粒子探测技术第四章第3节
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2013/10/21 中国科大 汪晓莲, 刘建北 6
多丝正比室静电 场可以分成四个 区： • 恒定电场漂移区 • 变化电场漂移区 • 雪崩区 • 空间电荷区
MWPC阳极丝附近的电场强度变化曲线。
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中国科大 汪晓莲, 刘建北
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阳极丝单位长度的电容值C（pF/m)
S (mm) L(mm) 8 8 8 4 4 4 2a(m) 10 20 30 10 20 30 1 1.94 2.00 2.02 3.47 3.63 3.73 2 3.33 3.47 3.56 5.33 5.71 5.96 3 4.30 4.55 4.70 6.36 6.91 7.28 4 5.51 5.92 6.19 7.34 8.10 8.58
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第一个过程的分析
• 原初电离产生的电子向阳极丝漂移，它不仅与MWPC的厚度有关也 与电子产生的分散与否有关。低能X射线在MWPC中产生的电子集中 在一个很小的范围内，它们几乎同时到达阳极丝附近，故形成的脉冲 前沿很快。对穿透MWPC的高能带电粒子，它在整个室的厚度内产 生离子对。不同位置产生的电子漂移到阳极丝的时间有很大差别。L 越大，时间差别越大。 • 一个典型的室，L=8mm，we=5cm/s， t=160ns • 当每一个电子（或电子束团）到达阳极丝附近就会产生一次雪崩放大， 给出一个脉冲信号。整个阳极感应脉冲就是这些感应脉冲的叠加。 • 利用快的电流放大器收集阳极丝上的电流脉冲，可以把每个电子产生 的脉冲分开。因为原初电离在气体中是不连续的，是分成一簇一簇的， 用较低的电场使这些电子慢慢漂移到阳极。它们到达阳极的时间不同， 分别产生雪崩放大，再用快电子学方法把这些脉冲分开。通过数脉冲 的个数知道原初电离离子对数目。利用这种原理工作的丝室就称为时 间扩展室。
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C是一个很重要的参数。当外加电压为V0时，C决定了阳极丝单位长度 上的电荷量q＝C V0
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2 x 2 x 2 y 2 y 1 tg tgh tg tgh S S S S 0 为气体的介电常数 2 0 C为阳极丝单位长度上的电容，C L 对常用气体 0 8.85 pF / m 2 a ln S S
• 通常选用惰性气体。在惰性气体中入射带电粒子 损失能量主要通过电离，是一种高效电离气体。 如Ar。但纯Ar很难工作在M>103。
2013/10/21 中国科大 汪晓莲, 刘建北 11
• 猝灭气体：多原子分子气体，酒精、CH4、C02、丙烷、康 烷、正戊烷、异丁烷等，强烈抑止放电现象。 • 惰性气体一般只有发射光子的激发态，通过发射光子退激
§4.3 气体多丝室
§4.3.1 多丝正比室 §4.3.2 多丝漂移室 §4.3.3 时间投影室
§4.3.1 多丝正比室
Multi Wire Proportional Chamber (MWPC) G.Charpak 1968 , Nobel Prize 1992
2013/10/21
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发。比如Ar发射11.6 eV 的光子，该光子能量大于金属材 料电离的阈值，如铜Cu的电离能为 7.7 eV。发生光电效 应，打出新的光电子，导致光子-光电子的倍增。增加猝 灭气体后，多原子分子有更多的激发模式。气体探测器中 用作猝灭体的碳氢化合物是束缚很弱的多原子分子，如甲 烷 CH4: 吸收能带为 7.9-14.5eV。有无辐射跃迁的转动和 振动能级。通过无辐射跃迁方式消耗相当一部分能量，可 以有效抑制光子-光电子过程的发生 。
电位：V ( x, y ) CV0 4 0 2 x 2 L 2 y ln 4 sin sinh S S S
1/ 2 1/ 2
CV0 电场：E ( x, y ) 2 0 S
