CC BY
10
УДК 53.096:539.1.078
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОРИЕНТИРОВАННОГО КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КОНВЕРТОРА НА ОТКЛИК СПЕКТРОМЕТРА
В. А. Басков1'*, В. В. К им1, Б. И. Лучков2, В. Ю. Тугаенко2,
Охлаждение до температуры 77 К 1 мм ориентированного вдоль оси (111) кристаллического вольфрамового конвертора перед электромагнитным спектрометром толщиной 25X0 и регистрирующего ливни от электронов 28 ГэВ приводит к уменьшению радиационной длины кристалла, на ~30%; сдвижке каскадной кривой развития ливня в спектрометре на и улучшает энергетическое разрешение спектрометра на по сравнению с аналогичными параметрами спектрометра при температуре кристалла, 293 К.
Ключевые слова: ориентированный кристалл, аномальные электромагнитные ливни, отклик спектрометра, температура, каскадные кривые, радиационная длина, ориента-ционная зависимость.
Отклик спектрометра, регистрирующего электромагнитные ливни от электронов (позитронов) и 7-квантов с энергией E > 0.1 ГэВ (" стандартные ливни) у определяется интегральной и каскадной кривыми развития ливня, которые, в свою очередь, определяют основные свойства спектрометра (продольный и поперечный размеры, энергетическое разрешение). На отклик спектрометра, регистрирующего "стандартные" ливни. ВЛИЯЮТ В ОСНОВНОМ ДВ& фактора: энергия частицы и свойства рабочего вещества спек~ трометра [1. 2].
Отклик спектрометра, регистрирующего электромагнитные ливни, развивающиеся в ориентированном кристалле ("аномальные" ливни), отличается от отклика спектрометра. регистрирующего "стандартные" ливни [3]. В этом случае на отклик спектромет-
1 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский проспект, 53.
2 115549, Москва, Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ". * E-mail: [email protected].
1
ра дополнительно влияют: тип кристалла (потенциал оси или плоскости, вдоль которой развивается ливень), степень ориентации относительно оси или плоскости, температура кристалла [3, 4].
Теоретические работы, связанные с изучением электродинамических процессов излучения электронов (позитронов) и рождения е+е_-пар 7-квантами высоких энергий при углах входа в кристаллы в << У/тс2 предсказали зависимость процессов от температуры [3] (У-масштаб потенциала оси (плоскости) кристалла). Экспериментальные работы. выполненные в ФИАНе, подтвердили, что вероятность рождения е+е -пар 7-квантами со средней энергией (Е~() = 18 ГэВ и выход излучения электронами с энергией Е = 28 ГэВ в области постоянного сильного поля (ПСП) при охлаждении ориентированного 1 мм кристалла вольфрама с температуры Т = 293 К до Т2 = 77 К возрастают на ~15% [5]. Тем не менее, поведение "аномальных" ливней в ориентированном кристалле и степень изменения отклика спектрометра, регистрирующего ливни, при изменении температуры кристалла оставалось неясным.
Данная работа представляет экспериментальные результаты исследований "аномальных" ливней и зависимости отклика электромагнитного спектрометра с конвертором из ориентированного кристаллического вольфрамового конвертора от температуры конвертора.
Работа была выполнена на электронном канале ускорителя ИФВЭ на установке "Каскад" [4, 6]. В качестве конвертора использовался кристалл вольфрама толщиной 1 мм, ориентируемый вдоль оси (111) (радиационная длина вольфрама Х0 = 3.5 мм). Кристалл считался ориентированным при в0 = 0 и разориентированным (аморфным) при вр > 20 мрад. Мозаичность кристалла составляла 1 мрад. Для регистрации ливней использовался спектрометр, состоящий из составного черенковского ливневого спектрометра (СЧЛС) (10 независимых радиаторов толщиной 1Х0) и черенковского спектрометра (ЧС) (толщиной 15Х0). Исследовались характеристики ливней, выходящих из ориентированного кристалла, и отклик спектрометра, регистрирующего эти ливни, при комнатной температуре кристалла Т = 293 К и при температуре жидкого азота Т2 = 77 К.
