ионизирующего излучения сделана в НИИ ЯФ путем сравнения с квантовым выходом для известных материалов - пластического сцинтиллятора ПС-111 с калиброванным значением световьгхода 10000±500 фотонов/см и свинцового стекла ТФ-5 ("черенкатор"). Для измерении использовался вторичный пучок электронов Томского синхротрона с энергией до 700 МэВ. Размеры радиаторов были: 24 х 24 х 160 mmz для вольфрамата и пластика, для ТФ-5 24 х 24 х 350 mm3. Для оценки поглощенной энергии в радиаторах использовались значения, рассчитанные по программе "КАСКАД" [54]. Квантовый выход NBW-кристалла при сравнении с пластическим сцинтиллятором ПС-111 дал величину 18.7±2.3 фотона/МэВ, а при сравнении с ТФ-5 23.9±5.2 фотона/МэВ. Как видно, результаты двух опытов совпали в пределах ошибок. Эти значения можно практически полностью объяснить черенковским излучением электронов в кристалле, что подтверждает результаты, полученные в ИТЭФ.

Описанное выше, а также ряд других результатов по механическим, оптическим люминесцентным свйствам вольфрамата NBW и перспективам их улучшения, было доложено на "CRYSTAL-2000" [55].

На первом этапе исследований сведения о люминесцентных свойствах NBW-кристаллов были несколько противоречивыми. С одной стороны эксперименты в ИТЭФ, НИИ ЯФ и ИФВЭ [55] и [56] показали, что NBW являются черепковскими радиаторами при комнатной температуре, с другой стороны, в работах [57] и [58] наблюдалась люминесценция с характерным временем высвечивания несколько наносекунд.

Цель нашего эксперимента состояла в изучении люминесцентных свойств NBW образцов в зависимости от температуры. Мы исход и лили из общеизвестного факта, что большинство вольфраматов и молибда-тов (аналогов вольфраматов) не показывают сцинтилпирующих свойств при комнатных температурах, но становятся хорошими сцинтиллятора-ми при низких температурах [59, 60]. Подобные свойства демонстрируют, например, кристаллы NaBi(MOi)2 [61], состав которых имеет подобную NBW изоструктуру. Ввиду этого обстоятельства мы решили исследовать возможную люминесценцию кристалла NBW, охлаждаемого до температуры жидкого азота.

Эксперимент были выполнен на вторичном электронном пучке Томского синхротрона. Энергия электронов могла менятся от 20 до 700 МэВ с относительным разбросом 2%. Схема эксперимента показана на рис. 1.10. Пучок электронов с энергией 500 МэВ проходил через тонкие пластические сцинтилляционные счетчики S1 и S2, которые после схемы совпадений С1 формировали "триггер", и через окно (2) вакуумной камеры (3) попадал на центр большой грани NBW образца (1) с размерами 24 х 24 х 55mm3 (ВНИИСЙМС, Александров). Размер пучка 5x5 mm2 перед кристаллом определялся размерами сцинтиллятора счетчика S2. Все поверхности кристалла, кроме одной малой грани, были покрыты отражателем из алюмшшрованного лавсана. Свет из образца попадал через эту грань на фотомножитель ФЭУ-130 (4), расположенный в 9 cm от образца. ФЭУ-130 чувствителен к свету в диапазон 200- 650 нм и обладает хорошей одноф ото электронной характеристикой. Напряжение на ФЭУ было выбрано, чтобы в одноэлектронном режиме было лучшее отношение "пик - долина". Диафрагма (5) с изменяемым диаметром отверстия была помещена между образцом и ФЭУ, чтобы обеспечить счет одиночных фотонов для измерения временной структуры эмиссии света от кристалла.

Модель фотовыбивания Л-изобары из ядра

Вакуумная камера системы калибровки состояла из камеры источника, вакуумного тракта анализатора и камеры детектора. В камерах источника и детектора была смонтированы механизмы, позволявшие перемещать источник и детектор в трех взаимно перпендикулярных направлениях без вскрытия вакуумной камеры. Плексигласовые окна позволяли осуществлять подсветку и визуальное наблюдение за положением источника и детектора, которые перемещались с точностью не хуже 0.5 мм (детектор в вертикальном и горизонтальном направлениях на ±70 мм и вдоль траектории cr-частиц на ±60 мм, источник перемещался по вертикали и горизонтали на ±25 мм и вдоль траектории на ±20 мм.

Для откачки рабочего объема (около 80 л) были использованы два форвакуумних насоса ВН-2МД, включенных параллельно, что позволило получать вакуум не хуже 1,3 Па за 60 мин. Такого вакуума вполне достаточно, т.к. а-частицы с энергией около 5 МэВ теряют на пути Зм, при давлении 1,3 Па, около 0,05% своей энергии, а ожидаемое разрешение анализатора по импульсу составляло величину 1%.

Для регистрации а-частиц использовались поочередно два сцинтил-ляционных детектора. Для измерения телесного угла и импульсного ак-септанса был использован пластический сцинтиллятор диаметром 150 мм и толщиной 0,25 мм, помещенный с помощью оптической смазки прямо на фотокатод ФЗУ-49. Остальные характеристики анализатора исследовались с помощью пластического сцантиллятора размером 2 х 15 х 120 АШ3, который просматривался через плексигласовый световод фотоумножителем ФЭУ-85. Ширина сцинтиллятора менялась с помощью диафрагмы от 2,5 мм до 15 мм.