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工作气体
• 与正比计数管所用气体类似。因大室密封困难， 一般都采用流气式。因用气量较大，通常不仅根 据物理要求还必须考虑经济成本。 • 希望工作气体具有：工作电压低，气体放大倍数 大，正比性能好，满足高计数率要求，工作寿命 长，恢复时间短等优点。同时满足很困难，总是 根据不同物理要求，满足其中某些特点。
• MWPC的等位面和电力线分布
当x 0时，E y E (0, y ) 当y 0时，Ex E ( x, 0) 当x, y S时，E ( x, y )
CV0 y coth 2 0 S S CV0 x c tg 2 0 S S
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常用工作气体
• Ar＋CO2：便宜，长期工作不会因气体聚合而改
变MWPC 性能。 • 90％Ar+10％CH4：通常是丝室的典型工作气体 （称为Pl0的混合气体）。 • Ar＋C4H10：平均原子序数和密度较高，可工作
在较高的气体放大倍数情况下，工作稳定，价格
C 2 t t ln e 0 1 ln e2 t0 1 enM C0
1
Hale Waihona Puke Baidu
正离子迁移率，t0
2 a ln cosh S 1
t，对L 8mm，S 2mm， 2a 25 m， V0 5000V ， t t C enM ln 0 C0 t0
1、阳极丝：
处于高电场区，要求阳极丝表面光洁度高，均匀，机械强度好，常用镀 金钨丝或不锈钢丝。 1）丝径：15－25 m。由机械强度和工作电压决定。 2 CV0 1 2）静电斥力和丝的张力：两个平行线电荷之间的作用力 F r 2 0 r 在垂直于阳极丝平面的方向上其合力 2 2 CV0 1 2 1 2 CV0 当丝的机械张力为T，因位移引起丝 F 2 2 S S 3 S 3 S 4 0 S 2 0 的恢复力在垂直于阳极丝平面的方向 d 2 R T 2 ，＝ x 是沿阳极丝方向不同位置的位移值。 dx 一定直径的丝在弹性范围内允许一定 2 d 2 CV0 的最大张力，其长度也有限制。对大 达到平衡的条件：R F，T dx 2 4 S 2 0 面积MRPC加支撑丝或电压补偿解决。 CV 若 0 l 0，l为丝长， x 0 sin 0 x 2 S T 3）丝距：2－4mm。阳极逐丝读出系 0 2 CV0l 统定位精度有丝距决定。对均匀性要 T0 1 T T0，阳极丝可稳定工作。 ， 4 0 S 求很高。
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一、MWPC的基本结构
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二、MWPC的静电场
• 设MWPC的阳极丝距为S，阳极和 阴极之间气隙的距离为L，阴极丝 径为2a，阳极所加工作电压为V0， 阴极接地。 • 由于结构有对称性，且丝的长度远 大于S和L。在垂直阳极丝的平面内， 由静电学求出：
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•
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• 假设某时刻电离产生的离子的空间分布不随时间改变，感 应电荷的分布可按静电学镜像法原理计算。 • 点电荷Qe，空间位置（xp,yp,h)，在阴极面上任一点（x， y）处感应电荷密度σ近似为
2 x x y y h p p • 在阴极面上某一区域内的感应电荷Q为
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• 阳极脉冲幅度
设MWPC内有n个电子产生，它们同时漂移到阳极丝附近产生 雪崩放大。气体放大倍数为M，产生正离子数为nM，它们同 时离开阳极附近向阴极漂移。取外接电子学系统时间常数为无 穷大。C0外接电容。
U t
2 2CV0 2 S 当 1
四、输出脉冲和感应信号
第二个过程的分析
在过程二中，雪崩发生在阳极丝附近几十到几百微米的范围内，电子很快 到达阳极，形成一个很快的脉冲信号。电子在电场中走过的距离太短，由 电子产生的脉冲幅度很小，仅占整个感应信号幅度的几％。正离子也是在 阳极丝附近产生，向阴极漂移。因处在高电场区，开始的漂移速度较大， 在阳极上感应的脉冲信号开始上升也较快。当正离子远离阳极丝时，电场 变弱，其漂移速度变慢，信号上升变慢，对阳极丝感应信号贡献变小。
