1-0粒子物理和核物理实验(1)解析

粒子探测器大家族

粒子探测器是核物理、粒子物理研究及辐射应用中不可 缺少的工具和手段。当粒子和探测器内的物质相互作用 而产生某种信息（如电、光脉冲或材料结构的变化）， 经放大后被记录、分析，以确定粒子的数目、位置、能 量、动量、飞行时间、速度、质量等物理量。 按照记录方式，粒子探测器大体上分为

计数器类探测器

多丝室和漂移室——是正比计数器的变型。既有计数功能，还可以分辨带 电粒子经过的区域。多丝室有许多平行的电极丝，处于正比计数器的工作 状态。每一根丝及其邻近空间相当于一个探测器，后面与一个记录仪器连 接。因此只有当被探测的粒子进入该丝邻近的空间，与此相关的记录仪器 才记录一次事件。为了减少电极丝的数目，可从测量离子漂移到丝的时间 来确定离子产生的部位，这就要有另一探测器给出一起始信号并大致规定 了事件发生的部位，根据这种原理制成的计数装置称为漂移室，它具有更 好的位置分辨率（达50微米），但允许的计数率不如多丝室高。 半导体探测器——辐射在半导体中产生的载流子（电子和空穴），在反向 偏压电场下被收集，由产生的电脉冲信号来测量核辐射。常用硅、锗做半 导体材料。 高纯锗探测器有较高的能量分辨率，对γ辐射探测效率高，可在室温下保存， 应用广泛。砷化镓、碲化镉、碘化汞等材料也有应用。

计数器类探测器

闪烁计数器——通过带电粒子打在闪烁体上，使原子（分子）电离、激 发，在退激过程中发光，经过光电器件（如光电倍增管）将光信号变成 可测的电信号来测量核辐射。闪烁计数器分辨时间短、效率高，还可根 据电信号的大小测定粒子的能量。闪烁体可分为三大类：

无机闪烁体，常见的有用铊(Tl)激活的碘化钠NaI(Tl)和碘化铯CsI(Tl)晶 体，它们对电子、γ辐射灵敏，发光效率高，有较好的能量分辨率，但光衰 减时间较长；锗酸铋晶体密度大，发光效率高，因而对高能电子、γ辐射探 测十分有效。其他如用银 (Ag)激活的硫化锌ZnS(Ag)主要用来探测α粒子； 玻璃闪烁体可以测量α粒子、低能X辐射，加入载体后可测量中子；氟化钡 (BaF2)密度大，有荧光成分，既适合于能量测量，又适合于时间测量。 有机闪烁体，包括塑料、液体和晶体(如蒽、茋等)，前两种使用普遍。由 于它们的光衰减时间短（2～3纳秒，快塑料闪烁体可小于1纳秒），常用在 时间测量中。它们对带电粒子的探测效率将近百分之百。 气体闪烁体，包括氙、氦等惰性气体，发光效率不高，但光衰减时间较短 （＜10纳秒）。
粒子物理和核物理实验（1）
胡涛
高能物理研究所 Tel：83054662 email: hut@ihep.ac.cn
本课主要内容



以核物理与粒子物理实验为背景，介绍各种探 测器的基本概念和基础知识，包括：微观粒子 与物质的相互作用和它们的探测原理。 介绍各种微观粒子探测器：气体探测器、半导 体探测器、闪烁探测器、契伦柯夫探测器、气 体多丝室、各种径迹探测器、粒子探测系统、 各种磁谱仪（高能磁谱仪和重离子磁谱仪）等 的基本结构、工作原理、主要特性、种类和应 用等。 粒子探测器的统计性质和实验数据处理知识将 在粒子物理和核物理实验（2）介绍
评分标准 平时作业 30% 期末考试（闭卷）70%
参考书目和学术刊物

谢一冈等著：《粒子探测器与数据获取》，教育出版社，北京 2003 唐孝威主编：《粒子物理实验方法》，人民教育出版社，北京 1982 李金编著：《现代辐射与粒子探测学讲义》 Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A
客体尺度与观测手段
粒子探测器


我们生活的宏观世界被大量的微观粒子所包围： 来自地球表面的各种放射性，如 40K、232Th、235U 来自宇宙（太阳、银河系）的宇宙线（、） 来自加速器和人工放射源的各种能量、不同种类的粒子和射线
Hale Waihona Puke Baidu
为了测量粒子和射线的基本性质，研究这些粒子之间的相互作用以及它们与 宏观物质的相互作用 为了将这些粒子与射线作为微小的探针来研究微观和亚微观结构，如：晶体 结构、物质的表面结构、分子原子及核结构等 为了通过这些粒子或射线来研究我们达不到的各种天体，如地球的深处、太 阳的内部、月亮或银河以外、更遥远的天体 为了使粒子和射线在工业、农业、矿山、地质、医疗、环保、航天等领域被 广泛地应用，不可替代地获得对宏观物质的形态、结构、成分的测量和研究

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。


计数器类探测器

切仑科夫计数器——高速带电粒子在透明介质中的运动速度超过 光在该介质中的运动速度时，则会产生切伦科夫辐射，其辐射角 与粒子速度有关，因此提供了一种测量带电粒子速度的探测器。 此类探测器常和光电倍增管配合使用；可分为阈式(只记录大于某 一速度的粒子)和微分式（只选择某一确定速度的粒子）两种。

