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欧洲核子中心UAL强子量能器

hadron calorimeter

  测量强子能量的装置。它是根据强子级联簇射的特点设计的,通过记录强子级联簇射的次级强子的能量沉积和这种沉积的空间分布,从而测定入射强子(包括中性强子)的能量和入射方向。

强子级联簇射

  在媒质中,高能强子主要同媒质中的原子核发生强相互作用,包括弹性作用和非弹性作用,后者以强子的多重产生为主要方式。高能强子平均经过一个吸收长度λo(见相互作用长度)就发生一次多重产生。作用中,入射强子把相当一部分能量用于产生次级强子(以π介子为主),其余的能量被所谓“带头”粒子带走。“带头”粒子和具有足够高能量的次级强子还可以重复上述过程。在入射强子的最初几个吸收长度中,次级强子的数目迅速增加,而它们的平均能量相应地减小,一次作用产生的次级强子的平均数目逐步减少。在媒质的某一深度,次级粒子数目将达到极大值,尔后逐步损失能量而被吸收。强子在媒质中的这种增殖和衰减过程就是强子级联簇射。它同电磁级联簇射的主要区别在于:①强子级联簇射是一个强作用过程,包括原子核的激发和核子的分离,入射强子的部分动能用于克服原子核中核子的结合能,探测器不能探测出这部分能量;②次级粒子的成分复杂,除大量的 π介子外,还有其他介子和核子,中性的π0介子衰变成光子(π0→2γ),而高能光子引起电磁级联簇射,它构成强子簇射中的电磁分量;③处于激发态的原子核蒸发出的中子、介子衰变产生的中微子和μ子将逃逸出或部分逃逸出探测装置。

仪器结构方式

  强子量能器与取样型电子光子簇射计数器相似,只是取样的媒质材料和取样厚度的选择不同。强子取样量能器通常选用核吸收长度小而辐射长度适中的材料(常用铁,λo=17.1cm)为簇射媒质,并选择适当的取样厚度,使它们不仅对次级强子的取样合理,而且还满足对次级粒子中电磁分量的取样要求。

  强子量能器设计尺寸取决于吸收全部(约95%)簇射次级粒子所需的媒质的线度,它的深度 L(λo)≈lnEo,Eo为入射强子的能量,以吉电子伏为单位。强子量能器的尺寸通常比电子光子簇射计数器的大。

  强子级联簇射中有许多随机过程,存在着各种统计涨落因素,如第一次多重产生发生的位置、次级强子中π0所占的比例等的涨落。这些因素直接决定了量能器的能量分辨率和空间分辨率。强子级联簇射过程中的统计涨落比电磁级联簇射过程的大得多,所以强子量能器的能量分辨率和空间分辨率等性能一般比电子光子簇射计数器的差,但是能量分辨率随入射强子能量的增加而改善(σe/Eo∝1/E½,σe为测量能量的标准偏差)。

  用强子量能器通过测量强子簇射在各个取样探测元件中的能量沉积来测量能量,通过分析能量沉积的横向分布重心来确定入射强子的方向,用它不仅可对带电强子进行测量,也可对中性强子进行测量。一个适中规模的强子量能器,其能量的测量范围可以覆盖几个量级。这几点都是磁谱仪无法实现的。随着加速器能量的提高,强子量能器的优点会更突出,它是一种有潜力的高能物理实验的重要设备。(见彩图)

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