Способ измерения скорости релятивистских заряженных частиц Советский патент 1993 года по МПК G01T1/36 

Изобретение относится к технике измерения основных физических величин в области-физики атомного ядра и элементарных -частиц.

Известно множество способов измерения скорости быстрых частиц. Прямой- метод основан на измерении времени пролета частицы между двумя фиксированными точками траектории частицы. Косвенные методы основаны на взаимодействии частиц с веществом. К ним относятся, например, способ, основан- .лый на измерении потерь энергии быстрой частицей на ионизацию н способ измерения скорости частиц, с помощью регистрации черенковского излучения.

Согласно первому способу когерентное рентгеновское излучение, гелери-

руемое быстрыми заряженными частицами в кристалле, характеризуется наличием максимума интенсивности имонохроматич-1 ностью при определенном угле излучения и определенной ориентации кристалла. Второй способ основан на характерном свойстве черенковского излученияj имеющего максимум интенсивности под углом 0 к скорости частицы. Угол ( связан со скоростью частицы v, скоростью света с и коэффициентом преломления среды п соотношением

сов $)Ј- (1) .

Разрешающая способность черенков- скнх детекторов по скорости частиц () определяется по формуле

ftp/Hi /п-Н 8-«гвб1 & 6/0, (2)

о

СО

ю to

о

Јь

гдрДп/п и U0/9 - относительные погрешности измерения )фициента преломления н угла излучения. Определяющей япляется погрешность измерения коэффициента преломления среды un/n, которая, л лучшем случае, может быть получена . Поэтому можно отметить следующие недостатки прототипа: ограниченность диапазона измеряемых скоростей: снизу - порогом излучения Р / /(псовб), а сверху - величиной ,999, определяемой разрешающей способностью черепковского детектора; ограниченность точности определения скорости частиц, которая в случае раз решающей способности р Mfl будет 1% для ,9, 10% для ,99, 100% дтя ,999. Г

Цель изобретения - расширение диапазона измеряемых скоростей и повышение точности измерений.

Способ основан на измерении спектрально-угловых характеристик специфи- ческого .когерентного рентгеновского излучения, возбуждаемого быстрой заряженной частицей в кристалле. На пути следования заряженной частицы устанавливают моиокристаллическую пластинку так, чтобы одна из ее атомных плоскостей с плотной упаковкой была ориентирована под углом Ф относительно скорости частиц. Тогда заряженная частица будет излучать Фотоны с энергией . Е(о п направлении k, близком к зеркально отраженной от плоскости траек- тории частицы. Измеряют угол Ф между вектором k и Плоскостью кристалла. Затем вычисляют скорость частиц. по формуле

и -,,/„-EG /me с («)

(О -v/c-Bsin (ф) + (в(а/1ПвС.2). cosg W

где СР угол падения частиц;

Р,

$с,- комптоиопская длина волны;

d - мехшюскостное расстояние; 0 .

Разрешающая способность по скорости uj$/p способа измерения скорости заряженных частиц порядка 10 -10. По сравнению с прототипом разрешение но скорости повыогается на 5-6 иоряд- коп.

Пример. Направление движения заряженной частицы измеряется с помо- гдыо двух координатных детекторов, например дрейфовых камер, которые распо лагают на расстоянии, обеспечивающем необходим по точность итмерения направ0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

ления движения заряженной частицы. Затем на пути следования частицы размещают ориентированный кристалл if закрепляют его неподвижно. В направлении зеркально отраженной траектории частицы располагают координатный детектор рентгеновского излучения, например, матричный полупроводниковый детектор, с помощью которого измеряют координату и энергию фотона К. Заряженную частицу и излучение регистри- руют в совпадении. Накопление информа-, ции и ее обработку проводят с помощью ЭВМ по следующему алгоритму:

по координатам частицы, зарегистрированным детекторами, вычисляют угол Ф между атомной плоскостью кристалла и скоростью частицы, координаты прохождения частицы через кристалл;

по координатам прохождения частицы через кристалл и координатам регистрации фотона детектором вторичного излучения вычисляют угол излучения б;

по формуле (3) вычисляют скорость частицы.

