Потери энергии ливня от электронов в ориентированных кристаллах вольфрама Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.1.08

ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ ЛИВНЯ ОТ ЭЛЕКТРОНОВ В ОРИЕНТИРОВАННЫХ КРИСТАЛЛАХ ВОЛЬФРАМА

В. А. Басков

Развитие ливня от электронов с энергиями 26 и 28 ГэВ в ориентированном кристалле вольфрама приводит к сильному поглощению энергии ливня, кристаллом и увеличению доли энергии частиц ливня, рассеивающихся, между кристаллом, и детектором. Отношения, суммарных потерь энергий ливня, в ориентированных кристаллах вольфрама к суммарным, потерям, в разориентиро-ванных кристаллах толщиной 1, 2.7, 5.8 и 8.4 мм составил,и 3.9, 2.6, 2.1 и 1.9 соответственно.

Ключевые слова: ориентированный кристалл, аномальные электромагнитные ливни, потери энергии, рассеяние вторичных частиц, мольеровский радиус.

Область взаимодействия электронов, позитронов и 7-квантов при энергиях в десятки и сотни ГэВ с кристаллом, в которой когерентный характер взаимодействия частиц с полем оси (плоскости) кристалла приводит к значительному росту сечений всех электродинамических процессов, получила название область "постоянного сильного поля" (ПСП). Область ПСП формируется при углах входа частиц в кристалл в << ©csf = V/m • c2 (в - угол между импульсом 7-кванта, электрона или позитрона и осью (плоскостью) кристалла; V - масштаб потенциала оси или плоскости; m - масса c

Электромагнитные ливни, образованные электронами, позитронами и 7-квантами при взаимодействии с кристаллом в области ПСП (аномальные ливни) отличаются от ЛИВН6И в аморфном веществе. Отличие ливней в ориентированных кристаллах (кристалл считается ориентированным, когда в < eCSF; кристалл считается разориенти-рованный, когда в >> eCSF) проявляется во всех характеристиках ливней: множестве заряженных и незаряженных частиц ливня, энергиях частиц по глубине развития ливня; наличии ориентационной зависимости; уменьшении радиационной длины кристалла и т. д. [2, 3].

Учреждение Российской академии наук Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН, Россия, 119991, Москва, Ленинский проспект, 53; e-mail: [email protected].

Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что в ориентированном кристалле происходит более сильная по сравнению со стандартным ливнем диссипация энергии первоначальной частицы на низкие энергии (~100 МэВ) е+ е- и фотонов. Это приводит к сильному поглощению энергии ливня кристаллом и значительному многократному рассеянию вторичных частиц внутри кристалла и за его пределами на воздухе [1. 2]. При большом расстоянии между кристаллом и детектором, когда угол многократного рассеяния ^^р превосходит полярный угол 0к-а, под которым детектор "видит" кристалл (0аьзР > 0к-а), часть частиц ливня не попадает в детектор. Таким образом, недобор энергии ливня детектором (АЕ = АЕщ + АЕ^-13р) определяется энергией, поглощенной кристаллом (АЕщ), и энергией (АЕ^), рассеянной в промежутке между кристаллом и детектором. Данный эффект имеет место как в случае разориентирован-ного кристалла (аморфной мишени), так и при ориентации кристалла.

Интегральная кривая развития ливня в кристалле вольфрама и далее в составном черенковском спектрометре (СЧС) толщиной 25Х0 (Х0 - радиационная длина) [4] показывает уменьшение зарегистрированной энергии частиц ливня Е'е, выходящего из кристалла, по сравнению с первоначальной энергией электрона Ее на величину АЕ = Ее — Е'е. Наиболее сильное уменьшение наблюдается в случае ориентации кристалла [2, 5].

Работа выполнена еш установке "Каскад" на электронном канале ускорителя У-70 ИФВЭ в Протвино. Энергия электронного пучка составляла Ее = 26 и 28 ГэВ. Исследовались ливни, выходившие из кристаллов вольфрама 1, 2.7, 5.8 и 8.4 мм. Ориентация кристаллов осуществлялась вдоль оси (111), мозаичность кристаллов составляла Авщ ~ 1 мрад. Кристалл считался разориентированным при в = 20 ^ 30 мрад. Температура кристаллов, кроме кристалла 1 мм (Тщ = 77 К), составляла Тщ = 293 К. Ориентация кристаллов осуществлялась с помощью гониометра, находящегося на расстоянии 65 см перед СЧС.

Зависимость отношения АЕ/Ее от толщины кристаллов представлена на рис. 1. Из рисунка видно, что наличие вещества перед составным спектрометром приводит к "недобору" энергии детектором. Например, разориентированньтй кристалл вольфрама толщиной 8.4 мм, приводит к "недобору" энергии ~ 5.3% (кривая 1). ориентация кристалла увеличивает "недобор" до ~11% (кривая 2). Для исследуемых толщин кристаллов отношения величин "недобранной" энергии СЧС в ориентированных кристаллах к аналогичным величинам при разориентированньтх составили 3.9, 2.6, 2.1 и 1.9 раз соответственно (рис. 2).

