«МАГНИТНЫЙ СПЕКТРОМЕТР»

МАГНИТНЫЙ СПЕКТРОМЕТР - прибор для измерения энергетического спектра заряженных частиц, в котором определяется кривизна траекторий частиц в магнитном поле; частицы регистрируются детекторами частиц.

magnetic spectrometer

magnetic spectrometer

МАГНИТНЫЙ СПЕКТРОМЕТР

прибор для измерения импульсов заряж. ч-ц по кривизне их траекторий в магн. поле. Если при этом измеряется скорость ч-цы, то можно определить её массу, т. е. идентифицировать ч-цу (см. ЛОРЕНЦА СИЛА). М. с. используются для исследований бета-распада (см. БЕТА-СПЕКТРОМЕТР), яд. реакций и др. явлений, наблюдаемых при малых энергиях ч-ц. Физ. процессы в этом случае характеризуются малым числом рождающихся ч-ц в каждом акте и сравнительно высокой вероятностью. Поэтому соответствующие М. с., как правило, одноканальные приборы с небольшой апертурой, содержащие на выходе детектор, регистрирующий ч-цу с фиксиров. траекторией. Энергетич. спектр ч-ц измеряется последовательным изменением магн. поля.

Рис. 1. Схема двухплечевого магн. спектрометра: 1 — мишень, в к-рой происходит исследуемый процесс; 2 — магниты; 3 — магн. линзы; 4 — трековые детекторы; 5 — сцинтилляц. счётчики; 6 — газовые черенковские счётчики; 7 — ливневые спектрометры для идентификации эл-нов; 8 — сцинтилляц. счётчики.

Развитие физики ч-ц высоких энергий привело к созданию сложных М. с. для изучения разнообразных процессов, сопровождающихся рождением большого числа ч-ц в каждом акте (см. МНОЖЕСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ). Эти процессы обычно характеризуются малой вероятностью, что требует приборов с большой светосилой. Часто необходимо одновременно измерять траектории и импульсы неск. заряж. ч-ц разл. типов, идентифицировать их и определять эфф. массу системы ч-ц или т. н. недостающую массу (см. ниже); выделять редкие процессы (напр., двухчастичные распады короткоживущих ч-ц) на фоне большого кол-ва др. процессов. М. с. для таких экспериментов — сложные установки, содержащие трековые детекторы с автоматизиров. съёмом информации (искровые камеры (проволочные), пропорциональные камеры, дрейфовые камеры) с десятками, сотнями тысяч каналов регистрации ч-ц, сотни сцинтилляционных счётчиков, многочисл. детекторы для идентификации вторичных ч-ц (черенковские счётчики (газовые), электронные и мюонные идентификаторы), работающие в линию с ЭВМ. В более простых М. с. в магн. поле расположены оптические искровые и стримерные камеры. Эти М. с. обладают меньшим быстродействием.

Двухплечевые М. с. позволяют исследовать процессы, при к-рых две ч-цы испускаются в одном акте, напр. двухчастичный распад. Ч-цы регистрируются в каждом из плеч М. с. (рис. 1). Измеряя их импульсы и угол между ними, можно восстановить эфф. массу объекта, при двухчастичном распаде к-рого они возникли. В детектор попадает только малая доля вторичных ч-ц, образующихся в мишени, Двухплечевые М. с. могут работать в очень интенсивных пучках (=1012 ч-ц за цикл работы ускорителя), что важно при исследовании редких процессов.

Рис. 2. Схема широкоапертурного автоматизированного магнитного спектрометра: 1 — магнит; 2 — трековые детекторы; 3 — сцинтилляционные годоскопич. счётчики; 4 — многоканальный черенковский газовый счётчик для идентификации вторичных ч-ц; 5 — ливневый спектрометр для регистрации эл-нов и g-квантов; б — мюонный детектор в виде системы годоскопич. счётчиков и трековых детекторов, прослоённых Fe; 7 — мишень; 8 — дополнительные сцинтилляц. счётчики.

Именно с помощью таких М. с. открыты J/y-частица с массой 3,1 ГэВ и ипсилон-частица с массой 9,5 ГэВ. Обе ч-цы выделены по их двухлептонным распадам (J/y®е+е- и? ®m+m-). Двухплечевые М. с. регистрируют события только в очень узком кинематич. диапазоне (напр., регистрируется только J/y и ипсилон-частицы, почти покоящиеся в системе центра масс). Кроме того, они обладают малой светосилой и непригодны для анализа сложных многочастичных процессов.

