原子核物理——气体探测器发展

多漂移单元模块MDM
MDM (Multidrift Module)
顶点探测器位于最内部，维修难。不仅要求定位精度高和计数率限高， 还要求高可靠性、抗辐射性能强。
一、结构 • 单元：半径 1.5mm
1+6； 31m的不 锈钢丝性能最好 • 模块：70个单元包在 30mm的六角形碳纤 维管内。管子作为机械 支撑、气体密封。 • 每根径迹30次取样
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空间丝上带电粒子的径迹坐标就由丝上雪崩 在感应片上感应信号的重心所决定。 （100m）
•
• 漂移时间给出z向的位置。 （300m）
• 两者结合，给出带电粒子的三维坐标。
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二、PEP-4的高压TPC



圆柱半径1m，长2m。 圆柱中央有一加负高压 （-150kV）的电极将圆柱 分为左右对称的两半。 圆柱的两端面是栅丝平面、 阳极丝平面（包括灵敏丝和 场丝）和阴极感应平面。 磁场B=1.5T，与电场平行， 测动量，减小漂移电子的横 向扩散。

微条气体室MSGC
MSGC (MicroStrip Gas Chamber)
一、结构和工作原理
在绝缘或半绝缘基质板 上通过蚀刻而成的两组细 金属条: 阳极条（5-10m）， 电场条（50-100 m）

产生雪崩倍增的阳极和 阴极之间的距离大大缩短
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二、性能
空间分辨: 30 m，双径迹分辨400 m。
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二、性能
• 空间分辨率：100m
• 双径迹分辨： ~4mm，由管径决定
• 单元死时间： ~40ns • 机械性能好，不怕断丝 • 进一步减小管子的直径、增加长度是对制作工 艺的挑战。
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MWPC和漂移室是具有代表性的气体探测器。不仅在 粒子物理实验中得到广泛的应用，且在X射线晶体学、 生物医学和天体物理等领域发挥重要作用。
60时间响应与放大间隙有关当雪崩间隙由100m下降到50m时信号的上升时间会减少2倍当间隙为50m时30ns的时间可以收集到整个信号高计数率限10mm21基本无饱和现象在探测器的均匀性工作稳定性和长时间的可靠的实验中均没有发现异常问题
时间投影室 TPC
TPC (Time Projection Chamber) 一、结构和工作原理
二维读出好，阴阳极几乎一样
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微槽气体探测器MGD
一、结构和工作原理 基于PCB制作技术在两面 都有镀金铜箔的Kapton膜 刻上微槽而制成。上、下两 层的金属微条分别是微槽的 阴阳两极，其气体放大是在 Kapton膜的微槽内。 微槽厚50m，镀金铜箔 厚5 m，阳极宽30-40 m。
e+e-对撞机的实验中的TPC有好的动量分辨及粒子鉴 别，双径迹分辨较差； 重离子实验中的TPC有好的双径迹分辨，一般也有好的 动量分辨，但粒子鉴别能力较差9来自六、液体TPC
用液体代替气体作为带电粒子的探测介质有许多 优点。
气泡室、液氩电磁量能器


液体TPC具有良好的能量与空间分辨，像气泡室 一样，能给出电离径迹的三维成像。特别适合高 精度、大质量的应用与寻找稀有事例的实验中， 例如太阳中微子、质子衰变及双衰变等。 常用液氩(LAr)
2 2 2 xy A B L LM
eL sec c2eL cos tan 2
其中，L 为漂移距离，LM=1m 为最大漂移距离； 为带电粒子径迹与灵敏丝平面垂直方向的夹角； 为电子的俘获率； A 为电子学等效应引起的本征空间分辨率； B、 C 分别为L、 函数项的系数

GEM+MSGC
几个倍增结构级联使用 必须对每个GEM上的 电压，漂移极的电压， 工作气体等各种因素进 行优化。
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两级GEM
三、应用

粒子物理实验 COMPASS双GEM

X成像，医疗诊断
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微网平面气体探测器Micromegas
Micromegas (Micro Mesh Gaseous Structure)
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屏蔽栅(Y) 感应平面(Y)由灵敏 丝（2根一组，相距 0.6mm）、屏蔽丝 构成 收集平面(X)给出另 一维坐标 屏蔽栅的存在，使得 在漂移电子未穿过栅 丝之前，不会在灵敏 丝上产生感应信号。 屏蔽栅平面对漂移电子100%透明的条件 E2/E1>1.4 E3/E1>3 电场线将在感应平面的灵敏丝之间通过而 到达收集平面的灵敏丝
MWPC的局限性：
• 垂直阳极丝方向，空间分辨率有丝距（2mm）决定。
• 由于正离子收集时间长，计数率受到限制。

