CC BY
13
УДК 539.122.17:548
МНОЖЕСТВЕННОСТЬ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ЛИВНЯХ ОТ ЭЛЕКТРОНОВ, РАЗВИВАЮЩИХСЯ В ОРИЕНТИРОВАННЫХ КРИСТАЛЛАХ КРЕМНИЯ
И ВОЛЬФРАМА
В. А. Басков1, В. В. Ким1, Б. И. Лучков2,
В. Ю. Тугаенко2, В. А. Хабло1
Показано увеличение более чем в 2 раза средней множественности заряженных частиц в электромагнитных ливнях, инициированных электронами с энергией 26 ГэВ в ориентированных вдоль оси (111) кристаллах вольфрама толщинами 2.7, 5.8 и 8.4 мм по сравнению с разориен-тированным. Для, кристалла, кремния толщиной 20 мм и ориентированного вдоль оси (110) при энергии электро-28
женных частиц составило ~1.6 раза. Ширины ориентационных зависимостей средней множественности заряженных частиц в ливнях от электронов в кристаллах кремния, и вольфрама пропорциональны, толщинам, кристаллов и зависят от энергии электронов как E-1/2.
Ключевые слова: электромагнитные ливни, ориентация кристалла, множественность заряженных частиц.
Электромагнитные ливни, развивающихся в ориентированных кристаллах от электронов и 7-квантов (аномальные ливни), отличаются от ливней в разориентированных кристаллах и в аморфном веществе (стандартные ливни). Отличие состоит в разном числе фотонов Ny и заряженных частиц Ne с соответствующими величинами энергий на заданной глубине развития ливня. Теория каскадных ливней в кристаллах развита давно [1, 2], однако экспериментальное определение Ny и Ne до сих пор является
1 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: [email protected].
2 115549, Москва, Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”.
актуальной задачей. Определение множественности в ливнях, выходящих из ориентированных кристаллов, также важно, поскольку существует возможность практического использования аномальных ливней при создании новых типов детекторов для применений в астрономии, экспериментальной физике высоких энергий и на ускорителях при создании кристаллических митттеней для получения высокоинтенсивных пучков электронов и позитронов [1. 3, 4].
Ориентационные зависимости средней множественности заряженных частиц в электромагнитных ливнях, вызванных электронами с энергиями 40. 149 и 287 ГэВ, а также позитронами с энергией 205 ГэВ. были впервые получены для кристаллов кремния (ЯГ), вольфрама (\¥) и германия (Се) [5 7].
Данная работа представляет экспериментальные результаты измерения средней множественности заряженных частиц Ме, выходящих из кристаллов вольфрама (радиационная длина вольфрама Х0 = 3.5 мм) и кремния (радиационная длина кремния Х0 = 9.4 см), вызванных электронами с энергией 26 и 28 ГэВ. Работа была выполнена на установке “Каскад” на электронном канале ускорителя ИФВЭ [8, 9]. Использовались кристаллы вольфрама толщинами 2.7, 5.8 и 8.4 мм и кристалл кремния 20 мм при комнатной температуре Тщ = Т$г = 293 К. Ориентация кристаллов вольфрама осуществлялась вдоль оси (111), кристалла кремния вдоль оси (110). Мозаичность кристаллов вольфрама в данной работе составляла ~1 мрад [8], в работах [5-7] ~ 124 мкрад.
Метод определения множественности заряженных частиц в ливне от электронов заключался в том, что за кристаллом помещался пластиковый сцинтилляционньтй счетчик размером 200 х 100 мм2 и толщиной 20 мм, сигнал с которого подавался на амплитудный анализ. По величине сигнала делалось заключение о величине средней ионизации и о среднем числе заряженных частиц в ливне, выходящих из кристалла. Число фотонов электромагнитного ливня, давших конверсию е+е_-пар на толщине счетчика, составляло ~4% [10].
Калибровка сцинтилляционного счетчика осуществлялась на пучке электронов без кристаллических митттеней и с мишенями, а также при разных напряжениях на делителе ФЭУ-85. Целью калибровки являлось определение положения ионизационных пиков от первичного электрона и вторичных заряженных частиц. Разные напряжения были необходимы для того, чтобы спектр ионизационных потерь для каждой толщины кристалла находился в заданном диапазоне чувствительности электронного блока амплитудного анализа (БАП).
Рис. 1: Ориентационные зависимости средней множественности заряженных частиц Ие в ливне от электронов 26 ГэВ в кристаллах вольфрама (а) ((111), Тж = 293 К) и от электронов 28 Гэ В в кристалле кремния (б) ((110), Т^ = 293 К) (толщины кристаллов на рисунках представлены слева от соответствующих кривых).
На рис. 1 показаны ориентационные зависимости средней множественности заряженных частиц в ливне (^) для трех толщин кристаллического вольфрама (рис. 1(а)) и одной толщины кристалла кремния (рис. 1(6)). Из рис. 1(а) видно, что по мере увеличения толщины кристалла (£ж) средняя множественность заряженных частиц в ливне растет.