0.775 1
• 在最初的10ns内感应的脉冲几乎和以后90ns内增加的幅度相同，而在
100ns以后幅度增加缓慢。实验中为了获得高计数能力，读出电子学输入 采用微分电路 • 对原初电离电子的收集，与入射粒子性质和室的有效厚度有关。 • 低能X射线的转换电子的射程很短，<1mm。到达雪崩区的时间仅差几 个ns。 • 高能带电粒子的原初电离分布于整个空间，全部收集时间约为～160ns （L=8mm)。
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感应信号
• 雪崩产生的正离子向阴极漂移时，在中心丝 上引起的是负脉冲，而在邻近阳极丝和阴极 上引起的是正脉冲。每一根阳极丝接一个只 对负脉冲灵敏的放大器，就可根据哪一根丝 有信号输出确定射线穿过MWPC的位置。 MWPC内邻近丝由于电容耦合感应的负脉冲 幅度约是中心丝幅度的1/5-1/10。 雪崩产生的正离子向阴极漂移时，在周围电极上相应形成的正负感应电荷的 总量相等。负感应电荷集中在中心丝上，正感应电荷分布在邻近阳极丝和阴 极面上。其分布与室的几何参数有关。 对典型室在脉冲开始阶段，约有40％的正电荷分布在邻近阳极丝上，30％分 布在每个阴极面上。 阴极感应信号与总的感应电荷成正比。精确测量阴极感应信号分布曲线的重心， 可以确定射线位置。沿阳极丝方向定位精度可达100m。
rc V0 a VT
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kNCV0 a V0 M exp 2 1 2 0 VT
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• 由于光子-光电子增殖和空间电荷效应的共同影响，气体 的放大系数不能无限制增加。
• 一般气体放大倍数不超过～106。
2 2 2
Qe h
3/ 2
Q dx
x1
x2
y2 y1
Qe h
2 2 2 x x p y y p h 2 3/ 2
dy
感应电荷大小与雪崩点的位置即入射离子原初电离位置有关
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五、多丝正比室的构造
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三、气体放大倍数和工作气体
• 阳极丝附近电场的分布与圆柱形气体正比计数器类似， 气体放大过程的分析可以借用圆柱形气体正比计数器的 结果。 • 在工作一定的工作电压下，多丝正比室的气体放大倍数 M是常数，这时输出信号的幅度与入射粒子的能量损失 成正比。当工作电压改变时，气体放大倍数服从指数变 化规律，即： CV0 1 CVT x2 Ec M exp dx 2 0 rc 2 0 a x1
CV0 1 ，r 2 x 2 y 2 2 0 r
CV0 x 当y S时， cot h 1 ， E y 2 0 S S
• 在室内，电子和正离子沿电力线分别向阳极和阴极漂移。电 力线在空间不相交，故在室内某点产生的电子只能漂移到与 它相近的阳极丝附近，产生气体雪崩放大，在该阳极丝上产 生脉冲信号，而不会漂移到另外的阳极丝上。这就是MWPC 可以测量粒子位置的基础。
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10 s
近似有：U (t )
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U/U饱和随时间的变化
t U U饱和 1ns
0.015
2ns
0.026
10 ns
0.065
50 ns
0.120
100 500 1s 10 ns ns s
0.140 0.180 0.2 0.32
100 145 s s
比Kr、Xe便宜，坪很长。
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正是由于正离子分布在原初电离方向 上有一个长的尾巴，当它们向阴极漂 移时在阴极上感应的脉冲信号重心位 置就不仅决定于雪崩的阳极丝还与原 初电离位置有关。可以用阴极感应信 号重心来定位，且比用阳极逐丝读出 法定位精确。 脉冲形成的时间主要有两个因素组成： 1）原初电离的电子向阳极漂移被阳极收集的过程 2）电子在阳极附近雪崩放大形成的电子－正离子对被收集的过程。
