Электронное антисовпадение — 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-либо детектором , создавая быстрый электронный импульс в связанной ядерной электронике . Но желаемые события смешиваются со значительным числом других событий, произведенных другими частицами или процессами, которые создают неразличимые события в детекторе. 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 отклонения нежелательного фона.
Ранние экспериментаторы в рентгеновской и гамма-астрономии обнаружили, что их детекторы, летающие на воздушных шарах или зондирующих ракетах , были повреждены большими потоками высокоэнергетических фотонов и событий 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 высокоэнергетического излучения, присутствующие в ближнем космосе, создавали ливни вторичных частиц , которые не могли быть остановлены разумными защитными массами. Чтобы решить эту проблему, детекторы, работающие выше 10 или 100 кэВ, часто окружали активным антисовпадательным экраном, сделанным из какого-то другого детектора, который можно было использовать для отклонения нежелательных фоновых событий. [1]
Ранний пример такой системы, впервые предложенной Кеннетом Джоном Фростом в 1962 году, показан на рисунке. Она имеет активный сцинтилляционный экран CsI (Tl) вокруг детектора рентгеновского/гамма-излучения, также из CsI(Tl), с двумя соединенными электронными антисовпадениями для отклонения нежелательных событий заряженных частиц и для обеспечения требуемой угловой коллимации. [2]
Пластиковые сцинтилляторы часто используются для отклонения заряженных частиц, в то время как более толстые CsI, германат висмута («BGO») или другие активные защитные материалы используются для обнаружения и блокирования гамма-лучевых событий некосмического происхождения. Типичная конфигурация может иметь сцинтиллятор NaI , почти полностью окруженный толстым антисовпадательным экраном CsI, с отверстием или отверстиями, позволяющими желаемым гамма-лучам поступать из изучаемого космического источника. Пластиковый сцинтиллятор может использоваться поперек фронта, который достаточно прозрачен для гамма-лучей, но эффективно отклоняет высокие потоки протонов космических лучей, присутствующих в космосе.
В гамма -спектроскопии подавление Комптона — это метод, который улучшает сигнал, удаляя данные, которые были искажены падающим гамма-излучением, рассеивающим Комптон из детектора до того, как он вложит всю свою энергию. Цель состоит в том, чтобы минимизировать фон, связанный с эффектом Комптона ( комптоновский континуум ) в данных. [3] [4]
Детекторы из высокочистого твердотельного германия (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 неполными: детектор регистрирует энергию, которая составляет лишь часть энергии падающего гамма-луча. [3]
Чтобы противодействовать этому, дорогой и маленький детектор высокого разрешения окружен более крупными и дешевыми детекторами низкого разрешения, обычно сцинтиллятором (NaI и BGO являются наиболее распространенными) [4] Детектор подавления экранирован от источника толстым коллиматором и работает в режиме антисовпадения с основным детектором: если они оба обнаруживают гамма-луч, он должен был рассеяться из основного детектора до того, как отдать всю свою энергию, поэтому показания Ge игнорируются. Поперечное сечение взаимодействия гамма-лучей в детекторе подавления больше, чем у основного детектора, как и его размер, поэтому крайне маловероятно, что гамма-луч выйдет из обоих устройств. [3]
Современные эксперименты в ядерной физике и физике частиц высоких энергий почти всегда используют быстрые схемы антисовпадений для наложения вето на нежелательные события. [5] [6] Желаемые события обычно сопровождаются нежелательными фоновыми процессами, которые должны быть подавлены огромными факторами, варьирующимися от тысяч до многих миллиардов, чтобы позволить обнаружить и изучить желаемые сигналы. Экстремальные примеры такого рода экспериментов можно найти на Большом адронном коллайдере , где огромные детекторы Atlas и CMS должны отклонять огромное количество фоновых событий с очень высокой скоростью, чтобы изолировать очень редкие искомые события.