I I

12

2

10

8

6

4

2

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Рис. 1: Потери энергии частиц ливня, выходящего из кристалла вольфрама, в зависимости от толщины кристалла выраженной в единицах радиационной длины Х0; относительно первоначальной энергии электрона (• - Ее = 26 ГэВ, о - Ее = 28 ГэВ). АЕ - разность первоначальной энергии электрона и энергии ливня, зарегистрированного СЧС (кривые 1 и 2); АEW - энергия ливня, поглощенная кристаллом (кривые 3 и 4); АEdiSp - энергия ливня, вышедшая из кристалла и рассеянная в промежутке между кристаллом и СЧС (кривые 5 и 6) (1, 3, 5 - кристалл разориентированный; 2, 4, 6 - кристалл ориентированный).

Кривые 5 и 6 рисунка 1, определяющие рассеянную энергию ливня в случае ра-зориентированного и ориентированного кристалла вольфрама (АЕ^8р = АЕ — АЕ^,

АЕ

поглощенной разориентированными и ориентированными кристаллами (АEW) (кривые 3 и 4). Энергия ливня, поглощенная кристаллическим конвертером (АЕ^, для указанных толщин кристаллов была определена из анализа каскадных кривых и интегральных кривых развития ливня в работах [4, 5]. Ход всех кривых рис. 1 показывает, что величина энергии, поглощенной кристаллом и рассеянной между кристаллом и СЧС, а также их суммарная величина, определяющая энергию, "недобранную" СЧС, увеличивается с толщиной кристалла и особенно возрастает при его ориентации.

Рис. 2 представляет зависимость отношения величин незарегистрированной или "недобранной" энергии СЧС (кривая 1), энергии, поглощенной кристаллом (кривая 2),

Рис. 2: Зависимость от толщины кристалла отношения незарегистрированной СЧС энергии ливня (АЕ); энергии, поглощенной кристаллом (АЕж); энергии, рассеянной между кристаллом и СЧС (АЕ&зр) при ориентированном кристалле (индекс о) к аналогичным энергиям при разориентированном кристалле (р): 1 - АЕ0/АЕр; 2 - АEwo/А EwP; 3 - АЕ^/АЕ^РР (• - Ее = 26 ГэВ, о - Ее = 28 ГэВ).

и энергии, рассеянной меду кристаллом и СЧС (кривая 3), при ориентированном кристалле к аналогичным величинам при разориентированном кристалле. Ход всех кривых показывает, что при ориентации кристалла эффект "ориентированности" или наиболее интенсивное развитие аномального ливня относительно разориентированного состояния происходит в тонких кристаллах < 3.5 мм = 1Х0). С увеличением толщины ориентированного кристалла (> 3.5 мм) внутри кристалла увеличивается диссипация энергии ливня и многократное рассеяние, приближающие эффект развития ливня в ориентированном кристалле к развитию в разориентированном.

Эффект значительного рассеяния ливня при ориентации кристалла объясняется наличием большого числа заряженных частиц с энергиями < 100 МэВ, рожденных за счет механизма Бете-Гайтлера более мягкими гамма-квантами по сравнению с гамма-квантами обычного ливня, способными эффективней рассеиваться в веществе [1].

Эффект также указывает на то, что мольеровский радиус тм, определяющий поперечное развитие ливня в ориентированном кристалле, отличается от аналогичного радиуса обычного ЛИВНЯ 01.

Значительные величины поглощения и рассеяния энергии ливня в ориентированном кристалле и вне его необходимо учитывать в практической деятельности при создании кристаллических митттеней на основе ориентированных кристаллов и спектрометров направленного действия для применения в физике высоких энергий и астрофизике.

Автор выражает благодарность Е. И. Тамму и Е. И. Малиновскому за поддержку

работы; В. И. Сергиенко за научное руководство и организацию работ; Б. И. Лучкову,

В. К). Тугаенко, В. В. Ким и В. А. Хабло за помощь в работе.

ЛИТЕРАТУРА

[1] U. I. Uggerho.j, Rev. Mod. Phys. 77, 1131 (2005).

[2] V. A. Baskov, V. A. Ivhablo, V. V. Kim, et al., Xucl. lustrum, and Meth. in Phys. Res. B145, 92 (1998).

[3] В. H. Байер, В. А. Басков, В. Б. Ганенко и др.. Письма в ЖЭТФ 49, 533 (1990).

[4] В. А. Басков, В. В. Ким, В. А. Хабло, Препринт ФИАН № 9 (ФИАН, Москва, 2010).

[5] В. А. Басков, В. В. Ким, Б. И. Лучков и др., Препринт ФИАН № 31 (ФИАН, Москва, 2006).

Поступила в редакцию 7 октября 2010 г.