На рис. 1 представлены каскадные кривые развития электромагнитного ливня в СЧЛС от электронов при разных температурах разориентированного (зависимости 1, 2) и ориентированного (зависимости 3, 4) кристаллического конвертора перед СЧЛС К - калибровочная кривая, полученная при отсутствии перед СЧЛС кристаллического конвертора). Разориентированный конвертор при Т перед СЧЛС сдвигает каскад-
<ДЕ\ ГэВ
3.6
3.2 / / \
2.8 // if ^^
2.4 I ft /К if W^1 ■ i \ 2
2.0 I i - I if
1.6 // i
1.2 if fi
0.8 i Л
0.4 it
2 0 2 4 6 8 10 12
Рис. 1: Каскадные кривые развития электромагнитного ливня в C4JIC от электронов с энергией E = 28 ГэВ при разных температурах разориентированного (1, 2 -©р = 20 мрад) и ориентированного (3, 4 ~ ©о = 0 мрад) вдоль оси (111) кристаллического 1 мм вольфрамового конеертора ((AE) - средняя энергия ливня, выделившаяся в счетчиках СЧЛС; K - кристалл перед СЧЛС
отсутствует; tw и trmccss ~ толщины кристалла и СЧЛС в единицах X0; соответственно; 1, 3 - T1 = 293 К; 2, 4 ~ T = 77 К).
ную кривую развития электромагнитного ливня в сторону её начала, в кристалл, на величину толщины кристалла (зависимость 1). Ориентация кристалла при Т сдвигает каскадную кривую ещё больше в сторону начала развития ливня (зависимость 3) [4]. Охлаждение разориентированного конвертора до Т2 сдвигает каскадную кривую на ~0.1Х0 (~1.5%) в сторону начала развития ливня (зависимость 2). Ориентация охлажденного кристалла сдвигает каскадную кривую (зависимость 4) к началу развития на
~15% относительно зависимости 2 (разориентированный кристалл) или на ~7% относительно каскадной кривой при ориентированном кристалле и Т1 (зависимость 3).
Таблица 1
Положение максимума каскадной кривой развития, ливня, от электронов с Е = 28 ГэВ в СЧЛС при раз ориентир о ванном, и ориентированном конверторе перед СЧЛС в зависимости от температуры конвертора
Положение максимума
каскадной кривой Ьтахр Х0 Ьтахт Х0 ДЬ Ьтахр Ьтахо) Х0
в СЧЛС (6Р = 20 мрад) (0о = 0 мрад)
Температура
Т = 293 К (калибровка) 7.1 ± 0.1
Т1 = 293 К 6.8 ± 0.1 6.3 ± 0.1 0.5 ± 0.2
Т2 = 77 К 6.7 ± 0.1 5.9 ± 0.1 0.8 ± 0.2
В таблице 1 представлены положения максимума каскадной кривой и величина сдвижки кривой при ориентации и разориентации кристалла при разных температурах. Величина ДЬ = Ьтахр — Ьтахо, определяющая разность положений максимума каскадной кривой в СЧЛС при ориентированном конверторе (Ьтахр) относительно разориентиро-ванного (Ьтахо), является также и величиной, на которую увеличивается эффективная толщина конвертора tWeff = + ДЬ {tWeff _ толщина конвертора, при которой происходит наиболее эффективное взаимодействие частиц с кристаллом; Ьщ толщи и а конвертора при разориентации кристалла).
Увеличение эффективной толщины конвертора tWeff означает уменьшение радиационной длины ориентированного кристалла Х0 = Х0•(Ьщ/tweff) [3-5]. Рис. 2 представляет зависимость радиационной длины кристалла от температуры. Видно, что охлаждение ориентированного конвертора с Т! до Т2 приводит к уменьшению радиационной длины на ~30%. Охлаждение разориентированного конвертора с Т1 до Т2 (зависимость 2 на рис. 1), приводит, как указано выше, к незначительной, на ~1.5%, сдвижке каскадной кривой и показывает, что при данном угле входа частиц в кристалл (зависимость 1 на рис. 2) изменилась радиационная длина конвертора. Изменение радиационной длины в этом случае говорит о том, что при температуре Т2 кристалл уже не является разори-ентированньтм. то есть указывает на увеличение ширины ориентационной зависимости развития ливня в кристалле.
I I I I I I I I
50 100 150 200 250 300 К
Рис. 2: Зависимость радиационной длины: 1 - разориентированного (©р = 20 мрад) и 2 - ориентированного (©0 = 0 мрад) вдоль оси (111) кристаллического 1 мм вольфрамового конвертора перед СЧЛС от температуры при энергии электронов Е = 28 ГэВ (3 - аморфный вольфрам).
