核电子学课件3

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分辨率
• 分辨率主要有能量分辨、时间分辨和空间分辨等，指探测器 在识别两个相邻的能量、时间、位置等量之间的最小差值的 能力。对这些量的测量，由于探测器的探测过程，即电离、 激发退激发、光电转换以及光电倍增管的倍增过程都是随机 的，在后续的电子学处理过程中噪声的贡献，使得被测量测 量值N围绕其平均值有统计涨落，其几率分布呈高斯：
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第二节 探测器的输出信号
2.2.1 探测器简化等效电路 • 上节所述所有探测器的输出信号，可以用图2.2-1所 示的简化等效电路来表示。其中iD(t)为粒子在探测 器中产生的电流信号，RD和CD分别为探测器输出电 阻和输出电容，RD(t)一般从几百k 至几百M ， CD(t)一般从几个PF到几十PF。如果用一个负载电 容C对电流进行积分形成电荷Q, 我们有 • （2-2-1） Q = ∫ i (t)dt • 此为一个粒子产生的电荷量，正比于该粒子在探测 器中沉积的能量E。
• 2.1.1 气体探测器 气体探测器有电离室、正比计数器、多丝正比 室、漂移室、时间投影室、时间扩展室等。这些探 测器的特点室是工作介质均为单一气体或混合气体， 当被测粒子通过探测器的工作介质时，通过库仑散 射使得工作介质原子中的电子产生电离直接形成电 荷。其中电离室对电离电子没有放大而直接收集， 因而信号非常小，对电子学的要求比较高。正比计 数器和多丝正比室由于有了气体放大过程因而信号 比较大，而且多丝正比室还提供了位置信息。漂移 室、时间投影室和时间扩展室通过控制电离电子的 漂移速度恒定，使得信号的产生时间表征粒子通过 的位置，达到精确位置测量的目的。
• 入射粒子在电离室中产 生离子对后，电子和正 离子在电离室的电场作 用下逐渐远离，电子漂 向正极板，离子漂向负 极板。正负级板上的感 应电荷随之发生变化， 在外电路中分别产生电 流和。当电子和离子都 到达极板后（电子，离 子），电子感应电荷流 动形成的电子电流就中 止了。
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电离室输出电流波形
电离室的输出电流信号 包含有快成分（电子电 流）和慢成分（离子电 流）。在总输出电荷Q 为一定时这两部分电流 所占的比例与粒子入射 位置有关，使得电流波 形发生变化，因此能量 信息和时间信息的提取 比较复杂而且不易准确。
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第一节 探测器简介
粒子探测器的种类很多，但象气泡室、 乳胶室等没有电信号输出的探测器不是本书 研究的范围。核电子学处理的是探测器输出 的电信号。探测器的基本工作原理基于基本 粒子和核碎片等被测粒子与物质的相互作用。 有
• 气体探测器、 • 固体探测器、 • 液体探测器
三种类型。
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第一节 探测器简介
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2.2.2.2 正比计数管
• 正比计数管为圆筒形（半径为 b），中间为信号丝（半径为 a），丝极相对于圆筒为正电位， 由于信号丝很细因而其附近的 电场强度很大。粒子电离后产 生的离子对中的电子向信号丝 漂移。当电子漂移至丝附近时， 在强电场中获得能量与气体碰 撞引起电离，产生出A倍的离 子对群。这一过程只在信号丝 附近的0.1mm的强场区范围内 发生，因而离子对群中的电子 瞬间就漂移到信号丝，对输出 电荷贡献不大。离子则从中心 漂向阴极圆筒，产生输出的离 子电流。
η(N ) = e
N −N ) −( 2σ N 2
PIN半导体探测器的电流
• PIN半导体探测器的本 −7 Tn = x0 / υ n ≈ 0 ~ 10 s 征厚度d一般在10mm左 右，因而弟子和空穴的 T p = x0 / υ p ≈ 0 ~ 10 −7 s 收集时间一般在10-7s量 Ne in = υ n , (0 < t < Tn ) 级，即在10-7s时间内全 d 部收集电子电流和空穴 Ne 电流的电荷，因而既能 υ p , (0 < t < T p ) ip = d 保持比较好的固有能量 i D = in + i p 分辨率，又可以工作在 比较高的计数率下。
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2.2.2.4 PIN半导体探测器
• 平面PIN探测器是正负电极 连于两边的N型区和P型区， 中间是本征层I，厚度为d。 入射粒子在本征层产生电子 －空穴对。电子和空穴的收 集过程和平行板电离室一样， 但电子和空穴的迁移率µn和 µp的差别很小，在常温时 µn≈2µp。 当电场强度达到 102V/cm以上时，µn和µp趋 于饱和，饱和漂移速度 约为 107cm/s。 18
∞ D 0
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2.2.2 输出信号的时间特性
• 各种探测器的输出电流随时间的变化与 探测器的类型和结构是密切相关的。下 面给出几种探测器输出电流波形，帮助 我们了解探测器输出的一般特征，指导 我们在设计实验方案时作为选择探测器 及设计和选择电子学时的依据。
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2.2.2.1平板电离室
Tn = x0 / υ n ≈ 0 ~ 10 −6 s T p = x0 / υ p ≈ 0 ~ 10 −3 s Ne in = υ n , (0 < t < Tn ) d Ne υ p , (0 < t < T p ) ip = d i D = in + i p
