9. Калориметры – спектрометры полного поглощения

Ионизационный калориметр (спектрометр полного поглощения) - прибор для измерения энергии частиц (адронов, электронов, фотонов), основанный на полном поглощении в толстом слое вещества энергии как первичной частицы, так и всех частиц, образующихся при её взаимодействии с веществом. Принцип действия. В результате взаимодействия с веществом первичная частица сравнительно быстро растрачивает всю энергию на образование большого числа вторичных частиц и, в конечном счёте, на ионизацию. Ионизация (число пар ионов) может быть измерена разл. детекторами. Независимо от природы вторичных заряж. частиц и их анергии на образование одной пары ионов в веществе тратится определ. энергия W так что полная энергия частицы, попавшей в И. к., равна:    Здесь I - число пар ионов, образованных частицами - продуктами взаимодействия на глубина х. Необходимая толщина вещества х₀ определяется условием полного поглощения энергии первичной и всех вторичных частиц. В случае попадания в И. к. электрона или g-кванта в веществе И. к. развивается электронно-фотонный каскад (ЭФК). Зависимость I(х) (каскадная кривая) имеет один максимум (кривая 1, рис. 1). Длина ЭФК достигает десятков радиац. единиц (1 радиац. единица - путь t₀, на к-ром поток электронов фиксированной энергии из-за тормозного излучения ослабляется в е раз: t₀=67 см в графите, 2 см в Fe; 0,32 см в U). При попадании в И. к. адронов высокой энергии процесс диссипации энергии происходит в 2 этапа; вначале адрон при столкновении с ядром рождает мезоны (p, К и др.) и выбивает из ядра нуклоны. Затем происходит развал ядра-мишени, при к-ром испускаются сильно ионизирующие частицы (протоны и осколки ядер). Т. к. налетающий адрон, как правило, сохраняет значит, часть энергии (в среднем ~¹/₂), процесс повторяется, что приводит к развитию т. н. ядерного каскада. Вторичные адроны также создают собств. каскады. В каждом акте значит, доля энергии (15-20%) передаётся p°-мезонам.В результате серии последовательных взаимодействий p°-мезонам (а затем фотонам и электронам) при энергии первичного адрона E₀=100 ГэВ передаётся до 75-85% его энергии. Остальная энергия передаётся сильно ионизующим частицам. В плотном веществе лишь незначительная доля энергии уносится мюонами и нейтрино [1]. Часть энергии расходуется на разрушение ядерных связей при расщеплении ядер и не регистрируется. Однако при высокой энергии E₀ доля теряемой (не регистрируемой) энергии пренебрежимо мала. В результате ядерно-каскадная кривая представляет собой суперпозицию последовательных ЭФК. Длина ядерного каскада составляет неск. т. н.   пробегов ядерного взаимодействия l(l - путь, на к-ром поток адронов фиксированной энергии E₀ ослабляется в е раз; l=86 г/см²=39 см в графите, 132 г/см²=16,8см в Fe, 194 г/см²=17,1 см в Pb). Адронные каскады в поглотителе И. к. флуктуируют как по форме, так и по глубине. Это обусловлено флуктуациями энергии, передаваемой p°-мезонам, соотношением между длиной ЭФК и l, а также распределением точек последовательных взаимодействий адронов. Усреднённая зависимость I(х) имеет 1 максимум и после него может быть описана ф-лой: <I(x)>~exp[-b(x)x]. (2)