Газовый черенковский счетчик

Газовый черенковский счетчик

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к экспериментальной физике элементарных частиц и может быть использовано в экспериментах на ускорителях частиц и коллайдерах. Газовый черенковский счетчик позволяет повысить плотность черепковского излучения на входе матричного фотоприемникз и дает возможность вести регистрацию частиц в условиях повышенного отношения сигнала к шуму. Счетчик содержит газовый радиатор , фокусирующее зеркало в виде асферической фигуры вращения с образующей в виде дуги параболы, ось которой параллельна лучам света черепковского излучения, хроматический компенсатор выполнен в виде фазовой кольцевой дифракционной решетки на конусном носителе, коническое зеркало и систему перемещения и контроля положения конического зеркала, матричный фотоприемник, а также систему перемещения и контроля положения матричного фотоприемника . 1 ил (Л С

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

tsi)s G 01 Т 1/22

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Яу36Щ гдеP = V/С; (21) 4805192/25 (22) 23.03,90 (46) 30.11.91. Бюл. ¹ 44 (71) Объединенный институт ядерных исследований (72) Л.М. Сороко (53) 539.1.074.4(088.8) (56) M. Benot et а! Nucl Justr. and Meth 105 (1972), 431 — 444, M. Benot апб R, Neunler Nucl Justr and

Meth 169 (1980) р, 445-455.

М. Benot et ai, Nucl Justr and Meth 111 (1973) 397 — 412.

М. Benot et al Nucl Justr and Meth. 165 (1979) 439 — 461.

R. Neunier Nucl Justr and Meth in Phys

Research А 235 (1985) 290 — 295.

А. Somrnerfeld. Optics, Academic Press, 1954, р. 222. (54) ГАЗОВЫЙ ЧЕРЕНКОВСКИЙ СЧЕТЧИК (57) Изобретение относится к эксперименИзобретение относится к экспериментальной физике элементарных частиц и может быть использовано в экспериментах на ускорителях частиц и коллайдерах.

Известен изохронный дифференциальный счетчик. который содержит газовый радиатор, сферическое зеркало, оптический корректор аберраций типа комы, оптичеСкий хроматический корректор, кольцевую диафрагму и фотоприемник. Черенковское излучение заряженной частицы, идущей вдоль оптической оси или параллельно оптической оси счетчика, отражается от сферического зеркала и фокусируется в кольцо.

Кольцввая диафрагма пропускает черенковекое иЗлучение только тех частиц. которые

„„SU ÄÄ 1695240 Al тальной физике элементарных частиц и может быть использовано в экспериментах на ускорителях частиц и коллайдерах. Газовый черенковский счетчик позволяет повысить плотность черенковского излучения на входе матричного фотоприемника и дает возможность вести регистрацию частиц в условиях повышенного отношения сигнала к шуму. Счетчик содержит газовый радиатор, фокусирующее зеркало в виде асферической фигуры вращения с образующей в виде дуги параболы, ось которой параллельна лучам света черенковского излучения, хроматический компенсатор выполнен в виде фазовой кольцевой дифракционной решетки на конусном носителе, коническое зеркало и систему перемещения и контроля положения конического зеркала, матричный фотоприемник, а также систему перемещения и контроля положения матричного фотоприемника. 1 ил. имеют вполне определенную скорость. 0стальные частицы не регистрируются, Если частица идет в стороне от оптической оси системы, но все же параллельна оптической оси системы, то положение и радиус черенковского кольца остаются такими же, как и для частицы, идущей вдоль оптической оси.

Угол черенковского излучения Освязан с показателем преломления света п(А) длиной волны А в газовом радиаторе и скоростью частицы V соотношением — 02 =(и (Л) — 1) — (1 —,В), (1)

1 2

1695240

С вЂ” скорость света в вакууме.

Чтобы компенсировать хроматическое размытие в черенковском излучателе и тем самым повысить плотность черенковского излучателя, используют хроматический корректор, состоящий из аксикона и сферической линзы, Применение двойной аксиконной линзы, состоящей иэ плавленого кварца и хлористого натрия, позволяет исправить одновременно хроматические аберрации черенковского излучения и кому.

