УДК 53

СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РЕГИСТРАЦИИ ГАММА КВАНТОВ С ИОНИЗАЦИОННОЙ КАМЕРОЙ И РЭК

Искаков Бахтияр Абуталиповия
Казахский Национальный Университет имени аль-Фараби
магистр естественных наук
ассистент кафедры физики твердого тела и нелинейной физики
Физико-технического факультета
г. Алматы, Казахстан

Аннотация
Исследовании в области физики высоких энергии являются очень актуальными в наше динамический развивающем мире науки, и одной из областей является изучения адронов космических лучей. Существует несколько методик их регистрации. Самыми распространенными являются регистрация с рентгеноэмульсионной камерой и ионизационной камерой. В данной работе идет сравнение этих методик и выбор более выгодную методику для дальнейщих исследовании. Актуальность работы обусловлена тем, что изучение лидирующих частиц при первичных энергиях в десятки и сотни ТэВ позволяет продвинуться вперед в понимании динамики процесса неупругого столкновения адронов с нуклонами и ядрами. В области первичных энергий выше 10 ТэВ прямых экспериментальных данных о лидирующих нейтральных пионах и о роли процесса перезарядки налетающих заряженных пионов в нейтральные (особенно это касается взаимодействий с ядрами тяжелее углерода) не имеется.

Ключевые слова: Адроны, гамма квант, ионизационный калориметр, лидирующие частицы, первичные космические лучи, пионы, рентгеноэмульсионная камера, широкий атмосферный ливень, электронно-фотонный каскад


COMPARISON OF THE RESULTS REGISTRATION OF GAMMA RAYS WITH AN IONIZATION CHAMBER AND THE REC

Iskakov B.A.
KazNU
Iskakov B.A., assistant
Department of Solid State Physics and nonlinear Physics
Almaty, Kazakhstan

Abstract
Study in the field of high energy physics are very relevant to our dynamic and evolving world of science, and one of the areas of study is the cosmic-ray hadrons. There are several methods of registration. The most frequent sign with X-ray emulsion chamber and the ionization chamber. This paper is a comparison of these methods and the choice of a better method for dalneyschih study. Relevance of the work due to the fact that the study of the leading particles in the primary energies of tens and hundreds of TeV can move forward in the understanding of the dynamics of the process of inelastic collisions of hadrons with nucleons and nuclei. In primary energies above 10 TeV direct experimental data on the leading neutral pions and the role of the charge exchange process of the incident charged pions in the neutral (especially interactions with nuclei heavier than carbon) are not available.

Keywords: an air shower, an electron-photon cascade ionization calorimeter, gamma ray, Hadrons, leading particles, peonies, the primary cosmic rays, X-ray emulsion chamber


Рубрика: Общая рубрика, Физика

Библиографическая ссылка на статью:
Искаков Б.А. Сравнение результатов регистрации гамма квантов с ионизационной камерой и РЭК // Исследования в области естественных наук. 2013. № 2 [Электронный ресурс]. URL: http://science.snauka.ru/2013/02/4152 (дата обращения: 05.05.2017).

Вся современная физика элементарных частиц выросла из физики космических лучей. На мощных ускорителях в начале 50-х годов научились создавать пучки p - мезонов, после чего физика элементарных частиц получила мощный импульс развития, благодаря огромной статистике событий, получаемых в столкновениях p - мезонных пучков с мишенями.

ПКЛ служат предметом физических исследований в двух аспектах: астрофизическом и ядернофизическом. В первом ПКЛ рассматриваются как важный астрофизический объект, роль которого в космологических процессах очень велика и стала предметом исследований новой отрасли науки-астрофизики космических лучей [1]. Действительно, такие характеристики ПКЛ, как состав частиц, их энергетические спектры, пространственная анизотропия их прихода и т.д., рассматриваемые в широком интервале энергий от 1010 эВ до ~ 1020 эВ, несут информацию о процессах их ускорения, распространения и взаимодействия в галактическом и межгалактическом пространстве.

    Для второго направления ПКЛ являются источником частиц высоких энергий для изучения их взаимодействий. В последнее время этот интерес в значительной степени возродился в связи с тем, что при энергиях (1015-1016) эВ, недоступных пока современным ускорителям, наблюдается целый ряд новых явлений, не получивших объяснения с точки зрения современных теоретических моделей. Заметим, что строгого деления экспериментальных исследований на астрофизические и ядерно-физические нет, т.к. для интерпретации взаимодействий необходимо знать астрофизические характеристики потока ПКЛ (массовый состав, энергию), а для астрофизических исследований необходимо знать характеристики взаимодействий в указанной области энергий. Прогресс в развитии ускорительной техники существенно сместил акцент в исследовании космических лучей в сторону астрофизики ПКЛ.