计数器类：以电脉冲的形式记录、分析辐射产生的某种信息。 径迹室类：通过记录、分析辐射产生的径迹图象测量核辐射。
计数器类探测器

气体电离探测器——通过收集射线在气体中产生的电离电荷来测量核辐 射。主要类型有电离室、正比计数器和盖革计数器。它们的结构相似， 一般都是具有两个电极的圆筒状容器，充有某种气体，电极间加电压， 差别是工作电压范围不同。电离室工作电压较低，直接收集射线在气体 中原始产生的离子对。其输出脉冲幅度较小，上升时间较快，可用于辐 射剂量测量和能谱测量。正比计数器的工作电压较高，能使在电场中高 速运动的原始离子产生更多的离子对，在电极上收集到比原始离子对要 多得多的离子对（即气体放大作用），从而得到较高的输出脉冲。脉冲 幅度正比于入射粒子损失的能量，适于作能谱测量。盖革计数器又称盖 革-弥勒计数器或G-M计数器，它的工作电压更高，出现多次电离过程， 因此输出脉冲的幅度很高，已不再正比于原始电离的离子对数，可以不 经放大直接被记录。它只能测量粒子数目而不能测量能量，完成一次脉 冲计数的时间较长。

粒子探测器的发展史

1911年英籍新西兰物理学家卢瑟福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。 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。本世纪二十 年代到六十年代出现了核乳胶，云雾室，火花室，流光室等径迹探测器 以及电离室，正比与盖格计数管和闪烁计数器等电子学探测器。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Σ0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Σ-超子。
发明和发展了各种辐射和粒子探测器，并由此产生了新的学科、新的技术、 新的产业。
粒子物理实验

粒子物理实验包括：
1.
2.
粒子源（加速器/对撞机，宇宙线） 探测器

探测器本体 （前端、后端）电子学
3.
数据分析
粒子探测器的发展史

高能物理实验研究需要粒子加速器和探测器及其它设备。加速器 将微小带电粒子加速到非常高的能量，速度接近光速，然后打到 固定的靶上或彼此对撞，以研究物质深层次的结构。探测器用来 探测碰撞产生的微小粒子，记录各种信息，如粒子径迹、衰变产 物、飞行时间、粒子动量、能量、质量等。粒子探测器的发展史 正是人类对物质世界的认识不断深化和实验同理论不断相互促进 的历史。


六位获诺贝尔奖的粒子探测器大师





C.T.R.Wilson 发明云室，一种观测带电粒子径迹的方 法和技术（1927年） P.M.S.Blackett 发展Wilson云室技术，在核物理与 宇宙线研究中做出贡献（1948年） C.F.Powell 发明乳胶技术，在宇宙线中π介子 （1950年） D.A.Glaser 发明气泡室（1960年） L.W.Alvarez 发展气泡室及数据处理技术，发现大量 共振态（1968年） G.Charpak 发明多丝正比室并发展气体丝室技术 （1992年）
学习目的和意义




培养掌握各种粒子探测技术的专门人才。 了解掌握粒子与物质相互作用的物理过程和基 本规律，会使用各种探测器。 掌握粒子测试系统的原理及组建。 掌握大型高能粒子探测谱仪的构成和工作原理。 会设计研发新的粒子探测器。
基本要求及评分标准
基本要求：


掌握核与粒子物理实验的基本概念，掌握粒子与物质 相互作用的基本规律，各种粒子被探测的基本原理。 根据实验要求，会选择粒子探测器。 确定采用的探测方法和技术，设计粒子探测系统，并 给出探测系统原理方框图。

穿越辐射计数器——高速带电粒子穿过两种介质的界面会产生穿 越辐射，其辐射能量与粒子能量成正比。在粒子速度极高，十分 接近光速时，用飞行时间和契伦科夫计数器都无法通过分辨速度 来鉴别粒子，而穿越辐射计数器提供了鉴别该能区高能粒子的新 方法。

粒子探测器的发展史

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），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，同多路电子学配合使用的多丝正比室、漂移室、多种 电磁和强子量能器和标准快电子学插件NIM系统及CAMAC总线系统迅速发 展起来。加以电子学技术和计算机的飞速发展，数据获取和事例重建和显示 的速度大大提高，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。例如，1974年发现的J/ψ粒子和1976年发现的τ粒子 以及1983年发现的中间玻色子W和Z0等。 这些年来在这一领域有多位科学家获得了诺贝尔奖，有力地说明了粒子探测 器对科学发展所起的重要作用以及理论的发展基于实验这一基本观点。

“小宇宙”和“大宇宙”

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10-8到10-15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6×107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10-4 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。




高能物理与核物理
核电子学与探测技术

“小宇宙”和“大宇宙”

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。德谟克利特等根 据有关各种自然现象的思辩性的考虑，提出了原子论 的想法试图以之来阐明宇宙见形形色色的自然现象。 他们认为：宇宙间存在一种或多种微小的实体，叫做 “原子”（现在欧洲各国文字中的“原子”都来源于 希腊文“atomos”，是“不可分割”的意思），这些原 子在虚空中运动着，并可以按照各种不同的方式互相 结合或重新分散。虽然在这种意义上的原子论远远不 是人们今天所了解的严密的科学理论，但它与现代科 学的结论比较吻合。