Способ измерения энергии высоко ионизирующего излучения на основе тонкого калориметра

(51) 01 17/00 (2006.01) 01 19/00 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ калориметра относится к области физики космических лучей и физики высоких энергий, и может быть использован для увеличения точности при прямых измерениях энергии высокоэнергичных ядер в широком энергетическом диапазоне. Способ позволяет значительно увеличить точность измерения энергии высокоэнергичных ядер за счет анализа внутренних корреляций развития каскада, который существенно уменьшает влияние флуктуаций в развитии каскада на результаты измерения энергии. Способ основан на использовании корреляционных кривых зависимости числа частиц на определенном уровне наблюдения от разности числа частиц на двух соседних уровнях наблюдения, разделенных слоем поглотителя.(72) Лебедев Игорь Александрович Федосимова Анастасия Игоревна(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ ВЫСОКО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТОНКОГО КАЛОРИМЕТРА(57) Способ измерения энергии высоко ионизирующего излучения на основе тонкого Изобретение относится к области физики космических лучей и физики высоких энергий, и может быть использовано для увеличения точности при прямых измерениях энергии высокоэнергичных ядер в широком энергетическом диапазоне. Известен способ, позволяющий измерять энергию высокоэнергичных ядер в широком энергетическом диапазоне, на основе методики ионизационного калориметра Астрофизика космических лучей // Москва, МГУ,2006. - 668 с.). В основе метода лежит полное поглощение энергии частицы в определенном объеме вещества. Техническое воплощение современных ионизационных калориметров может быть различным, но идея остается простой первичная частица входит в плотное вещество, в веществе происходят многочисленные ядерные и электромагнитные взаимодействия,которые рождают целый каскад вторичных частиц. Если глубина вещества достаточна, то вся кинетическая энергия первичной частицы перейдет в каскад вторичных частиц, которые в свою очередь потеряют энергию на ионизацию. Для измерения характеристик каскада плотное вещество прослаивается специальными детекторами. По суммарному сигналу от датчиков восстанавливается каскадная кривая,которая представляет зависимость числа частиц в каскаде от глубины проникновения каскада в веществе. По величине максимума каскадной кривой определяется энергия первичной частицы. Главный недостаток при таком способе измерения энергии - массивные установки, так как калориметр должен иметь достаточно большую глубину для фиксации каскада. Это значительно усложняет возможности использования такого прибора в космической индустрии. Известен также способ, наиболее близкий к заявляемому, взятый за прототип (.А. ,.М. , Е.В. , Т.М. , , А-//. 2002. .65. 5..852 - 860). В прототипе для определения энергии на основе прямых измерений космических лучей используется тонкий калориметр. В тонком калориметре не ставится задача фиксации каскада вторичных частиц целиком, а регистрируется только его начало. Энергия определяется на основе анализа размера каскада, поскольку число частиц на небольшой глубине развития каскада почти пропорционально энергии первичной частицы. Дополнительно уменьшение массы калориметра в прототипе достигается использованием кинематических методов определения энергии первичной частицы. Эта методика основана на регистрации углов разлета вторичных частиц,рожденных в акте неупругого взаимодействия частицы с ядром атома мишени. Однако применение чисто кинематических методов приводит к достаточно большой ошибке в определении энергии, поэтому в протопите используется комбинированный подход измеряется не только 2 ширина каскада вторичных частиц, но и их количество, т.е. объединен кинематический метод с методом тонкого калориметра. Авторы назвали эту методику. Расчеты и тестовые эксперименты на ускорителе показали, что точность определения энергии составит около 50 с учетом априорного спектра космических лучей (В.Л. Булатов,А.В. Власов, Н.В. Горбунов, В.М. Гребенюк,Д.Е. Карманов, А.Ю. Пахомов, Д.М. Подорожный,Д.А. Полков, Л.Г. Ткачев, А.В. Ткаченко,С.П. Тарабрин, А.Н. Турундаевский, С.