解决方法：
• 减小丝距:改进空间分辨率，减小每根丝承受的粒子通量。 • 减小阳极和阴极间的气隙：缩短离子收集时间，减小空间电荷 效应 • 但这两种方法都会减小输出幅度（M、电离数），机械加工精 度的限制（S<1mm,L<2mm）时，丝室工作不稳定
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二、性能


阳极，阴极同时得到大小几乎一样的信号，只是极性不一样，有利 于二维读出 M=1.5×104 ，增益的均匀性受kapton膜的厚度均匀性的影响。 沿着槽方向的在5％以内，而垂直于槽的方向为10％左右。 短期稳定性：在高增益的情况下，当计数率较高时，开始工作的几 十秒内会出现气体增益的下降，而且下降较快，在以后时间里则下 降缓慢。与MSGC相类似，由于电荷堆积等效应而导致电场发生变 化。MGD恢复快。 高计数率限：106mm-2s-1 能量分辨 22% 由于漂移电场会影响电荷的收集 ，所以也会影响能量分辨。 最快的信号是MGC，其次是MSGC，而最慢的是MGD的信号。 长期稳定性好 MGD可以看成是一种改进型的微间隙探测器MGC。
E和B方向平行且与阳极丝垂直
Lorentz力为0； 电离的径迹会因电子漂移中 的横向扩散而变宽，不过很 强的磁场会减小这种影响。 栅丝、阳极丝、场丝
栅丝的作用是使漂移场的电力线形 成一个漏斗形，将电离电子聚集到灵 敏丝上
阳极丝测dE/dX 部分阳极丝（空间丝）下面有 由感应片组成的阴极感应条。
Ea Eb X 1 1 X
2r d
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X


三维成像 每个事例2个二维平面成像： 漂移时间-感应丝、漂移时间-收集丝 12 被取样采集的电荷值表示为像素的黑度，越黑表示电荷值越高
宇宙线引起的簇射在收集面的成像
包含电磁簇射和强子簇射
小黑点由1MeV的光子形成
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气体探测器的新发展
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• 高精度，在高计数的前提下要有≤50m 的带电粒子的 径迹分辨。 • 因为所测量的粒子是最小电离粒子，探测器还必须有高 增益才能有较高的探测效率。

近期出现的几种新型气体位置灵敏探测器。从技术上讲， 这些新的探测器大都建立在现代先进的微电子技术、光刻 技术、多层板技术的基础之上。 各种类型的无丝位置灵敏探测器的发展，使气体探测器的 技术进入一个崭新蓬勃发展的新时期。 20
一、结构和工作原理
用很薄很细的金属网代替阴极丝 平面，用刻有微条的板作为阳极 平面，两平面之间的间隔小于 100m。这一小间隙可以用耐 压好的石英丝或尼龙丝做垫片来 26 保证。
二、性能
空间分辨: 60 m
时间响应 与放大间隙有关，当雪崩间隙由100m下降到50m时， 信号的上升时间会减少2倍，当间隙为50m时，30ns 的时间可以收集到整个信号 高计数率限 109mm－2s－1 ，基本无饱和现象 M~3x105 （Ar+C2H6+CF4） 在探测器的均匀性，工作稳定性和长时间的可靠的实验中， 均没有发现异常问题。 微网平面气体探测器（Micromegas）不仅可以做高能 物理实验的径迹探测器，还有可能做顶点探测器，同时可 以应用在其它高计数率的领域。

Outer sector 6.2 × 19.5 mm pads 3940 pads
Inner sector 2.85 × 11.5 mm pads 1750 pads
70 Millions readout Channels
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增加“门”丝 以减小高计数率下的空 间电荷效应，加快正离 子收集
由与在TPC中心发生
气体电子倍增器GEM
GEM (Gas Electron Multiplier)
S 5 m D 80 m T 50 m d 60 m P 140 m
一、结构和工作原理
GEM是用很薄的两面都是附有极薄 的铜箔的有机聚合薄箔制成；在有机聚 合薄箔上用光刻技术打有高密度的小孔
对撞时间有关的外加脉 冲触发
gated grid V=150V
0V 4mm anode
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五、其它气体TPC