На трассе пучка частиц с малым разбросом по энергии и углам (пучок, выведенный из ускорителя или накопителя) устанавливают два коллиматора, фиксирующие направление пучка. Затем на трассе пучка устанавливают гониометр с кристаллом. Направление фотонного канала задают двумя коллиматорами под углом 0 к направлению пучка частиц Кристалл юстируют так, чтобы выбранная кристаллографическая плоскость была перпендикулярна плоскости излучения и проходила через биссектрису угла между направлением пучка заряженных члстиц и пучком фотонов. На выходе фотонного канала располагают рентгеновский спектрометр. Кристалл поворачивают вокруг оси, перпендикулярной плоскости излучения. Измеряют зависимость интенсивности излучения от ориентации кристалла. Эта зависимость имеет вид максимума с шириной # с узким минимумом в центре максимума. Определяют угловую координату этого минимума ЯТ относительно начального положения кристалла. Затем находят углы Р 0/2-0 и Ф 0/2+ If- и по формуле

у с соз(Ф)/соз(Фг), вычисляют средшою скорость частиц в пучке.

. Способ позволяет расширить диапазон измеряемых скоростей заряженных

частиц, повысить точность измерения - скорости быстрых заряженных частиц.

Расширение диапазона измеряемых скоростей в сторону меньших скоростей обусловлено отсутствием порога когерентного рентгеновского излучения, в сторону больших скоростей - более высокой разрешающей способностью способа (рсс0,999...).

Повышение точности измерений скорости обусловлено повышением разрешающей способности измерения скоростей.

Если измерить скорость частиц с неизвесткой массой М, то можно определить энергию частиц по формуле В°

Mcz/i Так, если измеряют скорость протонов, то их энергия может быть определена с относительной погрешностью при энергиях л/1 ГэВ. При повышения энергии точность ее измерения уменьшается и ста иовится А 5/Јм при энергиях М 0 ТэВ.

Формула изобретения

Способ измерения скорости релятивистских заряженных частиц, включающий направление заряженных частиц на мате

5

0

5

0

риал-индикатор и регистрацию параметров вторичного излучения, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых скоростей и повышения точности измерений) выбирают в качестве материала-индикатора монокристаллическую пластинку, устанавливают под произвольным углом к направлению распространения-частиц одну из кристаллографических плоскостей кристалла с плотной упаковкой, регистрируют генерируемое заряженными частицами рентгеновское излучение, поворотом пластинки устанавливают угол Р, соответствующий максимуму регистры - руемого рентгеновского излучения, измеряют угол 5Р и угол Q выхода вторичного излучения, определяют его энергию , при этом скорость частиц вычисляют по формуле

,.

g sivЈ&-E(3/mec cosS

где с - скорость света;

т - масса электрона; flc/d - вектор обратной решетки

кристалла;

Дс комлтоиовская длина волны; d - межплоскостное расстояние.

Изобретение относится к технике измерения основных физических в.еличин в области физики атомного ядра и элементарных частиц. Цель изобретения расширение диапазона измеряемых ско.- ростей и повышение точности измерений. Релятивисткне заряженные частицы направляют на монокристаллическую пластинку, установленную под произвольным углом к направлению распространения частиц одной из кристаллографических плоскостей с плотной упаковкой. Регистрируют генерируемое заряженными частицами рентгеновское излучение. Повог ротом пластинки устанавливают уголФ, соответствующий максимуму регистрируемого рентгеновского излучения. Измеряют угол Ф и угол $ выхода вторичного излучения и определяют его энергию i, при этом скорость частиц вычисляют из выражения, приведенного в формуле изобретения. (П