Б. Филиппов Тестироваие технологического образца установки НУКЛОН на пионном пучке // ПТЭ 2010,1,с.34-41). Такая низкая точность измерения энергии является существенным недостатком прототипа и обусловлена тем, что результаты измерения энергии существенно зависят от флуктуаций в развитии каскадного процесса и от массы первичного ядра. Техническим результатом данного изобретения является значительное увеличение точности измерения энергии высокоэнергичных ядер за счет анализа внутренних корреляций развития каскада,который позволяет существенно уменьшить влияние флуктуаций в развитии каскада на результаты измерения энергии. Сущность изобретения, позволяющего увеличить точность измерения энергии, сводится к тому,чтобы перейти от анализа каскадных кривых,поведение которых сильно зависит от флуктуаций в развитии каскада,к анализу внутренних корреляций,а именно использовать корреляционные кривые зависимости числа частиц на определенном уровне наблюдения от разности числа частиц на двух соседних уровнях наблюдения, разделенных слоем поглотителя. Для понимания сущности предлагаемого способа представлены результаты моделирования развития каскадных процессов, образованных первичными частицами различных масс и энергий на основе пакета программ(. ,. , , . , . .//6019, . - 1998. - 89.). На первом этапе была рассмотрена стандартная методика каскадных кривых с целью учета ошибок,влияющих на результаты измерений энергии первичной частицы. На фиг.1 представлены каскадные кривые,образованные ядром железа с различными первичными энергиями при прохождении слоя воздуха толщиной . Как видно из этой фигуры,каскадные кривые существенно флуктуируют и практически сливаются (не разделимы) при малых значениях глубины проникновения . Еще более сильно выраженная флуктуационная картина наблюдается для протонных каскадных кривых. На фиг.2 представлены каскадные кривые,образованные протонами с различными первичными энергиями при прохождении слоя воздуха толщиной . Подробный анализ распределений вторичных частиц на каждом уровне наблюдения показал, что неопределенность результатов измерений энергии на основе тонкого калориметра в первую очередь связана с флуктуациями в развитии каскада. При этом наиболее значительные флуктуации наблюдаются в первом взаимодействии. Во-первых, существенно отличается глубина проникновения ядра до первого взаимодействия. Во-вторых, множественность вторичных частиц,рожденных в первом взаимодействии, может быть от нескольких штук(в периферических взаимодействиях) до нескольких сотен или даже тысяч (в центральных взаимодействиях). Каждая из вторичных частиц в свою очередь также взаимодействует с ядрами среды и,следовательно, может производить вторичные частицы в широком интервале множественности. Но если каскады с малым числом частиц развивается непредсказуемо, то после рождения большого количества вторичных частиц дальнейшее поведение индивидуального каскада становится подобным для всех каскадов, образованных первичной частицей одной и той же энергии и массы вследствие усредняющего эффекта. Благодаря этому относительные флуктуации в развитии каскада значительно уменьшаются. Тем не менее, распределение параметров для быстроразвивающихся каскадов и медленно развивающихся ливней существенно отличается. У быстроразвивающихся первичное взаимодействие обычно является взаимодействием центрального типа и характеризуется большой множественностью вторичных частиц. Это приводит к быстрому развитию каскада. И как следствие к быстрому затуханию (поглощению). Если,например,глубина проникновения космической частицы до первого взаимодействия велика и(или) множественность первого взаимодействия мала, то каскад развивается медленно, максимум ливня сдвинут в сторону больших глубин и поэтому на уровне наблюдения величинабудет значительно ниже среднего значения. И наоборот, быстро развивающиеся ливни имеют значительно выше среднего значения. Этот факт не позволяет использовать каскадные кривые для нестатистического определения энергии первичной частицы на основе тонкого калориметра,т.