Для увеличения плотности черенковского света на входе фотоприемника известна система с фокусировкой черенковского излучения в точку, Наиболее близким техническим решением к изобретению является газовый черенковский счетчик, содержащий газовый, радиатор, сферическое зеркало, передаточные линзы и матричный фотоприемник, а также вспомогательное плоское зеркало.

Заряженная частица в газе газового радиатора создает черенковское излучение, которое сферическим зеркалом фокусируется в кольцо, вспомогательное плоское зеркало переносит зто кольцо на матричный фотоприемник. По пути к нему черенковское излучение проходит через систему из двух, линз.

При помощи этих двух линз достигается компенсация хроматических аберраций че ренковского излучения, а также уменьшение диаметра черенковского кольца на входе матричного фотоприемника. В режиме фокусировки черенковского излучения в точку используется тороидальная линза.

Объем, газового радиатора заполняется газом, преимущественно гелием, до рабочего давления, включают матричный фотоприемник и приступают к работе. Каждая частица со скоростью, близкой к средней скорости j4 г (1 Po) — (по 1 ) (2) где Оо — средний угол черенковского излучения;

n0 — средний показатель преломления света в газе, образует на входе фотоприемника кольцо, радиус которого определяется скоростью данной частицы Р, а положение центра черенковского кольца определяется углом, который частица образует с оптической осью . системы. Указанная информация фиксируется на матрице фотоприемников и вместе с данными, поступающими от других элементов экспериментальной установки (ro5 - Однако ширина черенковского кольца на- входе .матричного фотоприемника при заданном радиусе черенковского кольца обусловлена сферическими аберрациями

50 о =2 (по-1 ) —— г г (3}

45 доскопических систем, трековой камеры и спектрометра вторичных частиц), позволяет получить полное описание наблюдаемого события. сферического зеркала, остаточной аберрацией типа комы, а также остаточной хроматической аберрацией черенковского излучения. Сферическая аберрация возникает потому, что точки, из которых выходит черенковское излучение, лежат в большом участке, обычно составляющем около 2 м.

Аберрация типа комы возникают потому, что пучок света черенковского излучения распространяется вблизи конусов, которые образуют конечный угол с оптической осью счетчика. Хроматические аберрации в черенковском излучении не удается убрать полностью потому, что у изготовителя име- ется весьма ограниченный выбор материала для хроматического компенсатора, который обычно состоит из двух компонент. Здесь важным является также требование, чтобы оптика пропускала без поглощения света с длиной волны вплоть po Qi„= 0,28 мкм.

Цель изобретения — повышение плотности черенковского излучения на входе матричного фотоприемника путем подавления аберраций.

Поставленная цель достигается тем, что в газовом черенковском счетчике, содержащем газовый радиатор, фокусирующее зеркало, хроматический компенсатор, систему перемещения и контроля положения хроматического компенсатора, матричный фотои риемник, систему перемещения и контроля положения матричного фотоприемника, а также блок записи данных, фокусирующее зеркало выполнено в виде асферической фигуры вращения, образующая фокусирующего зеркала являегся дугой пзраболы, ось указанной параболы образу ет с оптической осью системы угол д, равный среднему углу черенковского излучения до, т.е. где no — средний показатель преломления света в газе;

7о — средний релятивистский множитель регистрируемых частиц, фокусное расстояние указанной параболы выбрано больше длины газового радиатора, хроматический компенсатор выполнен в виде коль1695240 цевой дифракционной фазовой решетки, основная часть дифрагированного света в которой направляется в минус первый порядок дифракции, т.е, в сторону от оптической оси газового черенковского счетчика, носитель кольцевой дифракционной решетки выполнен в виде конуса с углом конусности поверхностей (90 — 0o ), в газовый черенковский счетчик введено коническое зеркало с внутренней отражающей поверхностью, а также система перемещения и контроля положения конического зеркала с внутренней отражающей поверхностью.

