Ионизационный калориметр

Ионизацио́нный калори́метр (от лат. calor — тепло и …метр) в физике элементарных частиц и ядерной физике — прибор, который измеряет энергию частиц. Большинство частиц, попадающих в калориметр, при взаимодействии с его веществом инициируют возникновение вторичных частиц, передавая им часть своей энергии. Вторичные частицы образуют ливень^[en], который поглощается в объёме калориметра, и его энергия измеряется с помощью полупроводниковых, ионизационных детекторов, пропорциональных камер, детекторов черенковского излучения или сцинтилляционных детекторов^[1]^[2]. Энергия может быть измерена полностью (это требует полного поглощения частиц ливня в чувствительном объёме калориметра) либо частично, с последующим пересчётом поглощённой энергии в полную энергию первичной частицы. Как правило, калориметры имеют поперечную (относительно траектории частицы) сегментацию для получения информации о направлении движения частицы и выделившейся энергии, и продольную сегментацию для получения информации о форме ливня и, исходя из этого, — о типе частицы. Проектирование калориметров — активная область исследований в физике элементарных частиц, как при исследовании космических лучей, так и для изучения частиц в ускорителях.

ИсторияПравить

Ионизационный калориметр изобрели в 1954 году^[3] в СССР Н. Л. Григоров, В. С. Мурзин и И. Д. Рапопорт, он предназначался для исследования космических лучей^[1]. Первый действующий калориметр создали в 1957 году на Памире также для исследования космического излучения^[2]. Ионизационные калориметры 1950-х — 1960-х годов имели размеры порядка нескольких квадратных метров в сечении, массу в несколько десятков тонн и работали с частицами энергией от 100 ГэВ до 10 ТэВ^[3]. Самый большой из них вступил в строй в 1964 году, он имел массу 70 тонн и размещался на горе Арагац в Армении^[3]. С началом космической эры ионизационные калориметры для исследования космических лучей стали выводить в космос^[3]. Впоследствии ионизационные калориметры стали применяться и на ускорителях для измерения энергии вторичных частиц, возникших при столкновениях разогнанных до околосветовых скоростей ядер^[1].

Типы ионизационных калориметровПравить

По типу детектируемых частиц ионизационные калориметры делятся на два класса:

Электромагнитные калориметры спроектированы для измерения энергии частиц, которые взаимодействуют с веществом главным образом посредством электромагнитного взаимодействия (фотоны, заряженные лептоны).
Адронные калориметры измеряют энергию частиц, взаимодействующих в основном посредством сильного взаимодействия (адронов).

По геометрии калоримеры разделяются на гомогенные и гетерогенные (семплинг-/сэмплинг-калориметры, от англ. sampling — «выборка; дискретизация»):

Гетерогенный детектор состоит из чередующихся слоёв поглощающего и детектирующего материалов (сэндвич-геометрия). Поглощающим материалом служат тяжёлые элементы (медь, свинец, уран и т. п.). Предпочтительно использование тяжёлых ядер и в детектирующем материале, в качестве которого может выступать сцинтиллятор (например, вольфрамат свинца PbWO₄) или черенковский радиатор (например, свинцовое стекло). В ходе остановки вторичных частиц ливня выделившаяся (в виде света) энергия собирается из детектирующих слоёв, преобразуется в электрический импульс (с помощью фотодетекторов — как правило, фотоэлектронных умножителей) и регистрируется.
В гомогенном детекторе весь объём является детектирующим.

Адронные калориметры почти всегда являются гетерогенными, так как очень трудно создать детектор частиц (сцинтиллятор, полупроводниковый детектор и т. д.) таких размеров, чтобы обеспечить в нём полное развитие и поглощение адронного ливня. Электромагнитные калориметры же, как правило, являются гомогенными — электроны, позитроны и гамма-кванты, из которых состоит электромагнитный ливень, хорошо поглощаются в детектирующих материалах, и детектор может иметь разумные размеры.

Гомогенные калориметры имеют лучшее энергетическое разрешение, чем семплинг-калориметры.

Иногда для регистрации адронной и электромагнитной компонент ливня используют расположенные последовательно электромагнитный и адронный калориметры. Электромагнитная компонента ливня поглощается в первом из них, тогда как адронная компонента проходит его без значительных потерь и поглощается адронным калориметром. За адронным калориметром в этом случае ставят мюонные камеры для регистрации мюонов, обладающих большой проникающей способностью и слабо поглощающихся даже в массивных слоях адронного калориметра.

Калориметры используются практически во всех современных ускорительных экспериментах; в качестве примеров можно привести эксперименты ATLAS, КЕДР, СНД.

См. такжеПравить

Калориметр

ПримечанияПравить

↑ ¹ ² ³ Ионизационный калориметр / Демьянов А. И., Сарычева Л. И. // Излучение плазмы — Исламский фронт спасения [Электронный ресурс]. — 2008. — С. 545—546. — (Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов ; 2004—2017, т. 11). — ISBN 978-5-85270-342-2.
↑ ¹ ² Мурзин В. С. Ионизационный калориметр // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2: Добротность — Магнитооптика. — С. 190—193. — 704 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-061-4.
↑ ¹ ² ³ ⁴ Калориметр ионизационный / Григоров Н. Л. // Италия — Кваркуш. — М. : Советская энциклопедия, 1973. — С. 228—229. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 11).

[BRE-1] ¹ ² ³ Ионизационный калориметр / Демьянов А. И., Сарычева Л. И. // Излучение плазмы — Исламский фронт спасения [Электронный ресурс]. — 2008. — С. 545—546. — (Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов ; 2004—2017, т. 11). — ISBN 978-5-85270-342-2.

[FE-2] ¹ ² Мурзин В. С. Ионизационный калориметр // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2: Добротность — Магнитооптика. — С. 190—193. — 704 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-061-4.

[BSE-3] ¹ ² ³ ⁴ Калориметр ионизационный / Григоров Н. Л. // Италия — Кваркуш. — М. : Советская энциклопедия, 1973. — С. 228—229. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 11).

[1]

[2]

[3]