е. на основе ограниченного количества измерений на восходящей ветви каскадной кривой. Более того,даже статистическое определение энергетического спектра производится с огромной ошибкой. Дело в том, что при использовании каскадных кривых для определения энергии Е в зависимости от числа частициспользуют зависимость где ,- коэффициенты, которые зависят от глубины проникновения и массы первичной частицы. В среднем формула работает правильно. Однако,на восходящей ветви каскадной кривой для быстро развивающихся каскадов энергия определяется завышено, а для медленно развивающихся каскадов - занижено. Второй наиболее важный параметр, влияющий на точность измерения энергии это неопределенность первичного ядра. Во-первых, существенно отличается глубина проникновения ядра до первого взаимодействия. Наиболее существенным фактором,определяющим наблюдаемое различие, связано с величиной сечения (Мурзин Астрофизика космических лучей // Москва, МГУ, 2006. - 668 с.) где 1,310-13 см - радиус нуклона, А атомный номер первичного ядра, падающего на атмосферу, коэффициент ядерной прозрачности, В - атомный номер ядра мишени. Поскольку средний пробег до взаимодействия с ядрами обратно пропорционален сечению, средняя глубина первичного взаимодействия в атмосфере для ядер железа, генерированных при энергии 1016 эВ, составила,011,2 г/см 2, а протонов -059,9 г/см 2. На фиг.3 представлены средние каскадные кривые, образованные протонами и ядрами железа с энергиями 1015 эВ при прохождении слоя воздуха толщиной . Из фиг.3 видно, что каскадные кривые,образованные протоном, сдвинуты в область больших глубин проникновения по сравнению скаскадными кривыми. Этот факт приводит к заниженному значению энергии протонных каскадов и к завышенному значению длякаскадов. На основе результатов моделирования было показано существование значительных флуктуаций практически всех измеряемых характеристик каскада в зависимости от параметров первого взаимодействия. Суть разрабатываемого способа, позволяющий увеличить точность измерения энергии, сводится к тому, чтобы перейти от анализа каскадных кривых,поведение которых сильно зависит от флуктуаций в развитии каскада,к анализу внутренних корреляций. Основная идея исследования была основана на предположении об универсальности развития каскада. Данное предположение базировалось на следующем. Среди различных причин, вызывающих флуктуации, наибольший эффект дают флуктуации первого акта взаимодействия, поскольку в последующих взаимодействиях число участвующих частиц как велико, что флуктуации индивидуальных взаимодействий более или менее компенсируют друг друга. Следовательно,все каскады,образованные первичными частицами одинаковой массы и энергии, начиная с некоторого момента,развиваются практически одинаково. Данное предположение было подтверждено результатами моделирования. В дальнейшем при разработке программноматематической структуры решения задачи определения энергии первичной частицы 3 использовался принцип минимизации экспериментальных измерений. Принцип минимизации экспериментальных измерений подразумевает использование для определения энергии первичной частицы минимально необходимого числа экспериментальных измерений. В наиболее простом случае калориметр позволяет определять количество вторичных частиц в каскаде на нескольких уровнях наблюдения,разделенных слоем поглотителя. Таким образом, стояла задача, используя только этот ограниченный набор измерений, рассмотреть наряду со стандартными каскадными кривыми другие варианты анализа измеряемых величин, с целью повышения точности определения энергии. Выбор вариантов при этом невелик. Во-первых,рассмотреть зависимость числа частиц, , на разных уровнях наблюдения друг от друга, точнее 2 от 1. Во-вторых, рассмотреть зависимость числа частиц на уровне наблюдения от разницы числа частиц на двух уровнях наблюдения,1 - 2, характеризующую скорость развития каскада. И, в-третьих, рассмотреть зависимость 1, от 1 от 2 т.е. изменение скорости развития каскада. Наиболее подходящее распределение имеют корреляционные кривые зависимости числа частиц на определенном уровне наблюдения от разности числа частиц на двух соседних уровнях наблюдения, разделенных слоем поглотителя. Для удобства в дальнейшем такие зависимости будут называться корреляционными -кривыми. На фиг.4 представлены данные корреляционные кривые для тех же взаимодействий, что и на фиг.1. Корреляционныекривые, как видно из фиг.4, представляют собой более упорядоченную картину. Флуктуации восходящей ветви корреляционной кривой не столько значительны,как в случае каскадных кривых. Примерно аналогичная упорядоченная картина наблюдается для каскадных кривых, образованных первичным протоном. На фиг.5 представлены каскадные кривые,образованные протонами с различными первичными энергиями при прохождении слоя воздуха толщиной . Анализ фиг.4 и 5 показывает, что вне зависимости от заряда первичного ядра,использование корреляционных-кривых позволяет существенно уменьшить ошибки