На чертеже схематически изображен предложенный азовый черенковский счетчик.

Счетчик содержит газовый радиатор 1, фокусирующее зеркало 2, хроматический компенсатор 3, систему 4 перемещения и контроля положения хроматического компенсатора, коническое зеркало 5 с внутренней отражающей поверхностью, систему 6 перемещения и контроля положения конического зеркала с внутренней отражающей пОверхностью, матричный фотоприемник 7, систему 8 перемещения и контроля положения матричного фотоприемника, блок 9 записи данных.

Заряженная частица со средним релятивистским множителем образует в газовом радиаторе 1 черенковское излучение, лучи света которого в плоскости чертежа параллельны друг другу. После отражения от фокусирующего зеркала 2 эти лучи фокусируются в точку, которая находится на линии, образующей угол О< с оптической осью системы (3). Возникает кольцо черенковского излучения. Особенность его состоит в том, что лучи света сначала проходят через оптическую ось системы и только потом фокусируются в черенковское кольцо. Возникает своеобразное "выворачивание наизнанку", которого нет ни в одном из известных газовых черенковских счетчиков. Только таким образом убирается кома.

Далее лучи света черенковского излуче ния проходят через хроматический компе/ нсатор 3, при этом они падают перпендикулярно образующей носителя хроматического компенсатора 3. Происходит дифракция .света на кольцевой фазовой дифракционной решетке. Показатель преломления света в газе и (А) увеличивается с уменьшением длины волны света А и поэтому угол черенковского излучения 0 также увеличивается с уменьшением длины волны света. Чем меньше длина волны света А, тем больше угол черенковского излучения 6(il ). Это

1 соотношение остается неизменным после указанного выворачивания наизнанку черенковского кольца. В результате радиус черенковского кольца в устройстве меньше

5 для красного света, чем для синего света.

Хроматический компенсатор 3, выполненный в виде фазовой кольцевой дифракционной решетки на коническом носителе, обладает намного большей силой компенса10 ции хроматических аберраций в черенковском излучателе, чем хроматический компенсатор в устройствах с использованием преломления света, Это следует из того, что для фракционного оптического элемен15 та относительный хроматический эффект равен

1df 1

Х дХ

{4) 20 где f — фокусное расстояние дифракционного оптического элемента, например, дифракционной линзы, и примерно в 20 — 25 раз превышает относительный хроматический

25 эффект сферической преломляющей ïîååðхности, равный

sIn Од = —, а (6) где Од — угол дифракции;

45 а — шаг решетки, т.е. чем больше длина волны, тем больше угол дифракции (Од ), то первый порядок дифракции в хроматическом компенсаторе

3 должен быть направлен в сторону от бпти50 ческой оси. Красные лучи света отклоняются на больший угол, чем синие, и обе эти компоненты сливаются вместе на некотором расстоянии за хроматическим компенсатором 3. Чтобы фазовая кольцевая дифрак55 ционная решетка направляла дифрагированный свет только в минус первый порядок

1 дифракции, профиль бороздок должен быть выполнен с учетом условия, указанного в формуле (6). Система 4 перемещения и кон30

Поэтому угол, на который надо повернуть лучи черенковского излучения, чтобы скомпенсировать хроматические аберрации в черенковском излучении, в 20 раз меньше, чем

35 в обычном хроматическом компенсаторе . В столько же раэ уменьшаются остаточная хроматическая аберрация, Так как хроматизм дифракционной решетки определяется управлением

40.1695240 троля положения хроматического компенсатора 3 позволяет вести компенсацию хроматического эффекта черенковского счетчика при разных условиях измерения, Коническое зеркало 5 с внутренней от- 5 ражающей поверхностью предназначено для того, чтобы уменьшить диаметр черенковского кольца до размеров, которые определяются размерами матричного фотоприемника 7, а также чтобы плавно ввести 10 ,газовый черенковский счетчик в режим, ког да все черенковское излучение фокусирует,ся в точку. Настройку этого режима, производят при помощи системы 6 переме щения и контроля положения конического 15 зеркала с внутренней отражающей поверх .ностью. плотность черенковского излучения на входе 40

Газовый черенковский счетчик работает следующим образом.

