CC BY
12
УДК 539.1.08
ВЛИЯНИЕ ОРИЕНТИРОВАННОГО КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КОНВЕРТОРА НА ОТКЛИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО
СПЕКТРОМЕТРА
В. А. Басков
Представлены результаты экспериментальных исследований отклика электромагнитного спектрометра с конвертором из ориентированного вдоль оси (111) кристалла вольфрама при энергии электронов 26, 28 и 31 ГэВ. Обнаружено, что отношение разности положений максимума каскадной кривой при разориентированном и ориентированном конверторе к разности энерговыделения в максимуме каскадной кривой является величиной постоянной при данной энергии электронов, типе и толщине конвертора и не зависит от температуры конвертора.
Ключевые слова: ориентированный кристалл, электромагнитный спектрометр, отклик спектрометра, каскадная кривая, энергетическая зависимость.
Область взаимодействия электронов, позитронов и Y-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/mc2 (в - угол между импульсом Y-кванта, электрона или позитрона и осью (плоскостью) кристалла; V - масштаб потенциала оси или плоскости; m -масса электрона; c - скорость света) [1].
Электромагнитные ливни, образованные электронами, позитронами и Y-квантами при взаимодействии с кристаллом в области ПСП (аномальные ливни) отличаются от ливней в аморфном веществе (стандартные ливни). Отличие ливней в ориентированных кристаллах (кристалл считается ориентированным при в < ©csf; кристалл считается разориентированным при в ^ ©csf ) проявляется во всех характеристиках ливней: множестве заряженных и незаряженных частиц ливня, в зависимостях энергии
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т., 53; e-mail: [email protected].
частиц от глубины развития ливня; в наличии ориентационной зависимости; в уменьшении радиационной длины кристалла; в наличии температурной зависимости развития ливня и т.д. Аномальный ливень, выходящий из кристалла и продолжающийся развиваться в спектрометре, вызывает отклик спектрометра, отличный от отклика на стандартный ливень [2-4].
В данной работе представлены результаты исследований влияния разориентиро-ванного и ориентированного вольфрамового конвертора на отклик электромагнитного спектрометра, регистрирующего ливни от электронов.
Работа выполнена на установке "Каскад" на электронном канале 2В ускорителя ИФВЭ в рамках программы изучения эффектов квантовой электродинамики в сильных полях ориентированных кристаллов, одной из целей которой было изучение аномальных электромагнитных ливней.
В работе использовались кристаллы вольфрама толщинами 1.0, 2.7, 5.8, 8.4 мм (Х0 = 3.5 мм, Х0 - радиационная длина). Ориентация кристаллов осуществлялась вдоль оси (111). Разориентированным считался кристалл, ось которого была повернута относительно оси пучка электронов на угол в = 20 — 30 мрад. Мозаичность кристаллов составляла Дв^ ~ 1 мрад. Исследования проводились как с кристаллами, находящимися при комнатной температуре Т = 293 К, так и с кристаллами, охлажденными до температуры жидкого азота Т2 = 77 К. В эксперименте использовался пучок электронов с энергиями Е = 26, 28 и 31 ГэВ.
Ливень, выходивший из кристалла, продолжал развиваться в составном черенков-ском ливневом спектрометре (СЧЛС), состоящем из 10 независимых светоизолирован-ных счетчиков (радиаторов) из свинцового стекла ТФ-1 размером 100 х 100 мм2 и толщиной 1Х0. Для сбора оставшейся части ливня за СЧЛС находился черенковский спектрометр (ЧС) толщиной 15Х0 [3, 5, 6].
Поведение положения максимума каскадной кривой ¿тах при развитии электромагнитного ливня от энергии электронов в СЧЛС в отсутствие вольфрамового конвертора перед ним описывается выражением [7]:
где Е - энергия электронов в МэВ, Ес =15 МэВ - критическая энергия черенковского стекла ТФ-1; с = 0.5.
Если поместить разориентированный вольфрамовый конвертор перед СЧЛС, то каскадная кривая сдвинется в сторону начала развития ливня в среднем на величину тол-
^ах = 1п (Е/Ес) — с,
(1)
щины кристаллического конвертора ¿ад [8]:
¿шах = 1п (Е/Ес) - с - ¿.ш. (2)
При ориентации кристалла вследствие взаимодействия электрона с сильным полем кристаллографической оси меняется характер развития ливня, что приводит к уменьшению радиационной длины кристалла (Х0) и увеличению его эффективной толщины ¿ад eff (¿л - эффективная толщина кристалла, на которой происходит наиболее эффективное взаимодействие частиц с кристаллом) [8]:
¿шах = 1п (Е/Ес) — с — ¿ад е:№, (3)
где ^ = ¿ад + Д^, а Д* = ¿шахр — ¿шахо является "добавкой" к толщине кристалла за счет ориентации (¿шахр и ¿шахо - положение максимума каскадной кривой при разори-ентированном и ориентированном кристалле, соответственно).