определения энергии первичной частицы, связанные с флуктуациями в развитии каскада. Второй наиболее важный параметр, влияющий на точность измерения энергии это неопределенность первичного ядра. На фиг.6 представлены средние каскадные кривые - результаты моделирования развития каскадного процесса, образованного ядрами железа и протонами с фиксированной энергией 1015 эВ при прохождении слоя воздуха толщиной 600 г/см 2. Из фиг.6 видно, корреляционныекривые практически совпадают для обоих типов ядер. 4 Таким образом, при использовании корреляционных кривых автоматически решается проблема неопределенности первичного ядра. Дело в том, что точки максимума всех каскадных кривых сдвинуты в одну точку 0 вне зависимости от глубины проникновения. Данная точка характеризует изменение динамики развития каскадного процесса, при котором каскад проходит точку максимума. Таким образом, использование корреляционных- кривых позволяет существенно уменьшить ошибки определения энергии первичной частицы,связанные с неопределенностью первичного ядра. В результате исследования различных параметров, характеризующих развитие каскадного процесса, обнаружено, что корреляционныекривые, т.е. зависимость числа частиц на определенном уровне наблюдения от разности числа частиц на двух соседних уровнях наблюдения, разделенных слоем поглотителя,представляют собой структуру с необходимым набором свойств, а именно- упорядоченность в зависимости от энергии первичного ядра- слабые флуктуации, практически не зависящие от параметров развития каскадного процесса- независимость (слабая зависимость) от неопределенности первичного ядра- однозначность зависимости корреляционных параметров, а именноиПроцедура анализа состояла из нескольких основополагающих этапов- Моделирование каскадов образованных первичными протонами и ядрами железа с фиксированными энергиями- Фитирование -распределений полиномами третьего порядка и построение для каждой фиксированной энергии функции зависимостиотв виде 0 1 22 33- Фитирование коэффициентов а 0, 1, 2, а 3 в зависимости от энергии и построение зависимостиоти 0 в виде(2) Моделирование тестовых каскадов,образованных первичными протонами и ядрами железа с произвольными энергиями и реконструирование первичной энергии на основании зависимости (2). Для определения энергии -того тестового каскада, пользуясь набором кривых (2), необходимо варьироватьи Е 0 таким образом, чтобы одновременно минимизировать разности гдеизм и изм - измеренные характеристики тестового каскада на уровне наблюдения. В последующем анализе величинапринималась равной 0,001.-0/0 а при оценке энергии по формулам (3) составила 7. Точность определения энергии на основе стандартной методики каскадных кривых в случае регистрации каскада до глубины его максимального развития точность составляет около 50(В.Л. Булатов, А.В. Власов, Н.В. Горбунов,В.М. Гребенюк, Д.Е. Карманов, А.Ю. Пахомов,Д.М. Подорожный, Д.А. Полков, Л.Г. Ткачев,А.В. Ткаченко, С.П. Тарабрин, А.Н. Турундаевский,С.Б. Филиппов Тестироваие технологического образца установки НУКЛОН на пионном пучке // ПТЭ 2010,1, с.34-41) Это с очевидностью свидетельствует в пользу предлагаемого способа определения первичной энергии, так как существенно уменьшается необходимая толщина калориметра и повышается точность измерений. Таким образом, предложен способ, позволяющий существенно увеличить точность измерения энергии высоко ионизирующего излучения на основе тонкого калориметра при прямых измерениях энергии высокоэнергичных ядер в широком энергетическом интервале. Для исследования возможности осуществления технической реализации тонкого калориметра на основе предлагаемого способа было проведено моделирование развития каскадных процессов,образованных первичными частицами различных масс и энергий на основе пакета программ 4// 2007.678 р.),который является часто используемым для анализа технических устройств различной конфигурации. 2014. -. 106. -.83-87.). На основании результатов моделирования в данном разделе представлен компьютерный макет тонкого калориметра для измерения высоко ионизирующего космического излучения. На фигуре 7 представлена схема макета тонкого калориметра. Макет тонкого калориметра включает три основных блока блок измерения заряда первичной частицы, мишенный блок и блок измерения энергии. Блок измерения заряда представляет собой стандартный блок на основе высокоомного кремния,используемый в большинстве приборов такого типа(Булатов .