Газовый черенковский счетчик Советский патент 1991 года по МПК G01T1/22 

Изобретение 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. Черепковское излучение заряженной частицы, идущей вдоль оптической оси или параллельно оптической оси счетчика, отражается от сферического зеркала и фокусируется в кольцо. Кольцевая диафрагма пропускает черенков- ское излучение только тех частиц, которые

имеют вполне определенную скорость. Остальные частицы не регистрируются. Если частица идет в стороне от оптической оси системы, но все же параллельна оптической оси системы, то положение и радиус черен- ковского кольца остаются такими же, как и для частицы, идущей вдоль оптической оси. Угол черенковского излучения связан с показателем преломления света п(А) длиной волны А в газовом радиаторе и скоростью частицы V соотношением

(А)(1-/3). (1) rfle/8 V/C;

ON О (Л

ю

4 О

С - 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 из 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 че- ренковский 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 это 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 черенковского 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

0.

(i-A,) (n0-i)

(2)

где в0 - средний угол черенковского излучения;

По - средний показатель преломления света в газе,

образует на входе фотоприемника кольцо, радиус которого определяется скоростью данной частицы /, 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 (годоскопических систем, трековой камеры и спектрометра вторичных частиц), позволяет получить полное описание наблюдаемого события.

Однако ширина черенковского кольца

на входе матричного фотоприемника при заданном радиусе черенковского кольца обусловлена сферическими аберрациями 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 че- ренковском излучении не удается убрать полностью потому, что у изготовителя имеется 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 до Arnin 0,28 мкм.

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

Поставленная цель достигается тем, что в газовом черен ковском счетчике, содержащем газовый радиатор, фокусирующее зеркало, хроматический компенсатор, систему перемещения и контроля положения хроматического компенсатора, матричный фотоприемник, систему перемещения и

контроля положения матричного фотоприемника, а также блок записи данных, фокусирующее зеркало выполнено в виде асферической фигуры вращения, образующая фокусирующего зеркала является дугой

5 параболы, ось указанной параболы образу1 ет с оптической осью системы угол в, равный среднему углу черенковского излучения во, т.е.

50

(п0-1)1

(3)

где п0 - средний показатель преломления света в газе;

Уо - средний релятивистский множитель регистрируемых частиц, фокусное расстояние указанной параболы выбрано больше длины газового радиатора, хроматический компенсатор выполнен в виде кольцевой 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 ° - в0 ) , в газовый ч.еренковский счетчик введено кони- ческое зеркало с внутренней отражающей поверхностью, а также система перемещения и контроля положения конического зеркала с внутренней отражающей поверхностью.

На чертеже схематически изображен предложенный газовый черепковский 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 в0 с оптической осью системы (3). Возникает кольцо черенковского излучения. Особенность его состоит в том, что лучи света сначала проходят через оптическую ось системы и только4 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 компенсатор 3, при этом они падают перпендикулярно образующей носителя хроматического компенсатора 3. Происходит дифракция света на кольцевой фазовой дифракционной решетке. Показатель преломления света в газе п (Я) увеличивается с уменьшением длины волны света А и поэтому угол черенковского излучения в также увеличивается с уменьшением длины волны света, Чем меньше длина волны света А , тем больше угол черенковского излучения в( А ). Это

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

для красного света, чем для синего света. Хроматический компенсатор 3, выполненный в виде фазовой кольцевой дифракционной решетки на коническом носителе, обладает намного большей силой компенсации хроматических аберраций в черенков- ском излучателе, чем хроматический компенсатор в устройствах с использованием преломления света. Это следует из того, что для фракционного оптического элемента относительный хроматический эффект равен

1

I

(4)

20

где f - фокусное расстояние дифракционного оптического элемента, например, дифракционной линзы, и примерно в 20-25 раз превышает относительный хроматический эффект сферической преломляющей поверхности, равный

1 df

f

1

d n

n(n-1) dl

(5)

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

в обычном хроматическом компенсаторе . В столько же раз уменьшаются остаточная хроматическая аберрация.

Так как хроматизм дифракционной решетки определяется управлением

sln6b f.

(6)

где 9R - угол дифракции;

а - шаг решетки,

т.е. чем больше длина волны, тем больше

угол дифракций ( ) , то первый порядок

дифракции в хроматическом компенсаторе

. 3 должен быть направлен в сторону от о птической 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 дифракционная .решетка направляла дифрагированный свет только в минус первый порядок дифракции, профиль бороздок должен быть выполнен с учетом условия, указанного в формуле (6). Система 4 перемещения и контроля положения хроматического компенсатора 3 позволяет вести компенсацию хроматического эффекта черепковского счетчика при разных условиях измерения.

Коническое зеркало 5 с внутренней от- ражающей поверхностью предназначено для того, чтобы уменьшить диаметр черен- ковского кольца до размеров, которые определяются размерами матричного фотоприемника 7, а также чтобы плавно ввести газовый черенковский счетчик в режим, когда все черенковское излучение фокусируется в точку. Настройку этого режима производят при помощи системы 6 перемещения и контроля положения конического зеркала с внутренней отражающей поверх НОСТЬЮ.

Газовый черенковский счетчик работает следующим образом.

Заполняют объем газового радиатора 1 газом (преимущественно гелием) до рабочего 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 систем 4 и 6, проводят оптическую юстировку системы. Затем устанавливают матричный фотоприемник 7 в положение фокуса при помощи системы 8. Каждая частица со ско- ростью, близкой к , образует черен ко- вское кольцо на входе матричного фотоприемника 7, с выхода которого информация поступает в блок 9 (записи данных).

Техническое преимущественно предлагаемого газового черепковского счетчика состомт в том, что а нем до предела подав- ./лены аберрации и тем самым повышена лотность черепковского излучения на входе матричного фотоприемника при заданном диаметре черепковского кольца. Сферические аберрации убраны за счет того, что образующая фокусирующего зеркала выбрана 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 черен- ковском излучении подавлены потому, что компенсация хроматических аберраций происходит при отклонении лучей света на угол, который в 20 раз меньше, чем в прототипе. Важным является то, что носитель хро- магического компенсатора может быть изготовлен из материала, который пропускает черенковское излучение очень коротких длин волн. Если учесть, что интенсивность черепковского излучения определяется фактором

1 v

Лигах /

(7)

где Лт1п - минимальная длина волны, пропускаемая системой;

Лпах - 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 черенков- ского 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 объясняется 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 фотоприемник, систему перемещения и контроля положения.матричного фотоприемника, а также блок записи данных, отличающийся 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 параболы образует с оптической осью сисЛ темы угол в, выбранный равным среднему углу черенковского излучения 60 , т.е.

(п0-1)-Л,

Уо

где п0 - средний показатель преломления света в газе;

у0 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

которой поступает в минус первый порядок дифракции в сторону от оптической оси газового черепковского счетчика, носитель фазовой кольцевой дифракционной решетки выполнен в виде конуса с углом конусности поверхностей 90°-ft - в газовый черепковский счетчик введено коническое зеркало с внутренней отражающей поверхностью, а также система перемещения и контроля положения конического зеркала с внутренней отражающей поверхностью.

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