多丝正比室静电 场可以分成四个 区： • 恒定电场漂移区 • 变化电场漂移区 • 雪崩区 • 空间电荷区
MWPC阳极丝附近的电场强度变化曲线。
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阳极丝单位长度的电容值C（pF/m)
S (mm) L(mm) 8 8 8 4 4 4 2a(m) 10 20 30 10 20 30 1 1.94 2.00 2.02 3.47 3.63 3.73 2 3.33 3.47 3.56 5.33 5.71 5.96 3 4.30 4.55 4.70 6.36 6.91 7.28 4 5.51 5.92 6.19 7.34 8.10 8.58
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第一个过程的分析
• 原初电离产生的电子向阳极丝漂移，它不仅与MWPC的厚度有关也 与电子产生的分散与否有关。低能X射线在MWPC中产生的电子集中 在一个很小的范围内，它们几乎同时到达阳极丝附近，故形成的脉冲 前沿很快。对穿透MWPC的高能带电粒子，它在整个室的厚度内产 生离子对。不同位置产生的电子漂移到阳极丝的时间有很大差别。L 越大，时间差别越大。 • 一个典型的室，L=8mm，we=5cm/s， t=160ns • 当每一个电子（或电子束团）到达阳极丝附近就会产生一次雪崩放大， 给出一个脉冲信号。整个阳极感应脉冲就是这些感应脉冲的叠加。 • 利用快的电流放大器收集阳极丝上的电流脉冲，可以把每个电子产生 的脉冲分开。因为原初电离在气体中是不连续的，是分成一簇一簇的， 用较低的电场使这些电子慢慢漂移到阳极。它们到达阳极的时间不同， 分别产生雪崩放大，再用快电子学方法把这些脉冲分开。通过数脉冲 的个数知道原初电离离子对数目。利用这种原理工作的丝室就称为时 间扩展室。
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C是一个很重要的参数。当外加电压为V0时，C决定了阳极丝单位长度 上的电荷量q＝C V0
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2 x 2 x 2 y 2 y 1 tg tgh tg tgh S S S S 0 为气体的介电常数 2 0 C为阳极丝单位长度上的电容，C L 对常用气体 0 8.85 pF / m 2 a ln S S
• 通常选用惰性气体。在惰性气体中入射带电粒子 损失能量主要通过电离，是一种高效电离气体。 如Ar。但纯Ar很难工作在M>103。
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• 猝灭气体：多原子分子气体，酒精、CH4、C02、丙烷、康 烷、正戊烷、异丁烷等，强烈抑止放电现象。 • 惰性气体一般只有发射光子的激发态，通过发射光子退激
§4.3 气体多丝室
§4.3.1 多丝正比室 §4.3.2 多丝漂移室 §4.3.3 时间投影室
§4.3.1 多丝正比室
Multi Wire Proportional Chamber (MWPC) G.Charpak 1968 , Nobel Prize 1992
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发。比如Ar发射11.6 eV 的光子，该光子能量大于金属材 料电离的阈值，如铜Cu的电离能为 7.7 eV。发生光电效 应，打出新的光电子，导致光子-光电子的倍增。增加猝 灭气体后，多原子分子有更多的激发模式。气体探测器中 用作猝灭体的碳氢化合物是束缚很弱的多原子分子，如甲 烷 CH4: 吸收能带为 7.9-14.5eV。有无辐射跃迁的转动和 振动能级。通过无辐射跃迁方式消耗相当一部分能量，可 以有效抑制光子-光电子过程的发生 。
电位：V ( x, y ) CV0 4 0 2 x 2 L 2 y ln 4 sin sinh S S S
1/ 2 1/ 2
CV0 电场：E ( x, y ) 2 0 S
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工作气体
