Моделирование процессов ионизации газов быстрыми заряженными частицами в газонаполненных детекторах ядерных излучений

• Автор: Смирнов, Игорь Борисович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Гатчина
• Количество страниц: 110 с. : ил.

1 Обзор литературы

2 Физико-математическое моделирование

2.1 Поперечное сечение передач энергии от налетающей частицы в среду

2.2 Разделение атомных оболочек

2.3 Атомные данные

2.4 Эмиссия вторичных частиц

2.5 Поглощение 5-электронов ,

3 Сравнение с экспериментами

3.1 Число первичных кластеров

3.2 Количество ионизации

3.2.1 Амплитудные спектры в пропорциональных камерах

3.2.2 Спектры ограниченных средних в многослойных детекторах
3.2.3 Усредненное ограниченное среднее как функция скорости
3.2.4 Наиболее вероятная ионизация как функция скорости
3.2.5 Зависимость релятивистского роста наиболее вероятной ионизации
от толщины слоя
3.3 Пространственные флуктуации
4 Численное моделирование
4.1 Введение
4.2 Язык программирования и основные компоненты программы
4.3 Методология численного моделирования на С++
4.4 Моделирование геометрии экспериментальных установок на С++
Заключение
Литература

Детекторы, основанные на регистрации ионизации, производимой быстрыми заряженными частицами в газах, широко распространены в физике высоких энергий и ядер-ной физике. Их главная роль заключается в определении пространственного положения грека и времени его появления без поглощения пролетающей частицы или какого-либо существенного влияния на ее дальнейшее движение. Количество ионизации, созданной в рабочем объеме детектора, может также измеряться и давать информацию о заряде и скорости частицы. Благодаря фактической прозрачности газонаполненных детекторов для быстрых заряженных частиц эти устройства обычно оказываются совместимыми с другими детекторами и часто используются как компоненты сложных детекторных систем. В целом, они часто становятся ключевыми элементами современных экспериментальных установок. В современных и планируемых коллайдерных экспериментах наиболее масштабное применение они находят для регистрации мюонов. В качестве примера процитируем «Technical Proposal» эксперимента CMS, который готовится на создаваемом сейчас коллайдере LHC [1]: «Мюоны являются безошибочным признаком большей части физики, которую собираются изучать на LHC. Способность триггери-ровать и реконструировать мюоны при наибольших светимостях является центральной для концепции CMS, компактного мюонного соленоида (the Compact Muon Solenoid)». Причем общая площадь мюонных камер CMS составляет почти гектар [2]. Аналогичные масштабы имеют газонаполненные детекторы и в других современных коллайдерных детекторах. Газонаполненные детекторы широко используются и в экспериментах с фиксированной мишенью. И в коллайдерных экспериментах, и в экспериментах с фиксированной мишенью газонаполненные (далее просто газовые) детекторы часто используются для измерений искривления траекторий частиц в магнитном поле, что позволяет определить импульсы частиц (в частности и в CMS). Иногда они используются для идентификации типов частиц по величине производимой ими ионизации и интенсивности переходного излучения.
Большинство газовых детекторов, применяемых в физике высоких энергий, являются проволочными камерами, многочисленные разновидности которых берут свое начало от базисной конструкции, известной как многопроволочная пропорциональная камера, пли счетчик (multi-wire proportional chamber, или counter) и имеющей английскую аббревиатуру «MWPC» [3,4). Обычная MWPC детектирует количество ионизации в

рабочем объеме детектора, одну координату дискретными шагами, соответствующими промежуткам между анодными проволоками, и время события. Камеры, производные от MV/PC, обладают различными дополнительными свойствами и улучшенными характеристиками, оставаясь, как правило, камерами со многими проволоками и пропорциональным режимом работы. Они известны как дрейфовые камеры, катодные стриповые камеры, времяпроекционные камеры и пр. Существует много новых беспроволочных камер, основанных на использовании новых технологий производства. Это такие камеры, как резистивные плоские камеры (resistive plate chambers, RPC, см. [5] и другие ссылки из этой работы), и большое разнообразие микроструктурных (micro pattern) газовых детекторов (см. [6] и ссылки в этой работе): микростриповые газовые счетчики (MSGC) (об MSGC см. также [7]), газовые электронные умножители (GEM), микро-сеточные газовые структуры (Micromegas) и многие другие. Они обычно тоже имеют пропорциональный режим работы.
При организации крупномасштабных экспериментов весьма привлекательными оказываются возможность производства газовых детекторов по относительно простым технологиям и их относительно низкая стоимость. К недостаткам газовых детекторов относится свойственное им старение, а также необходимость квалифицированного обслуживания.
Для проектирования, совершенствования, оптимизации характеристик, анализа измерений на газовых детекторах (так же, как и на детекторах других типов), а также для различных связанных с ними исследований, например, исследований взаимодействия излучения с веществом, применяют компьютерное моделирование.
Как отмечается в работе [8], термин «модель» многозначен: «Он употребляется для обозначения, например, образцов продукции той или иной конструкции. Он может использоваться и для обозначения теории, рассматриваемой в качестве модели, соответствующей исследуемой действительности, и т. д. и т. п.» При компьютерном моделировании под термином «модель» будем подразумевать теорию и ее компьютерную реализацию. Первое удобно обозначить термином «физико-математическая модель» (этот термин применялся, например, в [9]), а второе — «численная модель». Физико-математическая модель в нашем случае — это совокупность физико-математических представлений и концепций, подходящих для численных расчетов. Они должны быть и достаточно точными, и, в то же время, достаточно простыми, чтобы избегать необоснованных затрат вычислительного времени. Численная модель, как правило, также основана на особых представлениях и концепциях относительно того, как абстрактные теоретические представления можно реализовывать в виде компьютерных операций. Когда эти представления объединены общим философским подходом, говорят о методологии программирования. Практическая применимость, а значит и практическая ценность численной модели, существенно зависит от способов ее технической реализации. Данная работа посвящена, в основном, физико-математической модели, а вопросы

z(cm)
Рис. '2.13: Траектории пятидесяти электронов в аргоне, выпущенных с начальной энергией 3 кэВ из точки (0,0) в направлении вдоль оси z. На левой картинке показаны сами траектории (т. е. их проекции на плоскость xz), а на правой — созданная ими ионизация в двухмерной гистограмме, изображенная в стиле «Ьох» (в этом стиле в программе PAW содержание бина пропорционально прощади квадрата, изображенного в нем). Наиболее ионизированный регион расположен справа от начальной точки, где электроны еще не успевают рассеяться.
z (cm)