Действительно, результаты измерений зависимости среднего энерговыделения ливня в первом счетчике СЧЛС для Т и Т2 от угла ориентации конвертора © [6] показывают, что охлаждение конвертора до Т2 увеличивает ширину ориентационной зависимости на А© ~ 1 мрад (под шириной ориентационной зависимости А© принимается полная ширина ориентационной зависимости измеряемого параметра ливня (например, энерговыделения) на половине высоты).
Охлаждение конвертора с Т до Т2 улучшает энергетическое разрешение спектрометра. На рис. 3 представлены зависимости относительного энергетического разрешения спектрометра СЧЛС+ЧС общей толщиной 25Х0 с разориентированным (зависимость 1) и ориентированным конвертором (зависимости 2 и 3) (5 = а / (Е) а - среднеквад-
(Е)
энергии электронов Е = 26 и 28 ГэВ и температуры. Точки о и Д были измерены, для точек □ были сделаны оценки. Оценки были произведены следующим образом: разрешение спектрометра СЧЛС+ЧС при разориентированном кристалле определяется как а/(Е) = а + к/Е-1/2 = 0.012 + 0.061/Е-1/2 [4, 7]. Если предположить, что при ориентации кристалла постоянный член а, определяющий систематические ошибки измерений
Рис. 3: Зависимость относительного энергетического разрешения спектрометров СЧЛС+ЧС общей толщиной 25Х0 (8 = а / (Е), а - среднеквадратичное разрешение, (Е) - средняя энергия ливня, выделившаяся в спектрометре) с разориентированным (1) и ориентированным вдоль оси (111) (2 и 3) кристаллическим вольфрамовым конвертором 1 мм от энергии электронов: 1 и 2 - Т\ = 293 К; 3 - Т2 = 77 К (• ◦ А -измерения; □ - оценка).
спектрометра, не меняется, то коэффициент к при Е = 28 ГэВ и Т для зависимости 2 (кристалл ориентирован), с учетом измеренного разрешения а/(Е) = 2.11%, стал равным к = 0.048, а для Т2 и этой же энергии при измеренном разрешении а/(Е) = 2.00% стал равным к = 0.042 (улучшение разрешения при уменьшении температуры составило Отсюда относительное энергетическое р азрешение при Е = 26 ГэВ дл я Т и Т2 составило 8 ж 2.14% и 2.02% соответственно.
Таким образом, температура ориентированного кристалла влияет на развитие электромагнитных ливней. Уменьшение температуры ориентированного кристалла приводит к усилению эффектов развития электромагнитных ливней в кристалле (увеличению энерговыделения, уменьшению радиационной длины кристалла, увеличению ширины ориентационной зависимости развития ливня) и к изменению отклика спектрометра, регистрирующего электромагнитные ливни, выходящие из кристалла (уменьшению длины продольного развития ливня, улучшению энергетического разрешения). Уменьшение температуры ориентированного кристалла на значительную величину (с
комнатной 293 К до температуры жидкого азота 77 К, то есть на ~200 К (~70%)) ведет к изменению эффектов развития ливней в зависимости от параметров кристалла на 6% 30%. Данные измерения подтверждают ранние измерения зависимости электродинамических процессов от температуры [5] и предсказания работы [3] по усилению ориентационньтх эффектов с уменьшением температуры.
.Авторы выражают благодарность Е. И. Тамму и Е. И. Малиновскому за поддержку
работы; В. И. Сергиенко за практическое руководство и организацию работ.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Б. Словинский. Физика элементарных частиц и атомного ядра (ФЭЧАЯ). 25.
вып. 2. 417 (1994). Дубна.
[2] А. Н. Калиновский. Н. В. Мохов. К). П. Никитин. Прохождение частиц высоких
энергий через вещество (М.. Энергоатомиздат. 1985).
[3] U. I. Uggerhoj. Reviews of Modern Physics 77. 1131 (2005).
[4] В. А. Басков. В. В. Ким. Б. И. Лучков и др.. Препринт ФИАН У2 31 (Москва. ФИАН, 2006).
[5] В. А. Басков. В. Б. Ганенко. К). В. Жебровский и др.. Тезисы докладов XIX Всесоюзного совещания по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (М., МГУ 84, 1989).
[6] В. А. Басков, В. В. Ким, Б. И. Лучков и др.. Препринт ФИАН У2 35 (Москва, ФИАН, 2011).
[7] В. А. Басков, А. С. Белоусов, В. В. Ким и др., ПТЭ, У2 5, 66 (2011).
Поступила в редакцию 8 ноября 2011 г.