• 与正比计数管所用气体类似。因大室密封困难， 一般都采用流气式。因用气量较大，通常不仅根 据物理要求还必须考虑经济成本。 • 希望工作气体具有：工作电压低，气体放大倍数 大，正比性能好，满足高计数率要求，工作寿命 长，恢复时间短等优点。同时满足很困难，总是 根据不同物理要求，满足其中某些特点。
• MWPC的等位面和电力线分布
当x 0时，E y E (0, y ) 当y 0时，Ex E ( x, 0) 当x, y S时，E ( x, y )
CV0 y coth 2 0 S S CV0 x c tg 2 0 S S
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常用工作气体
• Ar＋CO2：便宜，长期工作不会因气体聚合而改
变MWPC 性能。 • 90％Ar+10％CH4：通常是丝室的典型工作气体 （称为Pl0的混合气体）。 • Ar＋C4H10：平均原子序数和密度较高，可工作
在较高的气体放大倍数情况下，工作稳定，价格
C 2 t t ln e 0 1 ln e2 t0 1 enM C0
1
Hale Waihona Puke Baidu
正离子迁移率，t0
2 a ln cosh S 1
t，对L 8mm，S 2mm， 2a 25 m， V0 5000V ， t t C enM ln 0 C0 t0
1、阳极丝：
处于高电场区，要求阳极丝表面光洁度高，均匀，机械强度好，常用镀 金钨丝或不锈钢丝。 1）丝径：15－25 m。由机械强度和工作电压决定。 2 CV0 1 2）静电斥力和丝的张力：两个平行线电荷之间的作用力 F r 2 0 r 在垂直于阳极丝平面的方向上其合力 2 2 CV0 1 2 1 2 CV0 当丝的机械张力为T，因位移引起丝 F 2 2 S S 3 S 3 S 4 0 S 2 0 的恢复力在垂直于阳极丝平面的方向 d 2 R T 2 ，＝ x 是沿阳极丝方向不同位置的位移值。 dx 一定直径的丝在弹性范围内允许一定 2 d 2 CV0 的最大张力，其长度也有限制。对大 达到平衡的条件：R F，T dx 2 4 S 2 0 面积MRPC加支撑丝或电压补偿解决。 CV 若 0 l 0，l为丝长， x 0 sin 0 x 2 S T 3）丝距：2－4mm。阳极逐丝读出系 0 2 CV0l 统定位精度有丝距决定。对均匀性要 T0 1 T T0，阳极丝可稳定工作。 ， 4 0 S 求很高。
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一、MWPC的基本结构
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二、MWPC的静电场
• 设MWPC的阳极丝距为S，阳极和 阴极之间气隙的距离为L，阴极丝 径为2a，阳极所加工作电压为V0， 阴极接地。 • 由于结构有对称性，且丝的长度远 大于S和L。在垂直阳极丝的平面内， 由静电学求出：
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•
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• 假设某时刻电离产生的离子的空间分布不随时间改变，感 应电荷的分布可按静电学镜像法原理计算。 • 点电荷Qe，空间位置（xp,yp,h)，在阴极面上任一点（x， y）处感应电荷密度σ近似为
2 x x y y h p p • 在阴极面上某一区域内的感应电荷Q为
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• 阳极脉冲幅度
设MWPC内有n个电子产生，它们同时漂移到阳极丝附近产生 雪崩放大。气体放大倍数为M，产生正离子数为nM，它们同 时离开阳极附近向阴极漂移。取外接电子学系统时间常数为无 穷大。C0外接电容。
U t
2 2CV0 2 S 当 1
四、输出脉冲和感应信号
第二个过程的分析
在过程二中，雪崩发生在阳极丝附近几十到几百微米的范围内，电子很快 到达阳极，形成一个很快的脉冲信号。电子在电场中走过的距离太短，由 电子产生的脉冲幅度很小，仅占整个感应信号幅度的几％。正离子也是在 阳极丝附近产生，向阴极漂移。因处在高电场区，开始的漂移速度较大， 在阳极上感应的脉冲信号开始上升也较快。当正离子远离阳极丝时，电场 变弱，其漂移速度变慢，信号上升变慢，对阳极丝感应信号贡献变小。