Для измерения телесного угла необходимо знание интенсивности су-источника, в качестве которого был использован 239РЇІ. Для определения его интенсивности было изготовлено специальное калибровочное устройство, позволявшее менять телесный угол в пределах от 5.3 - 10 3 до 7.4 Ю-3 ср с точностью не хуже 1%. Полученное среднее значение интенсивности составило величину / = (1,90 ± 0,02) 107 част/сек.

При измерении телесного угла анализатора источник помещался во входной фокус камеры источника. Детектор со сцинтиллятором 0150 мм помещался в расчетную точку выходного фокуса и перекрывал все возможные траектории а-частиц после их прохождения через анализатор. Напряженность магнитного поля на равновесной орбите Но = 1,63 кЭ соответствовала "осевому" импульсу Ро = 195,94 МэВ/с (для Еа — 5,156 МэВ). Величина измеренного телесного угла приведена в таблице 1.2.

Измерения импульсного аксептанса были такае проведены со сцинти-ляятором 0150 мм (рис. 1.22). Имитация изменения импульса а-частиц осуществлялась путем изменения напряженности магнитного поля анализатора Но, соответствующего "осевому" импульсу Ро, на величину ±АН. При этом частицы с импульсом Ро при изменении напряженюсти поля в диапазоне HoezAH должны попадать в ту же точку, что частицы с импульсом в диапазоне Ро ± АР о при напряженности поля Но.

Точка наилучшей горизонтальной фокусировки была определена детектором со сцинтиллятором шириной 5 мм. Ширина сцинтиллятора выбиралась такой, чтобы не исказить форму линии, с одной стороны, и обеспечить приемлемую скорость счета а-частиц, с другой. Измерения проводились при фиксированном значении напряженности магнитного поля Но, соответствующем "осевому" импульсу Ро. Детектор перемещался поперек равновесной траектории с шагом Ar = 5 мм. На рис. 1.23 показана измеренная форма линии а-источника 239Р« на различных расстояниях от магнита вдоль равновесной траектории. Точке наилучшей горизонтальной фокусировки соответствует линия с наибольшей амплитудой и наименьшей шириной на полувысоте. Полученная экспериментально координата точки наилучшей горизонтальной фокусировки хорошо согласуется с расчетными значением выходного фокуса. Коэффициенты увеличения в вертикальной и горизонтальной плоскостях находили как отношение смещения изображения по вертикали и горизонтали (Az em., Arsem.) к смещению источника {Azucm.,Arncm) в соответствующих направлениях (рис. 1.24). К определению точки наилучшей горизонтальной фкусировки. L - расстояние от выходной эффективной границы магнитного поля. Измерение дисперсии проводилось в точке наилучшей горизонтальной фокусировки. Источник а-частиц коллимировался до 05 мм. При различных значениях напряженности магнитного поля измерялось смещение ±Дг (мм) максимума спетральной линии а-частиц от равновесной траектории. Дисперсия D находилась как соотношение величины этого смещения Лг к величине изменения импульса АР На рис. 1.25 показана измеренная величина дисперсии в различных точках фокальной плоскости ( А г = 0 соответствует равновесной траектории ). На рис. 1.26 приведен спектр ct-частиц от источника (239Р« +241 Am +244 Cm), измеренный с помощью анализатора. Основные линии источника хорошо разделяются. Отличие по импульсу между линиями 239Рм, 2ilAm и шСт составляет величину 3%. Спектр из мерен детектором с шириной щели 2.5% мм при диаметре источника 12 мм. Разрешение по импульсу1 1 определялось как отношение ширины распределения на половине высоты d к дисперсии єр = d/D (см. табл. 1.2). При экспериментальной проверке характеристик анализатора получено хорошее согласие с расчетом. Незначительное отличие экспериментальных значений от расчетных можно объяснить неточностью юстировки полюсов, экранов и вакуумной камеры анализатора.

Похожие диссертации на Взаимодействие фотонов с ядрами в области больших переданных импульсов

Изучение взаимодействий поляризованных дейтронов с протонами и ядрами в области импульсов 0,7-9,0 ГэВ/сЛадыгин Владимир Петрович

Исследование Х(1450) и Х(1900)-мезонов образованных в центральной области рр-взаимодействия при импульсе 450 ГэВ/сЧлачидзе, Гурам Арчилович

Экспериментальное исследование взаимодействия фотонов и электронов промежуточных энергий с ядрамиСтибунов, Виктор Николаевич

Измерение полного сечения фотообразования пи0-мезонов на ядрах Ве, С, О и Al в области энергии фотонов Егамма= (0,18-1,0) ГэВ без заряженных частиц в конечном состоянииКнязян, Светлана Гарниковна

Сравнительное изучение парциального коэффициента неупругости Кi B п+А-, К+А- и рА-взаимодействиях при импульсе 7,5 ГэВ/с и в hPb-взаимодействиях при средней энергии Ео=400 ГэВХен, Эдуард

Инклюзивное образование нейтральных пионов в нуклон-ядерных и ядро-ядерных взаимодействиях при импульсе 4.5 ГэВ/с на нуклонАбраамян, Хачик Унанович

Токи и электромагнитные поля, формируемые при взаимодействии узконаправленного импульса гамма излучения с газовой средойВалиев, Фархат Фагимович

Многомерный анализ корреляционных функций в п+р. К+р и рр-взаимодействиях при импульсе 250 ГэВ/с и компенсация поперечных импульсовРизатдинова, Флера Карамутовна

Исследование множественного рождения частиц в ядро-ядерных взаимодействиях при импульсе 4,2 ГэВ/с на нуклонШарипова, Саодат Атамуратовна

Исследование параметров вращения спина в упругом + p-взаимодействии при импульсе 1.62 ГэВ/с и измерение анализирующей способности углеродаНовинский Дмитрий Валерьевич