t max = 400ns
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MDC信号丝单电离电子输出波形
• 单个电离电子漂移到阳极丝附近时在强电场 的作用下由于雪崩过程而在阳极丝上产生1/t 电流波形，可表示为： • 1
i(t) = k × t +1 t0
• 式中，k是常数，由漂移室的工作参数决定；t0是室 的特征时间常数，根据BESIII MDC的设计，t0 ≈1.5ns。i(t)的波形形状如图所示， 其后沿的缓慢下 降是由于雪崩形成的正离子团向阴极丝的缓慢运动 所造成。由上式可知，该电流下降到峰值的1%以下 15 所需时间约250ns。
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• 表中给出了1MeV能量的粒子的能量全部沉积在探 测器中时，产生的平均电荷对数及相应的输出电 压幅度。可以看出除了闪烁体探测器和正比计数 器以外，放大器是必须的。
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2.2.4 探测器的其它特性
• 探测效率 探测效率定义为探测器测量到的粒 子数目与实际入射到探测器中的粒子总 数的比值，在粒子物理实验中也称为几 何接收度。它是与探测器的尺寸，几何 形状，特别是对入射粒子的灵敏度、能 区有关
• 对于闪烁体探测器，假设粒子在闪烁体中沉 积单位能量产生并到达光电倍增管的光阴极 的平均光子个数为，光电倍增管的光阴极灵 敏度为，平均倍增系数为，后则有
n = n1 • ε • M
• 若给定收集极输出电容C为10pF，则由
V = N ⋅e A⋅ E ⋅e = C w⋅C
• 可以估算出输出电压幅度。其中e＝1.6×1019库仑。
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第一节 探测器简介
2.1.2 固体探测器 • 固体探测器有：
– 闪烁体探测器 包括BGO,CsI,NaI等。当被测粒子通过探测器的工作 介质时，通过库仑散射使得工作介质原则原子中的电子产 生激发，退激发产生荧光。 闪烁体探测器的输出为光信 号，必须通过光电倍增管PMT或光二极管PD转换成电信 号。 – 半导体探测器 包括硅面探测器，硅条探测器，硅微条探测器和硅象 素探测器等。当被测粒子通过半导体的耗尽层时产生电子 空穴对，外接偏置电路对电子进行收集形成电信号输出。
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正比计数管的电流
T p = (T p ) max = iD = i p = P ln(b / a ) 2 (b − a 2 ) = 0.1 ~ 1ms 2 µ p V0 ANeµ pV0 P(ln(b / a ) 2 [a 2 + (b 2 − a 2 )t / T p ]
• 由于碰撞电离只在信号丝附近发生，因而与初始 电离的位置无关。正比计数管的输出电流在达到 10－3时就下降到t=0时的百分之一，因电流波形 与初始电离位置无关，此时的电荷仍然与粒子损 失能量成正比，收集时间就缩短到了微秒量级。
t w = t d _ max − t d _ min + 250 ns
• 式中，是径迹中距离阳极丝最远的电离电子的漂移 时间，是距阳极丝最近的电离电子的漂移时间。 • 显然，当径迹穿过一个探测单元的对角线时，如图 所示，这时输出信号有最大宽度：
t w max = 400 - 0 + 250 = 650ns
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2.2.3 输出信号的幅度
• 假定在探测介质中产生一对电子／离子对或 电子／空穴对需要的平均能量为(称之为平均 电离能)，A为探测器内部或光电倍增管的倍 增系数，入射粒子在探测介质中产生的平均 电荷对数为 E
N= W A
• 定义单位能量（1MeV）产生的平均电荷数为
N A n= = E W
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2.2.2.5 闪烁体探测器
• 闪烁体探测器的输出 电流波形比较复杂， 因为从闪烁体发光到 光电倍增管输出电流， 经过多种物理过程。 原子或分子受到射线 激发后，在退激发时 发出荧光，光强是指 数衰减的，而且一般 同时有几个时间常数。
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闪烁体探测器输出波形
• 光子在光电倍增管的阴极上打 出光电子。一个光电子经过多 次倍增后在阳极上得到个电子， 这里是光电倍增管的平均倍增 系数。个电子到达阳极的时间， 相对于光电子的产生时间有一 定的延迟（渡越时间）。光子 脉冲在光阴极上产生的光电子 脉冲为，其中为光阴极发射的 总光子数。
MDC 输出电流波形
• 信号丝的实际输出波 形，就是由若干这样 的单个电离电子所形 成的1/t波形的迭加。 用garfield程序对 BESIII MDC的输出波 形进行了仿真，一个 典型结果如图所示。 图中若干电流尖峰正 是这种1/t波形相迭加 的结果。
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MDC 输出电流波形宽度
• 实际输出波形的宽度与粒子的入射位置有关，观测 显示，这一宽度大体上符合下面的关系： •
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nK = ial =
NK0
τ0
e −t / τ 0
( t −Tt ) 2 − 2σ T