0.775 1
• 在最初的10ns内感应的脉冲几乎和以后90ns内增加的幅度相同，而在
100ns以后幅度增加缓慢。实验中为了获得高计数能力，读出电子学输入 采用微分电路 • 对原初电离电子的收集，与入射粒子性质和室的有效厚度有关。 • 低能X射线的转换电子的射程很短，<1mm。到达雪崩区的时间仅差几 个ns。 • 高能带电粒子的原初电离分布于整个空间，全部收集时间约为～160ns （L=8mm)。
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感应信号
• 雪崩产生的正离子向阴极漂移时，在中心丝 上引起的是负脉冲，而在邻近阳极丝和阴极 上引起的是正脉冲。每一根阳极丝接一个只 对负脉冲灵敏的放大器，就可根据哪一根丝 有信号输出确定射线穿过MWPC的位置。 MWPC内邻近丝由于电容耦合感应的负脉冲 幅度约是中心丝幅度的1/5-1/10。 雪崩产生的正离子向阴极漂移时，在周围电极上相应形成的正负感应电荷的 总量相等。负感应电荷集中在中心丝上，正感应电荷分布在邻近阳极丝和阴 极面上。其分布与室的几何参数有关。 对典型室在脉冲开始阶段，约有40％的正电荷分布在邻近阳极丝上，30％分 布在每个阴极面上。 阴极感应信号与总的感应电荷成正比。精确测量阴极感应信号分布曲线的重心， 可以确定射线位置。沿阳极丝方向定位精度可达100m。
rc V0 a VT
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• 由于光子-光电子增殖和空间电荷效应的共同影响，气体 的放大系数不能无限制增加。
• 一般气体放大倍数不超过～106。
2 2 2
Qe h
3/ 2
Q dx
x1
x2
y2 y1
Qe h
2 2 2 x x p y y p h 2 3/ 2
dy
感应电荷大小与雪崩点的位置即入射离子原初电离位置有关
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五、多丝正比室的构造
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三、气体放大倍数和工作气体
• 阳极丝附近电场的分布与圆柱形气体正比计数器类似， 气体放大过程的分析可以借用圆柱形气体正比计数器的 结果。 • 在工作一定的工作电压下，多丝正比室的气体放大倍数 M是常数，这时输出信号的幅度与入射粒子的能量损失 成正比。当工作电压改变时，气体放大倍数服从指数变 化规律，即： CV0 1 CVT x2 Ec M exp dx 2 0 rc 2 0 a x1
CV0 1 ，r 2 x 2 y 2 2 0 r
CV0 x 当y S时， cot h 1 ， E y 2 0 S S
• 在室内，电子和正离子沿电力线分别向阳极和阴极漂移。电 力线在空间不相交，故在室内某点产生的电子只能漂移到与 它相近的阳极丝附近，产生气体雪崩放大，在该阳极丝上产 生脉冲信号，而不会漂移到另外的阳极丝上。这就是MWPC 可以测量粒子位置的基础。
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10 s
近似有：U (t )
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U/U饱和随时间的变化
t U U饱和 1ns
0.015
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0.026
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0.120
100 500 1s 10 ns ns s
0.140 0.180 0.2 0.32
100 145 s s
比Kr、Xe便宜，坪很长。
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正是由于正离子分布在原初电离方向 上有一个长的尾巴，当它们向阴极漂 移时在阴极上感应的脉冲信号重心位 置就不仅决定于雪崩的阳极丝还与原 初电离位置有关。可以用阴极感应信 号重心来定位，且比用阳极逐丝读出 法定位精确。 脉冲形成的时间主要有两个因素组成： 1）原初电离的电子向阳极漂移被阳极收集的过程 2）电子在阳极附近雪崩放大形成的电子－正离子对被收集的过程。