Широкоапертурные М. с. (рис. 2) позволяют измерять траектории и импульсы нескольких вторичных ч-ц, образующихся при вз-ствии первичных ч-ц высоких энергий в мишени установки, идентифицировать вторичные ч-цы, определять эфф. массы их разл. комбинаций. Широкоапертурные М. с. обладают большой светосилой, однако значит. часть первичного пучка, как правило, проходит через всю установку, и поэтому они обычно работают при интенсивности, не превышающей неск, миллионов ч-ц за один цикл работы ускорителя. Они могут также настраиваться на выделение двухчастичных распадов ч-ц определ. массы, напр. нейтральных К-мезонов в опытах по изучению нарушения СР-инвариантности в К° ®2p-распадах.

Спектрометры недостающей массы применяются при исследовании короткоживущих ч-ц (резонансов).

Рис. 3. Принцип действия спектрометра недостающих масс; вверху схема спектрометра (а), внизу спектры недостающих масс — гладкий (б) и с максимумами (в).

Пусть происходит реакция p-+ р® р+Х- (X — все вторичные ч-цы). Если измерять импульс и угол вылета протона отдачи р с помощью протонного спектрометра (рис. 3,a), то можно определить эфф. массу Мх системы Х- (т. н. недостающую массу). Если в реакции всегда образуется неск. независимых вторичных ч-ц, спектр недостающих масс гладкий. Однако если реакция идёт в два этапа — сначала совместно с протоном отдачи образуются мезонные резонансы с массами M1 или М2 или М3 и соответствующими ширинами Г1, Г2, Г3, а затем резонансы распадаются на вторичные ч-цы, то спектр недостающих масс содержит максимумы, свидетельствующие о существовании резонансов.

Спектрометры для экспериментов со встречными пучками, как правило, содержат большие сверхпроводящие соленоиды, окружающие область, где взаимодействуют два сталкивающихся пучка ч-ц. Такие магн. системы перекрывают телесный угол, близкий к 4л. Встречные пучки проходят по оси соленоида, а детекторы ч-ц (трековые детекторы, сцинтилляц. счётчики, ливневые детекторы и т. д.) располагаются концентрически как внутри соленоида, так и вне его. С помощью спектрометров такого типа открыты y- и y'-частицы, очарованные мезоны и тяжёлые лептоны.

МАГНИТНЫЙ СПЕКТРОМЕТР

- прибор для измерения импульсов заряж. частиц по кривизне их траекторий в магн. поле. Осн. характеристиками М. с. являются ого разрешающая способность (т. е. точность измерения импульса частицы) и апертура, определяющая телесный угол, в к-ром производится регистрация частиц. Простейшие М. с.-одноканальные приборы с небольшой апертурой и фиксированной траекторией частиц в магн. поле. Энергетич. спектр частиц измеряется при последоват. изменениях магн. поля Н. Такие М. с. применяются, как правило, в области малых и средних энергий частиц для изучения процессов, происходящих со сравнительно высокой вероятностью и характеризующихся малым кол-вом вторичных частиц. Если измеряется не только импульс, но и скорость частицы (напр., по времени пролёта), то можно определить её массу, т. е. идентифицировать частицу (напр., протон, дейтрон, ядро Не).

Для увеличения апертуры и снижения уровня фона применяются М. с. с фокусировкой, напр. для исследования -распада ядер (см. Бета-спектрометр). Это позволяет регистрировать частицы с определёнными импульсами, вылетающие в широком интервале углов. Фокусировка достигается с помощью спец. конфигурации магн. поля.

М. с. применяются и для определения энергии жёстких -квантов, образующих электрон-позитронную пару в веществе (конверторе). При этом измеряются импульсы электрона и позитрона (см. Гамма-спектрометр). Такой М. с. характеризуется хорошим энергетич. разрешением, однако его светосила невелика, т. к. для получения высокого разрешения необходимо максимально уменьшить потери энергии частиц в конверторе. Конвертор должен быть тонким и вероятность образования -пары мала (~5-10%). Широкоапертурные гибридные М. с. служат для изучения процессов, сопровождающихся рождением большого числа частиц в каждом акте взаимодействия (см.

Множественные процессы). Эти процессы обычно характеризуются малой вероятностью, что требует М. с. с большой светосилой. Часто необходимо одновременно измерять траектории и импульсы неск. заряж. частиц разл. типов, идентифицировать и определять эффективную массу системы частиц (или т. н. недостающую массу, см. ниже), выделять редкие явления (напр., распады короткоживущих частиц на фоне большого кол-ва др. процессов).

Особый интерес представляют комбинированные системы детекторов, в состав к-рых помимо М. с. входят многоканальные системы для регистрации -квантов и измерения энергии частиц калориметрич. методами. Это позволяет полностью определять кинематику многочастичных событий (рис. 1). Для увеличения магн. поля используются сверхпроводящие магниты или системы из неск. М. с. Для идентификации вторичных заряж. частиц служат черенковские счётчики (газовые), переходного излучения детекторы, эл.-магн. и адронные калориметры (см. Ионизационный калориметр), мюониые детекторы. Общее число каналов информации в таких установках достигает 10⁶-10⁷. Обработка информации происходит с помощью (в линию) ЭВМ.

