Приборы и техника эксперимента, 2021, № 4, стр. 18-22

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время исследование процесса поглощения остановившихся отрицательных пионов ядрами находится на стадии детальной теоретической и экспериментальной проверки [1, 2]. К данному моменту выполнено большое количество экспериментальных и теоретических исследований, позволивших понять ряд закономерностей ядерного поглощения пионов. В силу методических причин наиболее полные, согласующиеся между собой данные по эмиссии частиц получены в экспериментах с регистрацией нейтронов.

Ситуация с выходами заряженных частиц менее определенна. Практически отсутствуют данные по высокоэнергичным частям спектров протонов. Выходы p, d, t, полученные в разных экспериментах, различаются в ряде случаев в несколько раз, что отражает трудности абсолютной нормировки данных. Такая ситуация объясняется тем, что, в отличие от регистрации нейтронов, при измерении энергии заряженных частиц жесткие ограничения накладываются на толщину “ядерной” мишени. При этом в связи с необходимостью регистрации частиц с различными массами и зарядами усложнены задачи их идентификации.

Существующая ситуация обусловливает необходимость выполнения новых экспериментов для получения информации, пригодной для анализа A-зависимости (А – массовое число ядра мишени) энергетических спектров и выходов вторичных заряженных частиц. Для реализации этого нами была выбрана методика регистрации заряженных частиц с помощью многослойного спектрометра [3] на основе полупроводниковых Si-детекторов (Si-п.п.д.). Такой подход сочетает в себе возможность надежной идентификации частиц различной ионизирующей способности (р, d, t, ^3,4Не) и высокое энергетическое разрешение в широком диапазоне энергий (5–100 МэВ). Использование в установке кремниевых детекторов также для мониторирования пучка позволило с высокой эффективностью отбирать события, отвечающие остановкам пионов в мишени.

ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Схема спектрометра [3], который использовался для экспериментов на канале пионов низких энергий синхроциклотрона ПИЯФ, представлена на рис. 1. Установка состоит из двух вакуумных камер, в которых установлены полупроводниковые телескопы, и центральной пучковой камеры, предназначенной для ввода пучка и установки мишеней. Ввод пучка осуществлялся через передний фланец центральной камеры, на котором была смонтирована система замедления и мониторирования.

Рис. 1.

Схема спектрометра. Т₁, Т₂ – п.п.д.-телескопы; 3 – замедлитель; М – мишень; МД₁, МД₂ – мониторные детекторы.

Пучок отрицательных пионов (импульс 100 МэВ/с) после торможения в замедлителе З и прохождения через мониторную систему, состоящую из двух кремниевых поверхностно-барьерных детекторов МД₁ и МД₂ (Si(Au)-п.п.д.) толщиной 340 и 250 мкм соответственно, останавливался в мишени М. Мишень, выполненная из исследуемого материала в виде пластины диаметром 32 мм и толщиной ∼0.1 г/см², располагалась под углом 45° к пучку. В измерениях использовалось 18 мишеней с массовым числом А от 6 (Li) до 209 (Bi). В качестве так называемой “живой” мишени устанавливался Si(Au)-детектор (аналог мишени ²⁸Si).

Вторичные заряженные частицы от поглощения пионов в мишени регистрировались двумя многослойными телескопами Т₁, Т₂. Каждый п.п.д.-телескоп состоял из двух Si(Au)-идентификаторов толщиной 180 и 600 мкм и одиннадцати литий-дрейфовых (Si(Li)) детекторов толщиной 3 мм [4]. Диаметр чувствительных областей детекторов составлял 32 мм, за исключением мониторных, у которых диаметр равен 24 мм. Энергетическое разрешение всех п.п.д. по α-частицам (Е_α ≅ 5.5 МэВ) ∼ 60 кэВ. В такой конфигурации п.п.д.-телескопы позволяли измерять полное поглощение однозарядных частиц: протоны – до 96 МэВ, а дейтроны, тритоны и изотопы гелия – до кинематического предела.