Охлаждение ориентированного кристалла ведет к сокращению амплитуды тепловых колебаний атомов кристалла и увеличению потенциальной ямы кристаллографической оси, что в свою очередь ведет к возрастанию сечений электродинамических процессов, ещё большей сдвижке каскадной кривой к началу развития ливней или увеличению Д¿
[3, 8]:
¿шах = 1п (Е/Ес) — С — ¿ад eff — Д¿temp, (4)
где Д¿teшp = ¿(7\)шахо — ¿(Т2)шахо является "добавкой" к толщине кристалла за счет изменения температуры с Т до Т2 уже ориентированного кристалла (индекс "о" - кристалл ориентирован).
Развитие ливня в аморфном веществе спектрометра без кристаллического конвертора и с конвертором можно представить в виде зависимости положения максимума развития электромагнитного ливня (¿шах) в спектрометре (СЧЛС) от энерговыделения в максимуме развития (ДЕшах). Данная зависимость для разных энергий электронов, толщин разориентированных и ориентированных кристаллов представлена на рис. 1 [9].
Из рис. 1 видно, что зависимость положения максимума развития ливня ¿шах и энерговыделение в максимуме развития ливня ДЕшах для разориентированного и ориентированного кристалла окажутся разными. Действительно, при разориентированном конверторе для каждой фиксированной энергии электронов Е зависимость ¿шах от ДЕшах, как и в случае зависимости ¿шах от Е, является прямой, параллельной оси ¿шах (зависимость показана штрихпунктирной линией). Если кристалл ориентирован, то меняются
8
- ^РЛ \ * Ч ° j ч\ ® 1 \ \\
А 1 ^
А^шах, ГэВ
Рис. 1: Зависимость положения максимума развития электромагнитного ливня £тах в СЧЛС с кристаллическим вольфрамовым конвертором от энерговыделения в максимуме развития ливня ДЕтах(х, •, О, А, Л, ▼, V, 4, ♦ - эксперимент; ■, +— оценка [10,11]; х - спектрометр без кристалла = 0); •, ■, А, ▼, ♦, +— кристалл разори-ентирован; V, О, □, Д, ♦ - кристалл ориентирован вдоль оси (111); •, О, ■, □, +— = 1.0 мм; А, Л — = 2.7 мм; ▼ , V — = 5.8 мм; ♦, ♦ — = 8.4 мм; •, О, ■, □, А, Л, ▼, V, ♦, ♦ — Т = 293 К; ® — Т = 77 К; + — Та - 980К).
поведение tmax и AEmax. В этом случае при данной энергии электронов, толщине и температуре кристалла отношение Atmax/AEmax = const (Atmax = t
maxp
- t
- AE =
Emaxo — Emaxp; tmaxp(o) и Emaxo(p) - положение максимума и энерговыделение в максимуме развития ливня при разориентированном (p) и ориентированном (о) кристалле, соответственно) (зависимость показана штриховой линией). Из рис. 1 также видно, что отношение Atmax/AEmax не меняется при изменении температуры с T1 = 293 K до T2 = 77 K и при увеличении температуры T = 293 K до Td (Td - температура, при которой происходит полная дезориентация кристалла, то есть кристалл невозможно сориентировать (оценка показывает, что Td ^ 980 K [10])).
Таким образом, можно утверждать, что для каждой энергии электронов, типа и толщины разориентированного и ориентированного кристалла, диапазона температур от T = Td до T > 77 K существует присущее только этому набору параметров отношение
At max/ AEmax — const.
Автор выражает благодарность Е. И. Тамму и Е. И. Малиновскому за поддержку
работы; В. И. Сергиенко за научное руководство; В. В. Ким, И. В. Конорову, В. В. Полянскому, В. А. Хабло, сотрудникам НИЯУ МИФИ Б. И. Лучкову и В. Ю. Тугаенко, сотруднику ИФВЭ В. А. Маишееву и сотрудникам Харьковского физико-технического института (Украина) под руководством Л. Я. Колесникова за помощь в работе.
ЛИТЕРАТУРА
[1] U. I. Uggerhoj, Reviews of Modern Physics 77, 1131 (2005).
[2] В. А. Басков, Краткие сообщения по физике ФИАН 39(10), 28 (2012).
[3] В. А. Басков, Краткие сообщения по физике ФИАН 40(5), 3 (2013).
[4] В. А. Басков, Краткие сообщения по физике ФИАН 41(4), 21 (2014).
[5] В. А. Басков, А. С. Белоусов, В. В. Ким и др., ПТЭ 5, 66 (2011).
[6] В. А. Басков, Краткие сообщения по физике ФИАН 39(8), 16 (2012).
[7] А. В. Калиновский, Н. В. Мохов, Ю. П. Никитин, Прохождение частиц высоких энергий через вещество (М., Энергоатомиздат, 1985).
[8] В. А. Басков, Краткие сообщения по физике ФИАН 41(3), 32 (2014).
[9] В. А. Басков, Препринт ФИАН № 9 (Москва, ФИАН, 2013).
[10] В. А. Басков, в: Сессия-конференция Отделения Ядерной физики РАН "Физика фундаментальных взаимодействий", 12.11-16.11.2012 г., НИЯУ МИФИ; (http://www.icssnp.mephi.ru/content/file/section7/7- 18-baskov.pdf).
[11] В. А. Басков, Краткие сообщения по физике ФИАН 40(8), 43 (2013).
Поступила в редакцию 26 января 2015 г.