用于重离子固定靶实验。
规模较小；由于重离子碰撞中产生的很高的粒子径迹密度， 因此侧重点在双径迹分辨及次级顶点的重建。 • 密布的短丝（NA36，BNL810，无感应条读出） • 将阴极感应条平面分成大量的感应片（NA35，HISS， 无信号丝读出）
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四、STAR上的TPC


L=4.2m, D=4m 内外扇区阴极片尺寸不一样
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Outer and Inner Sectors of the Pad Plane
24 sectors (12 on a side) Large pads good dE/dx resolution in the Outer sector Small pads for good two track 60 cm resolution in the inner 190 cm sector
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二、性能
• M=106 • 空间分辨率：65m
• 双径迹分辨 500-1000 m
• 纵向（沿丝）分辨率 0.9%丝长 • 计数率限 106m－2s－1 • 抗辐照性能好：0.5-1.0 A/cm，比通常 的MWPC好20倍 • 单元死时间30-40ns
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稻草管室STC
STC (Straw Tube Chamber) 一、结构 由4-6mm的圆柱形连 续阴极面代替几根阴极 丝限定的小单元。 阴极是铝化的Mylar或 Lexan膜，厚度30m， 并不引进更多的散射和 吸收 当丝断裂时可以起到很 好的隔离作用，也可较 好地消除噪声 长度可达几米，需中间 加支撑。
当L=0， =0 时，xy=160m
Z向空间分辨为 z =340m
最小值
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三、DELPHI的常压TPC




1个大气压 Ar（80%）+ CH4（20%）。 圆柱长2.66m。 圆柱中央有一加负高压 （-20kV）的电极将圆柱分 为左右对称的两半。 与电场平行磁场B=1.2T 每个端面分6个扇区，每个 扇区有192根灵敏丝， 阴极板有16圈感应片，每 圈相距4.5cm。每片面积 为52.5mm2 ，每圈的片数 从16到144片不等，但为 16的倍数。宽度不同
每个端面分6个扇区，每个扇区有183根灵 敏丝，彼此平行且与半径方向垂直，丝距 4mm。其中15根丝彼此距离相等，下面有 7.5x7.5mm的感应片。 灵敏丝直径为20m，栅丝和场丝76 m
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Ar（80%）+ CH4（20%）。 PEP-4的TPC侧重于粒子鉴别，故充以高气压（8.5 个大气压），有利于dE/dX的测量。 dE/dX 的能量分辨 3% 空间分辨
能量分辨 11%（55Fe） 时间响应 上升时间35ns,下降时间也只有～60ns 高计数率限 106mm－2s－1 由于MSGC好的能量、位置分辨，快的时间响应和快的计 数率能力，而得到人们广泛的关注。CMS采用其作为内层 的径迹探测器。 M~103 放大倍数稳定性不好
主要原因是在垫板上的电荷堆积和放电问题。在气体， 电极的材料，垫板的材料和表面处理等方面找到了比 较好的解决方案。 22 电极易老化，影响寿命
电子由上面转换区飘进小孔，放大后， 继续飘进过渡区到达下面的电极进行收 23 集
二、性能
空间分辨: 40 m 时间响应 信号纯粹由电子产生， 无离子尾巴，速度很快 GEM的放大倍数与孔的 大小，膜的厚度有关， 当然是电压的函数。当 选取优化的参数在ArCO2(70:30)的气体中， 放大倍数可达104

漂移室以其大单元、高分辨及结构和制作相对简单得到 更广泛的应用。
• 但不能工作在高计数率下，多径迹分辨差
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近年来，各种高强度，高能量的加速器的建造给探测器也 提出了新的更高的要求。
• 极快的时间响应。强子对撞机LHC的对撞间隔是25ns, HERA-B的时间间隔是96ns，所以，探测器的时间响 应不能大于100ns。
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微隙室MGC
MGC (Micro Gap Chamber) 一、结构和工作原理
Al膜（阴极）+ 绝缘条 + Al膜（阳极） 绝缘条的厚度（2m）决定了阳 极－阴极间的距离，也决定了电场。 气体的放大与阳极的间隙无关
二、性能
收集正离子的速度仅为10ns，
这个速度几乎与固体探测器一样 高计数率限 5x106mm－2s－1 增益比MSGC高一个量级