Электронное антисовпадение — это метод (и связанное с ним оборудование), широко используемый для подавления нежелательных, «фоновых» событий в физике высоких энергий , экспериментальной физике элементарных частиц , гамма-спектроскопии , гамма-астрономии , экспериментальной ядерной физике и смежных областях.
В типичном случае происходит желаемое высокоэнергетическое взаимодействие или событие , которое обнаруживается каким-то детектором , создавая быстрый электронный импульс в соответствующей ядерной электронике . Но желаемые события смешиваются со значительным количеством других событий, производимых другими частицами или процессами, которые создают в детекторе неразличимые события. Очень часто можно организовать другие физические детекторы фотонов или частиц для перехвата нежелательных фоновых событий, производя по существу одновременные импульсы, которые можно использовать с быстрой электроникой для подавления нежелательного фона.
Первые экспериментаторы в области рентгеновской и гамма-астрономии обнаружили, что их детекторы, установленные на воздушных шарах или зондирующих ракетах , были повреждены большими потоками высокоэнергетических фотонов и событиями заряженных частиц космических лучей . Гамма-лучи, в частности, можно было коллимировать , окружив детекторы тяжелыми защитными материалами из свинца или других подобных элементов, но быстро было обнаружено, что высокие потоки очень проникающего излучения высокой энергии, присутствующие в ближней космической среде, создают ливни вторичных частиц , которые не могли быть остановлены разумными экранирующими массами. Для решения этой проблемы детекторы, работающие с энергией выше 10 или 100 кэВ, часто окружали активным антисовпадательным экраном из какого-либо другого детектора, который можно было использовать для подавления нежелательных фоновых событий. [1]
На рисунке показан ранний пример такой системы, впервые предложенный Кеннетом Джоном Фростом в 1962 году. Он имеет активный сцинтилляционный экран CsI (Tl) вокруг детектора рентгеновского/гамма-излучения, также из CsI (Tl), причем два из них соединены по принципу электронного антисовпадения для отклонения нежелательных событий заряженных частиц и обеспечения необходимой угловой коллимации. [2]
Пластиковые сцинтилляторы часто используются для отклонения заряженных частиц, в то время как более толстый CsI, германат висмута («BGO») или другие активные экранирующие материалы используются для обнаружения и запрета событий гамма-излучения некосмического происхождения. Типичная конфигурация может включать сцинтиллятор NaI, почти полностью окруженный толстым антисовпадающим экраном CsI, с отверстием или отверстиями, позволяющими желаемым гамма-лучам проникать из изучаемого космического источника. На передней панели можно использовать пластиковый сцинтиллятор, который достаточно прозрачен для гамма-лучей, но эффективно отклоняет высокие потоки протонов космических лучей , присутствующих в космосе.
В гамма - спектроскопии комптоновское подавление — это метод, который улучшает сигнал путем удаления данных, которые были искажены падающим гамма-лучем , в результате чего Комптон рассеивается из детектора, прежде чем передать всю его энергию. Цель — минимизировать в данных фон, связанный с эффектом Комптона ( комптоновский континуум ). [3] [4]
Детекторы из твердого германия высокой чистоты (HPGe), используемые в гамма-спектроскопии, имеют типичный размер в несколько сантиметров в диаметре и толщину от нескольких сантиметров до нескольких миллиметров. Для детекторов такого размера гамма-лучи могут комптоновски рассеиваться из объема детектора до того, как они отдадут всю свою энергию. В этом случае показания энергии системой сбора данных будут недостаточными: детектор регистрирует энергию, которая составляет лишь часть энергии падающего гамма-излучения. [3]
Чтобы противодействовать этому, дорогой и маленький детектор с высоким разрешением окружен более крупными и дешевыми детекторами с низким разрешением, обычно сцинтиллятором (наиболее распространены NaI и BGO) [4]. Детектор подавления экранируется от источника толстым коллиматором. , и он работает в антисовпадении с основным детектором: если они оба обнаруживают гамма-лучи, они должны были рассеяться за пределы основного детектора, прежде чем передать всю свою энергию, поэтому показания Ge игнорируются. Сечение взаимодействия гамма-лучей в детекторе подавления больше, чем у основного детектора, как и его размеры, поэтому маловероятно, что гамма-луч выйдет за пределы обоих устройств. [3]
Современные эксперименты в области физики ядра и частиц высоких энергий почти всегда используют быстрые схемы антисовпадений, чтобы наложить вето на нежелательные события. [5] [6] Желаемые события обычно сопровождаются нежелательными фоновыми процессами, которые должны быть подавлены огромными факторами, от тысяч до многих миллиардов, чтобы позволить обнаружить и изучить желаемые сигналы. Крайние примеры такого рода экспериментов можно найти на Большом адроном коллайдере , где огромные детекторы Атласа и CMS должны отклонять огромное количество фоновых событий с очень высокой скоростью, чтобы изолировать очень редкие искомые события.