Рис. 1. Схема магнитного спектрометра, используемого в экспериментах на ускорителях: 1 - магнит; 2 - трековые детекторы, регистрирующие траектории (треки) частиц в магнитном поле (пропорциональные и дрейфовые камеры, искровые проволочные камеры); 3 - годоскопы сцинтилляционных счётчиков; 4 - многоканальный черепковский газовый детектор для идентификации вторичных частиц; 5 - спектрометр для регистрации электронов и -квантов; 6 - мюонный детектор (система сцинтилляционных 3 и трековых 2 детекторов, прослоенных Fe); 7 - мишень; 8 - детекторы, включённые в схему совпадения, регистрирующую первичные частицы.

Двухплечевые М. с. применяются при исследовании двухчастичных процессов (упругое рассеяние, двухчастичные распады короткоживущих частиц и т. д., рис. 2). Измеряя импульсы частиц в каждом из плеч М. с. и угол между ними, можно восстановить эффективную массу первичной частицы. Двухплечевые М. с. могут работать в интенсивных пучках (~10¹² частиц за цикл работы ускорителя), что важно при исследовании редких процессов. Именно с помощью таких М. с. открыты -частица и ипсилон-частица. Обе они выделены по двухлептонным распадам: или . Двухплечевые М. с. регистрируют события только в узком кинематич. диапазоне (напр., регистрируется только или только , почти покоящиеся в системе центра масс). Они непригодны для анализа сложных многочастичных процессов.

Рис. 2. Схема двухплечевого магнитного спектрометра: 1- мишень; 2 -магниты; 3 -магнитные линзы; 4- трековые детекторы; 5,8 - сцинтилляционные детекторы; 6 -газовые черенковские счётчики; 7 - ливневые спектрометры для идентификации электронов.

Спектрометры недостающей массы применяются при исследовании короткоживущих т. н. резонансных частиц (см. Резонансы). Напр., если происходит реакция (- все вторичные частицы), то, измеряя импульс и угол вылета протона отдачи р с помощью протонного спектрометра (рис. 3, а), можно определить эффективную массу системы (т. н. недостающую массу). Если в реакции всегда образуется неск. независимых вторичных частиц, спектр недостающих масс гладкий (рис. 3, б). Однако если реакция идёт в 2 этапа - вначале совместно с протоном отдачи образуются мезонные резонансы, а затем резонансы распадаются на вторичные частицы, то спектр недостающих масс содержит максимумы, свидетельствующие о существовании резонансов (рис. 3, в). Спектрометры недостающей массы обычно дополняют какие-то др. приборы, напр. широкоапертурные М. с. В этом случае происходит как бы двойной отбор событий: с помощью спектрометра недостающих масс восстанавливается процесс образования состояния , а распад этого резонанса регистрируется и изучается в широкоапертурном М. с.

Рис. 3. Принцип действия спектрометра недостающих масс; вверху: схема спектрометра ( а), внизу: спектры недостающих масс - гладкий ( б) и с максимумами ( в).

Железные М. с. Для измерения импульса и идентификации мюонов высоких энергий, к-рые могут без поглощения проходить значит. толщины вещества, применяются большие спектрометры из намагниченных слоев Fe. Точность измерения импульса в железном спектрометре растёт при увеличении отклонения в магн. поле и ограничивается многократным рассеянием в Fe. Т. к. угол отклонения линейно растёт с длиной траектории L, а угол многократного рассеяния пропорционален то с увеличением длины железного М. с. точность измерений импульса растёт. Железные М. с. часто применяются в качестве мюонных детекторов в нейтринных опытах. Иногда железный М. с. объединяет функции и спектрометра, и мишени.

М. е. для экспериментов со встречными пучками включают в себя сверхпроводящие соленоиды или большие магниты, окружающие область, где взаимодействуют 2 сталкивающихся пучка частиц. Такие магн. системы перекрывают угол, близкий к . Встречные пучки проходят по оси установки, а многочисл. регистрирующие приборы располагаются концентрически как внутри самого М. с., так и вне его.

Лит.: Методы измерения основных величин ядерной физики, под ред. К. Л. Люк Юан и By Цзянь-сюн, пер. с англ., М., 1964; Элементарные частицы, в. 2, М., 1978; в. 2, М., 1980; в. 1, М., 1981; в. 1, М., 1984 [материалы школ физики ИТЭФ].

Л. Г. Ландсберг.