探测器

各种粒子探测器
• 高能粒子探测器通常包括计数器和径迹室两类。 • 其中计数器为记录、分析粒子在其中产生的电脉冲信息，
在高能实验中常见的有多丝室、漂移室、闪烁计数器、契 伦科夫计数器、穿越辐射计数器、电磁能量器和强子能量 器等。 径迹室是用于记录分析粒子的图像常见的有火花室，流光 室，云室和泡室。
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伦琴
贝克勒尔
• 1911年英籍新西兰物理学家卢瑟福（Ernest Rutherford,1871～
1937）（左图）借助显微镜观察到单个α粒子在硫化锌上引起发光。 这正是闪烁计数器的雏形。1919年他用类似的荧光屏探测器第一次 观察到用α粒子轰击氮产生氧和质子的人工核反应，由此核物理迅速 发展起来。
• 20世纪50年代以来，由于研究进入核子夸克层次，要求轰击粒子的
能量更高，这时期逐渐从原子核物理发展出高能物理(粒子物理)，它 也包括不用加速器的宇宙线物理。利用高能量和高粒子束流强度的加 速器（或对撞机），粒子物理（也称高能物理）实验要求快速地记录 愈来愈复杂的高事例率事例。由于径迹探测器记录事例速度慢且后处 理需要大量人工，例如用云雾室记录一次需要几分钟，而电子学探测 器如有机闪烁体计数器单粒子计数率可高达109次/秒，这样，在粒 子发现史上起过重要作用的径迹探测器就逐渐让位于电子学探测器。 60年代末至80年代初，出现了各种用于固定靶和对撞机的大型综合 多粒子谱仪及非加速器宇宙线实验的大型电子学探测器阵列。许多新 粒子和新现象的发现都是利用它们得到的。
核乳胶
• 核乳胶（nuclear emulsion）是一种能记录单个带电粒子径迹的特制
乳胶﹐它由普通照相乳胶发展而来。其主要成分是溴化银微晶体和明 胶的混合物。 • 如果事先用一系列已知能量和类别的带电粒子入射到核乳胶上﹐测得 径迹长度-能量关系﹐则测量任一已知粒子径迹长度﹐就可以定出该 粒子的能量。粒子在乳胶中运动﹐同原子碰撞而多次散射﹐改变运动 方向﹐径迹常有折曲。根据径迹颗粒密度的大小和折曲程度﹐可以判 别粒子种类并测定它们的速度。中性粒子不能直接形成径迹﹐但是它 们可以产生次级带电粒子。通过对这些次级带电粒子径迹的测量﹐可 以推算中性粒子的能量和数量。
粒子探测器
• 1.人类对于微小“宇宙”认识 • 2.粒子探测器的发展简史 • 3.各种常见粒子探测器
人类对于微观物质世界的认识
• 人类对两个极限尺度的物质世界—“小宇宙”和“大宇宙”—不断认识的历史是人类文
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明发展史的重要组成部分。作为物质结构的“小宇宙”，两千多年前就有了古希腊哲 学家德谟克里特的朴素原子论。 原子学说的早期论点也见诸于中国古代的史书，我国春秋战国时期伟大的思想家墨翟 曾经提出“端，体之无厚，而最前者也”。端是物体的开始，把体分割到无厚，便达 到最前的质点，就是说物体可以两半两半的分下去，如果剖到“无”，就不能在剖下 去了。也就是我们现在说的基本粒子。 近百年来，人类的认识逐渐达到原子、原子核、核子、夸克这几个层次，对其观测的 尺度已从 108 到 1015 厘米。作为人类周围星体世界的大宇宙，从太阳系、银河系、 直到河外系，人们观测的尺度已大到 6 1015 光年距离。在地球上观察到宇宙中存 在高能基本粒子，也包括能量范围极宽的电磁辐射光子，其能量由 104 电子伏特 （宇宙背景辐射）到 1020 电子伏特的硬γ射线，而可见光光子只在大约1.6-3.2电 子伏特的很小的一段范围内。宇宙本身已逐步成为研究粒子物理的实验室。人类对无 限小和无限大世界的研究也已经逐步有机地结合起来。
• 1910年，威尔逊通过显示在饱和蒸汽中运动的带电粒子周围的雾气，
揭示了这些粒子的径迹。云雾室突然膨胀时，使蒸汽过饱和，液体就 凝聚在带电粒子在其运动路径上所留下的离子的周围。在强烈的侧射 光照射下就可看到这种雾，就象我们看到的在高空飞行的飞机留下的 蒸气尾迹一样。 • 气泡室是一种装有透明液体（如液体氢、氦、丙烷、戌烷等）的耐高 压容器。它是利用在特定温度下通过突然减压使某种工作液体在短时 间内（一般为50毫秒）处于过热的亚稳状态而不马上沸腾，这时若有 高能带电粒子通过就会发生局部沸腾，并在粒子经过的地方产生大量 的气泡，从而显示出粒子的径迹。根据径迹的长短、浓淡等数据，便 能清楚地分辨出粒子的种类和性质。然后气泡室又恢复至高压状态， 气泡立即消失，这样气泡室可以连续使用。气泡室容积大小从数毫升 到100升，所用液体为液氢、淮氙、乙醚、丙烷等；气泡室的压力从1 个大气压到几十个大气压。