Л., Власов А.В., Горбунов Н.В.,Гребенюк В.М., Карманов Д.Е., Пахомов А.Ю.,Подорожный Д.М., Полков Д.А.,. Ткачев Л.Г,. Ткаченко А.В,. Тарабрин С.П, Турундаевский А.Н.,Филиппов С.Б. Тестирование технологического образца установки НУКЛОН на пионом пучке. // ПТЭ - 2010. -1. - с.34-41.). Кроме определения заряда, данный блок дает возможность определения точки входа первичной частицы в установку и первичной оценки азимутального угла . Ошибка определения В качестве мишенного блока используется свинец. Этот материал имеет высокое значение критической энергии и низкое значение радиационной единицы. Это приводит к быстрому развитию каскадного процесса. Оптимальная толщина мишенного блока 1 см. Толщина блока измерения энергии составляет 19 см кремния, что примерно соответствует двум радиационным единицам. Измерительный блок имеет два тонких измерительных слоя микростриповых детекторов(МСД), расположенных на расстоянии одной радиационной единицы друг от друга. МСД позволяют удовлетворить всем требованиям корректного определения пространственного распределения ливня и уже довольно давно используются для анализа процессов множественного рождения на крупнейших ускорителях частиц. Принцип действия кремниевых детекторов основан на сборе электрического заряда,возникшего в кристалле высокоомного кремния после прохождения заряженной частицы. Сигнал пропорционален ионизационным потерям частицы в кремнии,которые,в свою очередь пропорциональны квадрату ее заряда. Сбор заряда с детектора осуществляется со структур в виде полосок проходящих вдоль детектора (стрипов). Каждый элемент таких структур в электрическом отношении является независимым датчиком, и по его отклику можно определить место, где частица пересекла кристалл. В предлагаемом способе последовательно измеряется число частиц на первом измерительном слое и затем на втором измерительном слое. Данные передаются на программно-вычислительный комплекс, в котором в онлайн режиме определяется энергия на основе двумерных калибровочных функций,связывающих энергию первичной частицы с числом частиц на втором уровне наблюдения и разностью числа частиц на первом и втором уровнях наблюдения, разделенных слоем поглотителя. Калибровочные функции заранее закладываются в вычислительный алгоритм на основе фитирования корреляционных кривых для ионизирующих частиц различных энергий для каждого конкретного тонкого калориметра. Таким образом, необходимым условием корректного измерения энергии на основе предлагаемого способа является предварительная калибровка программно-измерительного комплекса. Для представленного макета проведено моделирование развития каскада внутри предлагаемого тонкого калориметра на основе пакета программ 4, вычислены двумерные калибровочные функции по формулам (2) и проведены тестовые измерения энергии моделированных ливней. На фиг.8 представлены средние корреляционные кривые, образованные ядрами железа и протонами с энергиями 1012 эВ, 1013 эВ при прохождении калориметра, представленного на фиг.7. Толщина поглотителя для расчетасоставляет 10 см кремния . На основе описанной выше процедуры определения энергии тестовых ливней, получено,что ошибка измерения энергии-0/0 при оценке по формулам (1-3) составляет менее 10. Таким образом, даже с учетом отклика установки точность измерения энергии на основе предлагаемого способа значительно выше точности измерения энергии на основе прототипа. Это с очевидностью свидетельствует в пользу предлагаемого способа. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ измерения энергии высоко ионизирующего излучения на основе тонкого калориметра при прямых измерениях энергии высокоэнергичных ядер в широком энергетическом диапазоне, отличающийся тем, что осуществляют последовательное измерение числа ионизирующих частиц на первом измерительном уровне ионизационного калориметра, измерение числа ионизирующих частиц на втором измерительном уровне ионизационного калориметра, отделенном от первого уровня слоем поглотителя и проводят онлайн вычисления энергии ионизирующего излучения на программно-вычислительном комплексе с помощью анализа внутренних корреляций, используя корреляционные кривые на основе двумерных калибровочных функций,связывающих энергию первичной частицы с числом частиц на втором уровне наблюдения и разностью числа частиц на первом и втором уровнях наблюдения, разделенных слоем поглотителя.