Принципы построения спектрометра для исследований в ПИЯФ определялись необходимостью получения максимальной плотности остановок в мишени при сохранении возможности надежного исключения фона, а также обеспечения достаточной светосилы установки. Увеличение плотности остановок достигалось за счет выбора оптимальной энергии пучка пионов и максимального приближения замедлителя к мишени.

В описываемой конструкции замедлитель, соответствующий оптимальной энергии пучка, был установлен на минимальном расстоянии от мишени. В этом случае с увеличением плотности остановок в мишени возрастает фон вторичных частиц из последних слоев замедлителя и необходимо принимать специальные меры для его подавления. Для этой цели в качестве последних слоев замедлителя использовались два мониторных Si(Au)-п.п.д. МД₁, МД₂. Анализ сигналов с мониторных детекторов позволял отбирать пионы с остаточным пробегом, соответствующим толщине мишени, и достаточно надежно исключать фоновые события.

Наиболее эффективно задача подавления фона в установке была решена с помощью использования “живой” мишени – Si(Au)-детектора, сигнал с которого включался в логику отбора событий. При этом спектрометрическая информация с “живой” мишени позволяла не только решать такие методические вопросы, как анализ эффективности отбора полезных событий и выполнение абсолютной нормировки выходов частиц, но и получать дополнительные физические данные об исследуемых реакциях, например об энергии остаточных ядер.

ВЫБОР ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОРОГОВ МОНИТОРНОЙ СИСТЕМЫ

Реализованный нами принцип отбора остановок пионов иллюстрирует рис. 2. Кривыми показаны средние энергетические потери в мониторных детекторах в зависимости от пробега пионов, начиная с точки входа в первый детектор. Сплошные вертикальные линии соответствуют толщинам первого и второго мониторных детекторов, а также мишени.

Рис. 2.

Зависимость энергетических потерь в первом (1) и втором (2) мониторных детекторах от остаточного пробега пионов. $E_{{{\text{макс}}}}^{{(1)}}$ – значение верхнего порога для детектора МД₁; $E_{{{\text{мин}}}}^{{(2)}}$ – значение нижнего порога для детектора МД₂; R₁ – толщина детектора МД₁, (R₂–R₁) – толщина детектора МД₂, (R₃–R₂) – толщина мишени М.

Для отбраковки остановок π^–-мезонов во втором мониторном детекторе использовано ограничение на максимально возможные энерговыделения в МД₁ – установка верхнего порога $E_{{{\text{макс}}}}^{{(1)}}$, а для отбраковки пионов, пролетающих мишень насквозь, – ограничение на минимально возможные энерговыделения в детекторе МД₂ – установка нижнего порога $E_{{{\text{мин}}}}^{{(2)}}$. При этом оба детектора включены на совпадения. Видно, что одновременная установка порогов $E_{{{\text{макс}}}}^{{(1)}}$ и $E_{{{\text{мин}}}}^{{(2)}}$ позволяет выделить пионы в интервале пробегов R₂–R₃, т.е. их остановки в мишени. Вследствие флуктуаций потерь энергии, многократного рассеяния, а также энергетического разрешения детекторов рассматриваемая методика обладает эффективностью, отличной от 100%.

Экспериментально эффективность работы мониторной системы исследовалась с помощью “живой” мишени. Установка порогов осуществлялась по быстрым каналам электроники аналоговым способом.

На рис. 3 представлены спектры энерговыделений во втором мониторном детекторе и “живой” мишени для трех значений нижнего порога $E_{{{\text{мин}}}}^{{(2)}}$. Необходимо указать, что цена канала составляет ≈12 кэВ в каждом из спектров, показанных на рис. 3, 4. Согласно рис. 3, с увеличением нижнего порога на МД₂ подавляется пик в спектре энерговыделения из мишени, соответствующий пионам, пролетающим мишень насквозь. Форма правой части спектра энерговыделения из мишени при этом не изменяется. Также видно, что увеличение нижнего порога практически не влияет на форму всего спектра. Это соответствует отсутствию вклада от пролетных пионов. В этом интервале количество зарегистрированных телескопами вторичных частиц пропорционально счету “мониторная система – мишень”, что также указывает на отсутствие пролета.

Рис. 3.

