6-1切伦科夫探测器

N
N
e N
，不发射光电子的几率
P 0 e N
要提高探测效率： 1）通过光学系统的光收集效率； 2）选用光阴极转换效率高的PMT； 3）选用n大的辐射体（但分辨动量低）； 4）加大辐射体长度L； 5）气体阈式C计数器可加大气压以增加n。
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速度分辨：
• 要有效地区分粒子，要求阈式C计数 器对于>T的粒子有尽可能高的探 测效率（~100%）。 • 效率曲线有一定的斜度，说明计数器 的阈速度不是绝对单值的，存在着一 定大小的速度分辨范围。 • 阈式C计数器的速度分辨率定义为探 测效率曲线由0－63％变化时对应 的速度的变化

通常可以采用2个以上PMT符合来降低噪声和电子效应。
噪声和电子效应：应尽量减小PMT噪声和辐射体中电子的信号。
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设计C计数器的若干参数：
速度分辨率： 2 鉴别动量相同质量不同的粒子，两个粒子的质量 m12 m2 差越小，要求C计数器的速度分辨率越高。 2 p2 辐射体长度： 如果设计阈式C计数器使得较重的粒子的速度恰好在阈速度附近，意味 着对应m2粒子的C辐射角2~0。而较轻的m1粒子的C辐射角为1


Cherenkov Radiation：匀速带电粒子穿过均匀 透明介质，当其速度超过光在该介质中的相速度c/n 时，粒子将发射辐射，称为Cherenkov辐射。 产生机理：
• • 介质原子或分子的极化与退极化； 电磁辐射的相干叠加，在一定方向得到加强。


Cherenkov辐射的阈特性、方向性是和入射粒子的 速度密切相关的。 产生和记录Cherenkov辐射的装置称为 Cherenkov探测器。
N / L 490 sin 2 c
6
常用Cherenkov介质的特性
介质 折射率 n 最大辐射角 N(光子数 max /cm) 0°57’ 0°29’ 1°38’ 11°22’ 41°15’ 47°51’ 55°23’ 0.13 0.03 0.40 19.0 213 269 332
1.000140 氢 1.000035 氦 二氧化碳 1.000410 1.02 气凝硅胶 1.33 水 1.49 有机玻璃 1.76 铅玻璃

v c
PT m
max cos 1
m n 2 1
1 n （5）辐射光谱是从紫外光到可见光的连续谱，短波光子数多。 （6）辐射光微弱，要选择电离能损小、无荧光发射的介质为辐射体； 尽量提高收集效率，向紫外区域扩展。 （7）能损小，近似于“无损”探测 如：在气凝硅胶中的切伦科夫辐射能损 ~0.3keV/cm, 电离能损 ~400keV/cm （8）发光时间短10－9－10－11秒，取决于粒子穿越辐射体的时间。
n 1 2


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三、光探测器
要求对紫外光透过率好的高灵敏度低噪音的光探测器。

光电倍增管：
1. 透紫外高灵敏低噪声的PMT； 2. 微通道板(MCP)型PMT； 3. 多阳极PMT，对磁场不灵敏。

固体光子探测器
1. CCD（Charge-Coupled Device）电荷耦合器件 2. PD（Photoelectron Diode）光电二极管 3. APD（Avalanche Photoelectron Diode）雪崩光电 二极管 4. VLPC（Visible Light Photo Counter）可见光计数器
位置灵敏探测器
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混合光探测器HPD
• 由固体光电转换体和电子倍增器组合而成。电子倍增可以在 真空器件中进行也可以在气体探测器中进行。 • CsI光电转换体，入射光子光电子。 • 气体预放大区，光电子倍增， • 保证其良好的位置和时间特性。 • 二次放大，富He混合气体，低气压或1个大气压。 • MWPC记录。 • M>107, 允许计数率106Hz/mm2。
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§6-3 阈式Cherenkov探测器
探测速度大于阈速度的粒子
T
1 n
阈动能
辐射体
氦 氩 空气 氮 甲烷 二氧化碳 氟利昂 水 有机玻璃 铅玻璃
折射率 电子(MeV)
1.000035 1.000284 1.000293 1.000297 1.000441 1.000450 1.000864 1.333 1.50 1.76 61 21 21 20 17 16 12 0.2 0.175 0.11
• 球面镜起聚焦作用。 • 反射镜面一般是镀铝的。因为 铝对紫外光有很高的反射率。 再覆盖适当厚度的MgF2保护 层以增强镜面的反射率。
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利用Cherenkov全反射选择一定速度的 粒子。全反射条件：
1 n cos1 1 1 sin 1 n n cos2 1 n2 2 sin 2 1 n2

