Энергетическое разрешение детекторов с фокусировкой

Энергию частицы в черенковском детекторе можно измерять, используя однозначную связь угла излучения со скоростью частицы, а, следовательно, и ее энергией. Любая причина, искажающая связь между углом и скоростью или ограничивающая точность измерения угла, влияет на точность измерения скорости и энергии.

Неопределенность при измерении угла θ может возникнуть по многим причинам, как связанным с конструкцией счетчика (например, ширина коллимирующей щели) и параметрами пучка, так и вытекающим из физики явления.

Рассмотрим основные физические эффекты, определяющие энергетическое разрешение счетчика Черенкова, а именно:

а) оптическую дисперсию;

б) уменьшение скорости частицы при прохождении ее через радиатор,

в) многократное кулоновское рассеяние частицы в радиаторе.

Угловая дисперсия, возникающая из-за оптической дисперсии, приводит к неоднозначности при измерении угла излучения Вавилова–Черенкова

Обычно дисперсия меньше 1° для видимой части спектра излучения Вавилова–Черенкова. Вследствие потери энергии частицей при прохождении через радиатор ее скорость уменьшается, что приводит к изменению угла θ и уменьшению числа фотонов, испущенных на единице длины пути. Для частиц с очень большими энергиями, для которых ионизационные потери минимальны и выход фотонов практически не меняется, эти эффекты не существенны. Но при уменьшении энергии частицы, когда растет теряемая энергия на единице пути и усиливается зависимость скорости частицы энергии, эти эффекты могут быть заметными. Скорость изменения угла излучения Вавилова–Черенкова вдоль пути частицы пропорциональна удельным потерям энергии dE/dx. Отклонение направления движения частицы в среде от ее первичного направления вследствие многократных уклонений на малые углы при кулоновском рассеянии на ядрах принято характеризовать среднеквадратичным углом рассеяния. Вели­чина его прямо пропорциональна корню квадратному из расстояния, пройденного частицей в радиаторе, и уменьшается при увеличении энергии частицы.

Относительное значение каждого из рассмотренных трех источников неопределенности θ зависит от типа частицы, ее энергии, ядерных и оптических свойств среды. Вклады этих процессов в большинстве случаев приблизительно одинаковы. Следует заметить, что очень часто, особенно когда счетчик Черенкова является частью сложной экспериментальной установки, его энергетическое разрешение определяется поперечным размером пучка заряженных частиц и возникающей вследствие этого аберрации. В детекторах, специально сконструированных для измерения энергии частиц, можно добиться в сравнительно узком диапазоне энергетического разрешения Δ Е/Е ~ 1%.

Временное разрешение счетчиков Черенкова с фокусировкой практически всегда определяется временными характеристиками фотоумножителей, поскольку длительность световой вспышки в радиаторе очень мала. Она определяется временем прохождения релятивистской частицы через радиатор, которое обычно меньше 10^-9 сдля твердых и жидких радиаторов, и конечной длительностью волнового фронта излучения Вавилова–Черенкова, которая также существенно меньше 10^-9 с. В черенковских пороговых детекторах большого объема, в которых излучение достигает фотокатода фотоумножителя после многократных отражений от стенок контейнера с радиатором, длительность вспышки заметно увеличивается и может достигать десятков наносекунд.

5.4. СПЕКТРОМЕТРИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