Спектры энерговыделений в детекторе МД₂ (а) и “живой” мишени (б) для трех значений $E_{{{\text{мин}}}}^{{(2)}}$, МэВ: 0.6 (1), 0.8 (2), 1.1 (3).

Рис. 4.

Спектры энерговыделений в детекторах МД₁ (а) и МД₂ (б) для трех значений $E_{{{\text{макс}}}}^{{(1)}}$, МэВ: 2.5 (1), 1.6 (2), 1.3 (3).

Выполнив нормировку спектров энерговыделения из мишени по правой части, которая сохраняет форму в широком интервале изменения порогов, можно определить эффективность отбора остановок и вклад от пролета пионов для различных нижних порогов на детекторе МД₂ (табл. 1). Для значения $E_{{{\text{мин}}}}^{{(2)}}$ = 0.6 МэВ эффективность отбора остановок принята за 100%.

Таким образом, представленная методика позволяет исключить пролет пионов через достаточно тонкую мишень, сохраняя приемлемой эффективность отбора полезных событий, либо, допуская определенную (известную) долю пролета, повысить эффективность отбора и при определении выходов вторичных заряженных частиц ввести соответствующую поправку.

Возможность отбраковки остановок в детекторе МД₂ с помощью ограничения на максимальные энерговыделения в МД₁ демонстрирует рис. 4, где представлены спектры энерговыделений в мониторных детекторах для трех значений верхнего порога на детекторе МД₁. Количество остановок в детекторе МД₂ пропорционально событиям в правой части спектра на рис. 4б, которая соответствует энергиям, превышающим максимальную для пиона с пробегом, равным толщине этого детектора (N_к ≈ 175). Как и для мишени, эта часть спектра определяется как суммарным энерговыделением заряженных частиц при поглощении π^–‑мезона, а именно энергией входного пиона, так и энерговыделением вторичных частиц и ядра отдачи.

Согласно приведенным на рис. 4 данным, количество остановок в МД₂ уменьшается при снижении верхнего порога на детекторе МД₁. Выполненный анализ показал, что при подавлении числа остановок в детекторе МД₂ в четыре раза ($E_{{{\text{макс}}}}^{{(1)}}$ = 1.6 МэВ, кривая 2 на рис. 4б) количество отбираемых остановок в мишени снижается лишь на 8%, а при подавлении числа остановок в детекторе МД₂ в 13 раз ($E_{{{\text{макс}}}}^{{(1)}}$ = 1.3 МэВ, кривая 3 на рис. 4б) – на 23%. Таким образом, как и в случае подавления пролета через мишень при работе с нижним порогом на детекторе МД₂, существует возможность сохранить приемлемую эффективность отбора полезных событий при существенном подавлении фона от остановок в МД₂.

Как видно из представленных распределений, спектры энерговыделений в мониторных детекторах для остановившихся π^–-мезонов значительно шире пролетных. Такая специфика спектров энерговыделений в тонких Si-п.п.д. при захвате пионов дает дополнительную возможность подавления фона с помощью установки верхних порогов на мониторных детекторах. При этом реализация такой возможности не снижает эффективности отбора полезных событий. Например, установив верхний порог на втором мониторном детекторе по максимальному энерговыделению для пиона, можно получить дополнительное подавление фона от остановок в этом детекторе в ∼7 раз.

Следует указать, что дополнительной причиной ошибок в нормировке результатов (выходах частиц) могут служить мюоны и электроны первичного пучка. Таким фактором также могут быть вторичные частицы, возникающие при поглощении пионов в замедлителе и проходящие через мониторные детекторы. Это имеет существенное значение для представленной конструкции установки (см. рис. 1), в которой замедлитель сильно приближен к мишени.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показано, что анализ сигналов с мониторных детекторов с одновременным использованием “живой” мишени (Si-п.п.д.) позволяет отбирать пионы с остаточным пробегом, соответствующим толщине мишени, и достаточно надежно исключать фон от остановок в мониторной системе, а также пролет через мишень. Определены значения энергетических порогов на мониторных детекторах для достижения эффективности выделения остановок π^–-мезонов в мишенях на уровне 90%.