威尔逊
பைடு நூலகம்
气泡室的图示
由气泡室拍摄的图像
• 经典的正比计数器如盖革-缪勒管，是由一根细丝装在直径约为1cm的
管子中央构成的。在细丝和管壁间加几千伏的高压。带电粒子穿过充 气的管子，会使气体电离。正是由于电子和离子的运动，引起了阳极 丝产生一电信号，给出带电粒子通过的信息。 （下图）
• 波兰籍法国物理学家夏帕克1992年被授予诺贝尔物理奖，以表彰他对
改造工程新谱仪BESIII的主漂移室 （左图）。
北京BESIII的主漂移室
漂移室简图
• 中国物理学家也为该领域的研究做出了不少贡献。被称为中国居里夫
妇的钱三强（1913-1992）、何泽慧（1914-）就是其中的杰出代表。 • 1974～1976年间，高能所在云南落雪山3220米高度处设置了规模较 小的乳胶室，为建立大型乳胶室积累了经验。1977年在西藏甘巴拉山 5500米高度处建立了世界上最高的高山乳胶室（下图）；1978年还 曾在珠穆朗玛峰脚下6500米处设置过乳胶室。
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粒子探测器的发展简史
• 1590年和1609年先后出现的显微镜和望远镜使人们得以在两个尺度
方面超出了肉眼范围， 它们正是人类首先使用的可见光探测器，它 们开始使人类对“小宇宙”和大宇宙的探索逐步走上现代实验科学的 轨道。
• 1895年德国物理学家伦琴在无可见光条件下发现胶片感光从而发现
X射线和1896年法国物理学家贝克勒尔由钾铀硫酸盐使感光片变黑 的现象发现了β射线可以作为粒子探测器历史的开端。
高能物理探测器，特别是多丝正比室的发明和发展。夏帕克对正比计 数管作了重大改革，他于1968年首次发表了他的开创性研究成果。多 丝正比室由大量平行细丝组成，所有这些细丝都处于两块相距几厘米 的阴极平面之间的一个平面内，阳极细线的直径约为十分之一毫米， 间距约为一或几毫米。
• 多丝正比室的每根丝都可单独配备一个放大器。现代电子学正好可以
提供能源消耗极小的密集型放大器，使建造数万以致数十万的电子读 出系统成为可能。
夏帕克
多丝正比室简单图示
• 漂移室的基本构造（右图）类似于多丝正比室，主要部件是两个阴极
平面和一个阳极丝平面﹐内充合适的气体。预先测定电子在气体中漂 移速度，通过测量从粒子通过瞬间产生原始电离到电离电子漂移到阳 极丝产生电信号之间的时间间隔，由此可以确定原始电离距离阳极丝 的位置。此后，按不同的需要又发展了各种类型的漂移室﹐主要有多 丝漂移室﹑均匀电场漂移室和可调电场漂移室﹐以及低气压﹑高气压 ﹑球形﹑圆筒形等特殊类型的漂移室。北京也有正负电子对撞机重大
卢 瑟 福
• 核物理和宇宙线的发展反过来又带动了各种探测器的发展。新粒子的
发现往往借助于当时的新型探测器，例如1932年和1936年用云雾室 先后发现了正电子和μ介子，1939年用电离室发现核裂变现象， 1954年用气泡室发现 0 超子，1961年用火花室发现μ中微子等。 值得提出的是以我国科学家为主于20世纪50年代利用气泡室发现了 反 超子。
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• 1903年有人发现 α粒子照射在硫化锌粉末上可产生荧光的现象。
1911年，卢瑟福将玻璃面上涂一层硫化锌的观测屏用于α 粒子散射实 验，通过屏上的荧光闪烁，证实原子的核结构。 • 光电倍增管（PhotoMultiplier Tube）利用电子次级发射的倍增放大作 用以测量弱光强度，是灵敏度极高，响应速度极快的光探测器。 • 闪烁计数器的优点是效率高，有很好的时间分辨率和空间分辨率，时 间分辨率达10-9秒，空间分辨率达毫米量级。它不仅能探测各种带电 粒子，还能探测各种不带电的核辐射；不仅能探测核辐射是否存在， 还能鉴别它们的性质和种类；不但能计数，还能根据脉冲幅度确定辐 射粒子的能量。闪烁探测器的能量分辨率虽不如半导体探测器好，但 对环境的适应性较强。特别是有机闪烁体的定时性能，中子、γ分辨 能力和液体闪烁的内计数本领均有其独具的优点，在核物理和粒子物 理实验、同位素测量和放射性监测中应用十分广泛。二十世纪六十年 代后，它又成为X射线天文学和γ射线天文学中的重要观测仪器。