Существуют несколько методов регистрации космических лучей, а именно гамма излучение. Наиболее распространенными являются рентген-эмульсионная камера и ионизационный калориметр.

Эксперименты, нацеленные на изучение адронных взаимодействий в космических лучах, должны учитывать две особенности космического излучения: низкую интенсивность и широкий энергетический спектр адронов.

Низкая интенсивность ограничивает выбор детекторов излучений и служит причиной популярности рентгеноэмульсионных камер: рентгеновская пленка специального изготовления допускает годичные экспозиции и относительно экономична для использования на больших (до 1000 м2) площадях.

Широкий энергетический спектр падающих адронов заставляет предусматривать измерения энергии взаимодействующей частицы. Наилучший метод определения энергии первичных частиц, вызвавших взаимодействие в мишени или атмосфере,— калориметрический с помощью ионизационных и сцинтилляционных калориметров и по черенковскому излучению широких атмосферных ливней в воздухе над уровнем измерения. Другие методы отбора взаимодействий по энергии первичных частиц содержат больше априорных предположений и менее точны.

    Первые исследования взаимодействия частиц космического излучения высокой энергии с использованием методик ионизационного калориметра и рентгеноэмульсионных камер в Казахстане проводились на Тянь-Шанской Высокогорной научной станции (ТШВНС, Космостанция), которая располагается в горах Заилийского Алатау на перевале Джусалы-Кезень на высоте 3340 метров над уровнем моря.

    Основной упор в этих исследованиях сосредоточен на изучении взаимодействий космических лучей с атомными ядрами плотной мишени, которая расположена на строго фиксированной высоте над РЭК. Наличие плотной мишени дает возможность избавиться от многих неоднозначностей в экспериментах, изучающих атмосферные взаимодействия: неизвестная природа ядра-мишени, высота взаимодействия, и соответственно неопределенность в измерении угловых характеристик и т.д.

Ионизационный калориметр собран из железного и свинцового поглотителя, прослоенного шестью рядами ионизационных камер. Площадь калориметра равна 44 м2, высота составляет 1.75 м. В тело калориметра уложено 425 т железа и 30 т свинца. Общая толщина поглотителя с учетом стенок ионизационных камер составляет 1033 г/см2 или 7.33 пробега для взаимодействия нуклонов. Ионизационные камеры наполнялись аргоном до давления 4 атм. Общее число камер в калориметре 672. Ряды ионизационных камер располагались во взаимно-перпендикулярных направлениях. На центральные электроды всех камер подавалось постоянное напряжение 600 В. Схема установки приведена на рисунке 1.


а- РЭК, б- ионизационные камеры, в- Pb толщиной 1,5 см, г- Pb толщиной 0,5 см, д- Fe толщиной 24 см, е- Fe толщиной по 32 см.

Рисунок 1. Схема установки «Адрон-44»

Используемая в данной экспериментальной установке рентгеноэмульсионная камера (РЭК) состоит из 2-х слоев свинцового поглотителя толщиной 2 см каждый слой, проложенных фоточувствительными слоями. В качестве фотоматериала использовались листы ядерной фотоэмульсии Р-2Т, сверху и снизу которых размещались листы двусторонней рентгеновской пленки РТ-6.

    РЭК укладывалась по всей площади калориметра. Срок экспозиции на разных стадиях эксперимента составляет от 6-месяцев до 1 года. Общая толщина свинца в РЭК составляет 4 см или около 8t-единиц.

Основные назначение рентгеноэмульсионной камеры - измерение энергии гамма-квантов, их координат и пространственного направления. Известно, что при прохождении электронно-фотонного каскада (ЭФК) через слои свинца и рентгеновских пленок в пленке после её проявки образуются пятна потемнения, видимые невооруженным глазом, если плотность заряженных частиц превосходит некоторое пороговое значение (в нашем случае – 300 частиц в круге R=100 мкм). Степень почернения пятен определяется плотностью электронов в ЭФК, т. е., энергией гамма-квантов или электронов, вызвавших данный каскад.

    Результаты показывают, что масса p0 –мезона не домеряется в 1,3±0,2 раза, по-видимому, из-за наличия зазора – 700 мкм между слоями пленки и поглотителя. При определение энергии гамма-квантов данный фактор учитывался. Ошибки в измерении Еγ, составляют по рентгеновской пленке – 30%, по ядерной эмульсии – 27 %, прослеживание ЭФК на нескольких уровнях снижает ошибку до 20%. Энергетический порог регистрации гамма-квантов в ядерной эмульсии равен- 0,5 ТэВ.

