Calorimetrul de ionizare (din latină calor - căldură și ... metru) în fizica particulelor elementare și fizica nucleară este un dispozitiv care măsoară energia particulelor. Majoritatea particulelor care intră în calorimetru, atunci când interacționează cu substanța acestuia, inițiază formarea particulelor secundare, transferându-le o parte din energia lor. Particulele secundare formează un duș , care este absorbit în volumul calorimetrului și energia acestuia este măsurată cu ajutorul semiconductoarelor , detectoare de ionizare , camere proporționale , detectoare de radiații Cherenkov sau detectoare de scintilație [1] [2]. Energia poate fi măsurată integral (acest lucru necesită absorbția completă a particulelor de duș în volumul sensibil al calorimetrului), sau parțial, cu conversia ulterioară a energiei absorbite în energia totală a particulei primare. De regulă, calorimetrele au segmentare transversală (față de traiectoria particulei) pentru a obține informații despre direcția mișcării particulelor și energia eliberată și segmentare longitudinală pentru a obține informații despre forma dușului și, pe baza acesteia, despre tipul de particule. Proiectarea calorimetrelor este un domeniu activ de cercetare în fizica particulelor, atât în studiul razelor cosmice , cât și pentru studiul particulelor din acceleratoare.
Calorimetrul cu ionizare a fost inventat în 1954 [3] în URSS de către N. L. Grigorov , V. S. Murzin și I. D. Rapoport; a fost destinat studiului razelor cosmice [1] . Primul calorimetru de funcționare a fost creat în 1957 în Pamir și pentru studiul radiațiilor cosmice [2] . Calorimetre cu ionizare din anii 1950 - 1960 avea dimensiuni de ordinul a câțiva metri pătrați în secțiune transversală, o masă de câteva zeci de tone și lucra cu particule cu energii de la 100 GeV la 10 TeV [3] . Cel mai mare dintre ele a fost dat în exploatare în 1964, avea o masă de 70 de tone și era situat pe Muntele Aragats din Armenia [3] . Odată cu începutul erei spațiale, calorimetrele cu ionizare pentru studiul razelor cosmice au început să fie lansate în spațiu [3] . Ulterior, calorimetrele cu ionizare au început să fie folosite la acceleratoare pentru a măsura energia particulelor secundare care au apărut în timpul ciocnirilor de nuclee accelerate la viteze apropiate de lumina [1] .
În funcție de tipul de particule detectate, calorimetrele cu ionizare sunt împărțite în două clase:
După geometrie, calorimetrele sunt împărțite în omogene și eterogene (calorimetre de eșantionare). Calorimetrele cu hadron sunt aproape întotdeauna eterogene, deoarece este foarte dificil să se creeze un detector de particule ( scintilator , detector semiconductor etc.) de asemenea dimensiuni încât să asigure dezvoltarea și absorbția completă a unui duș de hadron în el. Un detector eterogen constă din straturi alternative de materiale absorbante și de detectare ( geometrie sandwich ). Materialul absorbant este reprezentat de elemente grele ( cupru , plumb , uraniu etc.). De asemenea, este de preferat să se utilizeze nuclee grele în materialul de detectare, care poate fi un scintilator (de exemplu, tungstat de plumb PbWO4 ) sau un radiator Cherenkov (de exemplu, sticlă cu plumb ). În timpul opririi particulelor secundare din duș, energia eliberată (sub formă de lumină) este colectată din straturile de detectare, transformată într-un impuls electric (folosind fotodetectoare, de obicei fotomultiplicatoare ) și înregistrată.
Detectoarele electromagnetice sunt în general omogene. Electronii , pozitronii și razele gamma care alcătuiesc un duș electromagnetic sunt bine absorbiți de materialele de detectare, iar detectorul poate avea dimensiuni rezonabile. Calorimetrele omogene au o rezoluție energetică mai bună decât calorimetrele de eșantionare.
Uneori, calorimetrele electromagnetice și hadronice aranjate în serie sunt folosite pentru a înregistra componentele hadronului și electromagnetice ale unui duș. Componenta electromagnetică a dușului este absorbită în prima dintre ele, în timp ce componenta hadronică o trece fără pierderi semnificative și este absorbită de calorimetrul hadronic. În acest caz, camerele cu muoni sunt plasate în spatele calorimetrului cu hadron pentru a detecta muonii , care au o putere mare de penetrare și sunt slab absorbiți chiar și în straturile masive ale calorimetrului cu hadron.
Calorimetrele sunt folosite în aproape toate experimentele moderne cu accelerație. Vezi, de exemplu, articolele Experiment ATLAS , KEDR , SND .