Изменение ширины А© ориентационной зависимости Ие в ливне, определяемой как ширина ориентационной зависимости на половине высоты, от толщины кристалла (£с^) представлено на рис. 2. Видно, что ширина ориентационной зависимости увеличивается пропорционально толщине кристалла. Ширина ориентационной зависимости средней множественности заряженных частиц для кристалла кремния составила
Рис. 2: Зависимость ширины (Д©); ориентационной зависимости средней множественности заряженных частиц, выходящих из кристалла, в зависимости от толщины кристалла (^узг) (•, ▼ _ кристаллы вольфрама ((111)); А - кристалл кремния
((110)); • - Е = 26 ГэВ, ▼ , А - Е = 28 ГэВ; А - Тщ = 293 К; ▼ - Тщ = 77
А© = 1.0 ± 0.1 мрад, что в 1.5 раза меньше ширины ориентационной зависимости для кристалла вольфрама такой же радиационной толщины [6].
Можно отметить, что ширина ориентационной зависимости при энергии электронов 28 ГэВ только в ~2 раза шире аналогичной зависимости при энергии позитронов 205 ГэВ (результаты работы [5], в которой приведены ориентационные зависимости средней множественности заряженных частиц в ливнях от позитронов с энергией 205 ГэВ в кристаллах кремния разных толщин, ориентированных вдоль осп (111) (потенциал оси (110) У0 = 70 эВ, потенциал осп (111) У0 = 54 эВ)).
Из рис. 2 также видно, что для кристалла вольфрама 1.7 мм (= 0.48Х0) ширина ориентационной зависимости составляет ~3.6 мрад при энергии электронов 26 ГэВ. Эта величина превышает результат, полученный в [6] на ^1 мрад. В [6] представлены ориентационные зависимости средней множественности заряженных частиц, выходящих
из кристалла вольфрама толщиной 1.7 мм при разных энергиях электронов. Превышение можно объяснить большей мозаичностью исследуемых кристаллов вольфрама по сравнению с мозаичностью кристаллов работы [6].
При увеличении энергии электронов ширина ориентационной зависимости средней множественности заряженных частиц для кристалла вольфрама 1.7 мм убывает с ~3.6 мрад при 26 ГэВ до ^1.3 мрад при ^200 ГэВ и далее при больших энергиях меняется слабо [6]. Эти результаты показывают, что величины ширин ориентационных зависимостей А© изменяются с энергией электронов (и 7-квантов [10]) как А© = к • Е-1/2, где к - коэффициент пропорциональности, Е - энергия электронов. Для кристалла вольфрама 1.7 мм этот коэффициент составил к = 1.84 мрад*ГэВ1/2.
Рис. 3: Зависимость средней множественности заряженных частиц в ливнях от электронов 26 ГэВ в кристаллах вольфрама от толщины кристалла (1 - кристалл разориентирован (© > 40 мрад); 2 - кристалл ориентирован (© = 0 мрад); Тж = 293 К).
Надо также отметить, что для кристалла вольфрама 1.0 мм при энергии электронов 26 ГэВ (рис. 2) ширина ориентационной зависимости средней множественности заряженных частиц в ~1.5 раза уже ширины ориентационной зависимости средней множественности заряженных частиц, выходящих из того же кристалла при
такой же энергии 7-квантов [10].
На рис. 3 с учетом данных рис. 1(а) представлены зависимости средней множественности заряженных частиц для разориентированных (© > 45 мрад, зависимость 1) и ориентированных кристаллов (© = 0 мрад, зависимость 2) от толщины кристаллов при энергии электронов 26 ГэВ. Отношения средней множественности заряженных частиц, выходящих из ориентированного кристалла, к средней множественности заряженных частиц, выходящих из разориентированного кристалла, составили ~3.5, ~2.7 и ~2.3 для толщин кристаллов 2.7, 5.8 и 8.4, соответственно.
Таким образом, экспериментальные результаты показывают увеличение выхода среднего числа заряженных частиц из ориентированных кристаллов по сравнению с разориентированньтми при развитии в них ливней от электронов. Ширины ориентационных зависимостей средней множественности заряженных частиц в ливнях от электронов в кристаллах кремния и вольфрама пропорциональны толщинам кристаллов.
7
кристаллах кремния, можно предположить, что и для кристаллов кремния, ширины ориентационных зависимостей средней множественности заряженных частиц в ливнях от электронов зависят от энергии электронов как Е-1/2.
ЛИТЕРАТУРА
[1] В. Н. Байер, В. М. Катков, В. М. Страховенко, Электромагнитные процессы при высокой энергии в ориентированны,а; монокристаллах (Издательство “Наука” СО АН СССР, г. Новосибирск, 1989).
[2] А. И. Ахизер, Н. Ф. Шульга, ЖЭТФ 85, 94 (1983).
[3] В. А. Басков, В. В. Ким, Б. И. Лучков и др., ПТЭ 6, 10 (1996).
[4] В. А. Басков, Препринт ФИАН X 36 (Москва, ФИАН, 2011).
[5] К. Elsener, S. P. Moller, J. В. В. Petersen, and Е. Uggerho.j, Phys. Lett. В 212, 537
(1988).
[6] R. Medenwaldt, S. P. Moller, S. Tang-Petersen, et al., Phys. Lett. В 227, 483 (1989).
[7] R. Medenwaldt, S. P. Moller, S. Tang-Petersen, et al., Phys. Lett. В 242, 517 (1990).
[8] В. А. Басков, В. В. Ким, И. В. Коноров и др., ПТЭ 5, 58 (1990).
[9] В. А. Басков, В. В. Ким, Б. И. Лучков и др.. Препринт ФИАН X 14 (Москва,
ФИАН, 2012).
[10] В. А. Басков. В. В. Ким. Б. И. Лучков и др.. Краткие сообщения по физике ФИАН 38(6), 8 (2011).
Поступила в редакцию 4 июня 2012 г.