Было уже сказано, что РЭК регистрирует тоько те взаимодействия космических лучей, в которых рождаются гамма-кванты с энергией выше пороговой – Епор. Энергетический порог регистрации гамма квантов зависит от многих факторов: условии и длительности экспозиции РЭК, качества и сорта применяемых фотоматериалов, условии и качества проявки и даже от такой субъективной причины, как квалификация операторов.

    В различных экспериментах величина Епор в рентгеновской пленке меняется от Епор=1,5 ТэВ до 4 ТэВ.

    Ионизационный калориметр регистрирует практически все неупругие взаимодействия адронов космического излучения. Порог срабатывания калориметра задается экспериментатором, он может быть равен и 100 ГэВ и 1 ТэВ. В то же время , для регистрации того же взаимодействия в РЭК, необходимо, чтобы в акте столкновения образовался хотя бы один гамма-квант с Еγ= 1,5 ТэВ.

    При изучении взаимодействий космических лучей на высоте 3340 метров над уровнем моря с ядрами углерода использовался калориметр «АДРОН-44», при этом пороговая энергия срабатывания ионизационных калориметров составляла от 3 ТэВ до 10 ТэВ. В процессе накопления статистического материала было зарегистрировано 1348 взаимодействии с Е0≥ 3ТэВ, произошедших в мишени.

    Здесь важно отметить, что общее количество срабатываний калориметра с порогом Е ≥ 3ТэВ значительно выше и составляет порядка 6000, но большая часть из них является продуктом взаимодействия в атмосфере на большой высоте, поэтому электронно-ядерные лавины в калориметре от этих событий занимают большую площадь и в т о же время энергия сопровождающих частиц составляет от 10 % до 70 %. Поэтому, для отбора взаимодействий, произошедших в районе мишени отбирались события, в которых в верхных рядах калориметра срабатывало не более одной ионизационной камеры и вся электронно-ядерная лавина, занимая три камеры, свидетельствовала о прохождении одиночного адрона. При этом вклад сопровождающей компоненты не должен был превышать 10 % от Е0.

Отобранные таким образом 1348 электронно-ядерных лавин сопоставлялись с гамма-квантами, зафиксированными в рентгеноэмульсионной камере. Выяснилось, что только 23 % от всех взаимодействий адронов космических лучей, имеющих энергии в диапозоне Е=3-50 ТэВ образуются гамма-кванты с энергией Еγ ≥ 1,5 ТэВ. Следовательно, большая часть взаимодействий пионов и нуклонов с атомными ядрами мишени не регистрируется в РЭК, особенно в области малых энергий Е0~ 3-10 ТэВ. Наглядно данный факт демонстрирует рисунок 2, на котором приведен интегральный энергетический спектр адронов, зарегистрированных в калориметре и интегральный спектр сопоставленных в РЭК.

  1. События, зарегистрированные в калориметре.
  2. События, зарегистрированные РЭК.

Рисунок 2- Интегральные энергетические спектры

В заключение можно сказать, что в данной работе был рассмотрен вопрос об особенностях регистрации событий высокой энергии методом рентгеноэмульсионных камер (РЭК) и ионизационных камер. Использование ионизационных камер оказалось более эффективнее, чем РЭК, так как при использовании РЭК мы теряем некоторые информации. В данный момент на ТШВНС полностью перешли на ионизационные камеры.

Огромное благодарность хотелось бы выразит сотрудникам ТШВНС и Физико-техническому институту, а именно Садыкову Т.Х. за предоставленные возможности написать эту статью. А также коллегам и руководителям в физико-техническом факультете КазНУ им. Аль-Фараби: Оскомову В.В. и Юшкову А.В.


Библиографический список
  1. Мурзин В.С., Сарычева Л.И. Космические лучи и их взаимодействие. – Москва: Атомиздат, 1968.- 389 с.
  2. Садыков Т.Х., Байгубеков А.С., Новолодская О.А. Угловые характеристики фотонов из адрон-ядерных взаимодействий в области энергий больше 1013 эВ //Вестник Евразийского национального университета им. Гумилева. -2004.-№ 2.- С.56-58.
  3. Новолодская О.А. Экспериментальная комплексная установка для исследования семейств гамма-квантов в области энергий 1012 -1015 эВ // Сборник трудов Второй Международной Конференции «Фундаментальные и прикладные вопросы физики»,18-19 ноября.- 2004.- Ташкент, Узбекистан.-С.41-42.
  4. Baygubekov A.S., Chubenko A.P., Mukhamedshin R.A., Novolodskaya O.A., Sadykov T.Kh. A nev complex installation Athlet for the investigation of interactions in ultrarays on Tien-Shan mountain // Nucl. Instr. & Methods in Phys.Res.A. – 2004.- V 527.- P. 648-651.


Все статьи автора «Искаков Бахтияр Абуталиповия»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: