Čerenkovovy počítače

Čerenkovovy počítače Princip: částice excituje atomy v prostředí, které se polarizují, tj vznikají dipóly a časově proměnné pole a tím vzniká elektromagnetické záření v < c/n vzniká symetrické pole, dipólová pole všech dipólů se vyruší v > c/n zbytková asymetrie, zbytkový dipólový moment vede k vyzařování - - + + + + - - v > c/n v < c/n Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

tc/n 1 θ 2 3 βct t1 t2 t3 t2 - t1 = t3 - t2 t = t3 - t βn ≥1 tj. v≥c/n Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Množství energie emitované na jednotce délky v jednotkovém intervalu frekvencí pro částici o náboji z r 𝛚 = 2πf = 2π/T= 2π c/𝜆 Pro z=1: r je poloměr elektronu r = α = 4π Počet emitovaných fotonů n = n(𝜆) Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Celkový počet fotonů emitovaných na jednotce délky Čerenkovské záření nemůže být emitováno Př.𝜆 ∈ <350 - 500> nm - ideální pro fotokatodu z SbCs dE/dx = 1180 sin2θ [ eV/cm ], dn/dx= 390 sin2θ[ Nγ/ cm ] Nechť β=1, prostředí voda n=1.33 => θ=41.2o , potom dE/d𝜆 ≈ 513 eV/cm << než ionizační ztráty (dE/dx)ion dN/dx ≈170 Nγ /cm << 100x světelný výstup ze scintilátoru Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Čerenkovské počítače Používají se hlavně pro identifikaci částic, tj. pro stanovení hmotnosti částic Hybnost se určí např. v dráhovém detektoru β se určí v čerenkovském počítači Typy počítačů: prahové,diferenciální DISC, RICH βt prahová hybnost Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Radiátory • kapalné n ~ 1 – 3 • plynné n-1 ~ 10-3 až 10-5 • Si-aerogel N(SiO2) + 2N (H2O) n ~1.025 až 1.075 • Transparentní, nesmí produkovat scintilační záření • Malá hustota, malé Z, ionizační ztráty co nejmenší • n (radiátor)~ n(olej) ~ n(okno fotonásobiče) • úhel dopadu na fotokatodu ~ 30o => 50% světla • se odrazí Počet fotoelektronů z fotonásobiče na jednotku délky radiátoru: 𝜀c účinnost sběru fotonů k fotokatodě, S (𝜆) odezva fotonásobiče N0 obsahuje všechny účinnosti a konstanty L délka radiátoru Ne = N0 ∙ L ∙ sin2 θ Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Plynné radiátorypoužívají se hlavně pro částice s β≈ 0.99 M= V ρ, V objem, ρ hustota, K koeficient Index lomu : n ≈ 1 => n – 1 = K ∙ M / ρ PV= RT , P tlak, T teplota, M/ρ = RT/P, => n-1 = (n0 -1) P/P0 P0 , T0 referenční tlak a teplota Položíme η=n-1, potom => η = η0 P/P0 Prahové počítačepoužívají se hlavně ve svazcích částic k výběru svazků částic daného typu c pt je prahová hybnost, tj. nejmenší hybnost částice při níž vzniknou čer. fotony γtβt = 1/√ (n2 -1) Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Schéma prahového čerenkovského detektoru neměří se úhel β p hybnost, která je známá PM - fotonásobič Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Tlak P roste, práh pt klesá Vyjádříme sin θ jako funkci tlaku: sin2 θ = 1 – 1/(β2 n2 ) Položíme k= (n0 - 1)/ P0 , potom n = 1 + kP Vyšší tlak => větší intenzita čerenkovských fotonů Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Aby částice 1 emitovala čerenkovské záření musí m1 < m2. Nechť emituje fotony v intervalu ( 𝜆1 , 𝜆2 ). Potom počet čerenkovských fotonů je Např. pro vlnové délky mezi 400 nm a 700 nm je dN/dx = 490 sin2θ Vyjádříme dN/dx jako funkci hmotností částic Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Při velkých rychlostech je β≈1, tj. P= γβmc≈γmc, a dále při zanedbání hmotností E ≈ pc .Potom Protože p1 = p2 = p , dostaneme Počet fotoelektronů z čerenkovského záření radiátoru o délce L 𝜀q kvantová účinnost fotokatody 𝜀q ( 𝜆) L Ne Požadujeme-li Ne , stanovíme minimální délku L a rovněž index lomu podle Př. Protony vs mezony K, hybnost 10 GeV, požadujeme Ne =10, 𝜀q = 0.25 protony na prahu, potom L=12.8 cm, n=1.005 Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

= ) Rozlišení na prahu Nechť rozlišení v β je Δβ. Potom na prahu β = βt + Δβ, zanedbáme (Δβ)2 = = => Detekční účinnost v důsledku fluktuacích fotoelektronů 𝜀(β) = 1 - Pr(0, Ne ), Pr je pravděpodobnost, že se na fotokatodě nevytvoří žádný fotoelektron, Ne je střední počet fotoelektronů = Poissonovo rozdělení Pr(0, Ne) = Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Vyjádříme Ne jako funkci hybnosti p pro fixní hmotnost m • = ) = [ - ] = [ - ] [ - ] βγ = p/mc => Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Požití prahových detektorů hlavně k identifikace částic v primárních svazcích, např. π: koincidence C1 ∙ C2 ∙ C3 K: C1∙ C2 ∙ (anti C3) p: C1 ∙ (anti C2) ∙ (anti C3) Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Diferenciální Čerenkův počítač DISC zrcadlo fofonásobič r θ částice f Pro malá r: tanθ ≈ r/f r = f∙ tanθ rozlišení: Δr = f ∙Δθ/ cos2 θ Δθ = cos2θ ∙ Δr/f Vliv disperse: n=n(𝜆), cos θ = 1/(nβ) d(cosθ) dθ = -dn/(β n2 ) Δθdisp = Δn / (n ∙ tanθ ) Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Schéma diferenciálního čerenkovského počítače Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Diferenciální počítač využívající lomu světla. Pro určitý mezní úhel θmaxdojde k totálnímu odrazu. Měří se úhlový interval od nejnižšího úhlu θ k θmax Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

1/n Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Ring Image Cherencov (RICH) počítač Čerenkovské fotony zrcadlo Primární svazek Detektor fotonů Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Ring Image Cherencov (RICH) počítač Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

RICH s dvěma radiátory Kapalný radiátor Plynný radiátor Čerenkovské kroužky Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Detektor čerenkovského záření - tří souřadnícová driftová komora fotony jsou konvertovány na elektrony přes fotoefekt (příměs plynu s velkým Z) Měří se doba mezi vznikem elektronů a jejich dopadem na anodu, což dává jednu souřadnici Pořadové číslo anodového drátu další udává souřadnici Dělení náboje na anodovém drátu dává souřadnici ve směru dráru Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Čerenkovský kroužek z jednoho případu v interakci těžkého iontu Superpozice čerenkovských kroužků ze stovky případů Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Rekonstrukce čerenkovských kroužků Čerenkovský kroužek od jednoho elektronu Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Rozdělení poloměrů čerenkovských kroužků Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Čerenkovovy počítače Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

RICH (ring image cherenkov) Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

DIRAC experiment, CERN Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Threshold Cerenkov Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

RICH v aparatuře DELPHI, která byla umístěna na urychlovači LEP v CERN, kde se proti sobě srážely elektrony s pozitrony RICH Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Využití čerenkovského záření v detektoru Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Čerenkovské záření v IceCube Neutrino Observatory Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Čerenkovské záření produkované kosmickým zářením v atmopsféře MAGIC experiment Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Přechodové záření Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

50 % energie je v oblasti energií fotonů nutný velký počet přechodů Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

úhel emise fotonů ≈ 1/γ Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Klustr – několik sousedících anodových drátu, které dají signál Experimentální metody jaderné a subjaderné fyziky

Čerenkovovy počítače

Čerenkovovy počítače

Presentation Transcript