Заполняют обьем газового радиатора 1 газом (преимущественно гелием) до рабочеro давления, включают матричный фотоприемник 7 и блок 9 записи данных, Перемещая хроматический компенсатор 3 и коническое зеркало с внутренней отражающей поверх.ностью 5 при помощи соответственно сис;тем 4 и 6, проводят оптическую юстировку системы, Затем устанавливают матричный фотоприемник 7 в положение фокуса при помощи системы 8. Каждая частица со cvoростью, близкой к Д, обоаэует черенковское кольцо на входе матричного фотопри, емника 7, с выхода которого информация поступает в блок 9 (записи данных).

Техническое преимущественно предлагаемого газового черенковского счетчика

,;состоит в том, что в нем до предела подав. лены аберрации и тем самым повышена

,матричного фотоприемника при заданном диаметре черенковского кольца. Сферические аберрации убраны за счет того, что образующая фокусирующего зеркала вы брана в виде дуги параболы, а аберрации типа комы — из-за того, что ось параболы ориентированы так, что лучи света, отраженные от такого нетрадиционного зеркала, идут практически в обратном направлении. Хроматические аберрации в черенковском излучении подавлены потому, что компенсация хроматических аберраций происходит при отклонении лучей света на угол, который в 20 раэ меньше, чем в прототипе. Важным является то, что носитель хроматического компенсатора может быть изготовлен из материала, который пропускает черенковское излучение очень коротких длин волн. Если учесть, что интенсив20

55 ность черенковского излучения определяется фактором (7) где knln — минимальная длина волны, пропускаемая системой;

4 ах — соответственно максимальная длина волны, а также принять во внимание, что носитель хроматического компенсатора является единственным оптическим элементом, через который проходит черенковское излучение, то этот фактор приводит к дополнительному повышению плотности черенковского излучения на входе матричного фотоприемника.

Положительный эффект описываемого черенковского счетчика состоит в том, что в нем повышено отношение сигнала к шуму и созданы условия для наблюдения более редких событий, чем в прототипе, это обьясняется тем, что разрешающая способность газового черенковского счетчика определяется только дифракцией света и многократным рассеянием частиц в газе.

Формула изобретения

Газовый черенковский счетчик, содержащий газовый радиатор, фокусирующее зеркало, хроматический компенсатор, систему перемещения и контроля положения хроматического компенсатора, матричный фатоприемник, систему перемещения и контроля положения. матричного фотоприемника. а также блок записи данных, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения плотности черенковского излучения на входе матричного фотоприемника путем подавления аберраций, фокусирующее зеркало выполнено в виде асферической фигуры вращения, образующая фокусирующего зеркала является дугой параболы, ось указанной

1L параболы образует с оптической осью сис-, темы угол 0, выбранный равным среднему углу черенковского излучения Оо, т,е. î =2 (ло — 1 ) — — 2, го где и — средний показатель преломления света в газе;

yo — средний релятивистский множитель регистрируемых частиц, фокусное расстояние указанной параболы выбрано больше длины газового радиатора, хроматический компенсатор выполнен в виде фазовой кольцевой дифракционной решетки, основная часть дифрагированного света в

1695240

Составитель Т. Горчакова

Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор В.Гирняк

Редактор М.Келемеш

Заказ 4160 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно- издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 которой поступает в минус первый порядок дифракции в сторону от оптической оси газового черенковского счетчика. носитель фазовой кольцевой дифракционной решетки выполнен в виде конуса с углом конусности поверхностей 90О-8О, в газовый черенковский счетчик введено коническое зеркало с внутренней отражающей поверхностью, а также система перемещения и контроля положения

5 коничес.кого зеркала с внутренней отражающей поверхностью.