Ionizační kalorimetr (z latinského calor - teplo a ... metr) ve fyzice elementárních částic a jaderné fyzice je zařízení, které měří energii částic. Většina částic vstupujících do kalorimetru při interakci s jeho látkou iniciuje tvorbu sekundárních částic a předává jim část své energie. Sekundární částice tvoří sprchu , která je absorbována v objemu kalorimetru a její energie je měřena pomocí polovodičových , ionizačních detektorů, proporcionálních komor , Čerenkovových detektorů záření nebo scintilačních detektorů [1] [2]. Energii lze měřit celou (to vyžaduje úplnou absorpci částic sprchy v citlivém objemu kalorimetru), nebo její část s následnou přeměnou absorbované energie na celkovou energii primární částice. Kalorimetry mají zpravidla příčnou (vzhledem k dráze částic) segmentaci pro získání informace o směru pohybu částic a uvolněné energii a podélnou segmentaci pro získání informace o tvaru sprchy a na základě toho o typu. částice. Konstrukce kalorimetrů je aktivní oblastí výzkumu částicové fyziky, a to jak při studiu kosmického záření , tak při studiu částic v urychlovačích.
Ionizační kalorimetr vynalezli v roce 1954 [3] v SSSR N. L. Grigorov , V. S. Murzin a I. D. Rapoport, byl určen pro studium kosmického záření [1] . První operační kalorimetr vznikl v roce 1957 v Pamíru také pro studium kosmického záření [2] . Ionizační kalorimetry 50. - 60. let 20. století měl rozměry v průřezu řádově několik metrů čtverečních, hmotnost několika desítek tun a pracoval s částicemi o energiích od 100 GeV do 10 TeV [3] . Největší z nich byl uveden do provozu v roce 1964, měl hmotnost 70 tun a nacházel se na hoře Aragats v Arménii [3] . S počátkem kosmického věku se začaly do vesmíru vypouštět ionizační kalorimetry pro studium kosmického záření [3] . Následně se u urychlovačů začaly používat ionizační kalorimetry k měření energie sekundárních částic, které vznikaly při srážkách jader urychlených na rychlosti blízké rychlosti světla [1] .
Podle typu detekovaných částic se ionizační kalorimetry dělí do dvou tříd:
Podle geometrie se kalorimetry dělí na homogenní a heterogenní (vzorkovací kalorimetry). Hadronové kalorimetry jsou téměř vždy heterogenní, protože je velmi obtížné vytvořit detektor částic ( scintilátor , polovodičový detektor atd.) takových rozměrů, aby v něm zajistil plný vývoj a absorpci hadronové sprchy. Heterogenní detektor se skládá ze střídajících se vrstev absorbujících a detekčních materiálů ( sendvičová geometrie). Absorpčním materiálem jsou těžké prvky ( měď , olovo , uran atd.). Je také výhodné použít v detekčním materiálu těžká jádra, kterými může být scintilátor (například olovnatý wolframan PbWO 4 ) nebo Čerenkovův zářič (například olovnaté sklo ). Během zastavení sekundárních částic sprchy je uvolněná energie (ve formě světla) sbírána z detekčních vrstev, převedena na elektrický impuls (pomocí fotodetektorů, obvykle fotonásobičů ) a zaznamenána.
Elektromagnetické detektory jsou obecně homogenní. Elektrony , pozitrony a gama paprsky , které tvoří elektromagnetickou sprchu, jsou dobře absorbovány detekčními materiály a detektor může mít přiměřenou velikost. Homogenní kalorimetry mají lepší energetické rozlišení než vzorkovací kalorimetry.
Někdy se k záznamu hadronových a elektromagnetických složek sprchy používají elektromagnetické a hadronové kalorimetry uspořádané v sérii. V prvním z nich je absorbována elektromagnetická složka sprchy, zatímco hadronová složka jí prochází bez výraznějších ztrát a je absorbována hadronovým kalorimetrem. V tomto případě jsou za hadronovým kalorimetrem umístěny mionové komory pro detekci mionů , které mají vysokou penetrační schopnost a jsou slabě absorbovány i v masivních vrstvách hadronového kalorimetru.
Kalorimetry se používají téměř ve všech moderních experimentech s urychlovačem. Viz např. články Experiment ATLAS , KEDR , SND .