1 1 2 n2 ( )
若介质长L，发出在波长1和2之间的光子总数为
N
L
0

2
1
2 2 2 L z d 2N 2 dxd sin c d 2 1 dxd
• 辐射集中在短波区 • 对于对可见光灵敏的光探测器(=400-700nm)，单位长度的光子数
满足逻辑组合： S1 S2 S3 S4 C 满足逻辑组合： S1 S2 S3 S4 C 为电子 为
性能较其他类型的Cherenkov计数器差， 但最简单。 日本KEK B工厂采用抗水性气凝硅胶辐射体 阈式Cherenkov计数器鉴别粒子。 在n=1的两条曲线以上的区域，或K可发射 Cherenkov光，在两条曲线之间的区域只有 发射C光，而K不发射。 显然n越小，可分辨/K的动量越高。
气凝硅胶（Aerogel）： n=1.02~1.08介于气体和固体之间， 密度0.1~0.3g/cm3
不同折射率n下， 辐射角θc与粒子速度的关系
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切伦科夫辐射的特点
（1）切伦科夫辐射角 （2）阈速度 （3）阈动量 （4）最大辐射角
1 cos1 n
T＝
1 n
cos 2 1 2 sin 1 1 2 2 要区分这两种粒子必须C计数器的速度分辨小于这两种粒子的速度差， 1 cos 1 n1 1 2 n
2 2 2 2 m2 m1 ，显然1越小越好。 2 2p 2 1
N pe LN 0 sin 1 LN
第六章 切伦科夫探测器 与穿越辐射探测器
1
粒子携带的信息

P m

1 1 2

若已知粒子动量p，可根据粒子速度确定粒子质量，即 分辨粒子。对粒子的分辨能力为：
dm m


2 2 d 2

dP 2 P


粒子分辨的精度由速度测量精度和动量测量精度决定。
2
§6-1 切伦科夫辐射 一、切伦科夫辐射的描述
2
2 0 1
1 e
N pe 2 N0 L
N pe
2 2 d 2N 2z2 z sin 2 c 2 dEdx c re me c 2
370 sin 2 ( E )

1 1 2 2 n ( E ) (eV 1 cm 1 ) （z 1时）
或，光子波长的函数则
d 2N 2 z 2 dxd
cos c
n 是介质的折射率，c / n 是光在介质中的相速度，
v / c是入射粒子的相对论速度， c 和n 都是切伦科夫辐射波长的函数
当最小辐射角 =0时，T n 1 ，为产生切伦科夫辐射的最小速度，
如图，探测效率由0－63％变化， 对应气压变化0.2atm， 对He气 (n0-1)=32.910-6


1 n
n 1 n0 1 p
6.5 106
用固体和液体做辐射体，因n大，阈动能很低。 102 103 对<5的粒子，由于能量不高，一般选用固体或液体做辐射体。 对能量为几十GeV的粒子选用气体做辐射体。 104 107

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二、Cherebkov辐射的传播和收集

在辐射体内：一部分被吸收
N N0e x 当x 0时，N N 0 为产生的总光子数； 当x X 0时，N N0e X 0 为还剩下的光子数。为吸收系数。
Cherenkov辐射非常微弱，要求辐射体透明度好，以减少 吸收，并采用透紫石英窗或增强透过率的其他措施。 在辐射体界面上：折射、全反射、镜反射或漫反射。 1）辐射体外包铝箔或镀一层铝作为反射层，使辐射在辐射体及反 射体界面上多次反射，然后进入光子探测器。 2）利用Cherenkov辐射的方向性，采用各种反射镜收集，球面 镜光学像差最小，采用最多。
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阈式Cherenkov探测器的主要性能

探测效率：由Cherenkov辐射光子数、光的收集效率和传输效 率以及光探测器的探测效率决定。若很好地调节PMT，使其能 探测单个光电子（探测效率~100％），则C探测器的探测效率 由C辐射在PMT光阴极上产生的光电子数决定。
光阴极平均发射光电子数：N，根据泊松分布光阴极发射N 个光电子的几率 N! 探测效率是光阴极发射一个以上光电子的几率： 1 e N PMT 收集到的光电子数：N pe L N 0 sin 2 c sin 2 max 1 1 n2 L辐射体长度 PN
介子(GeV)
17 5.7 5.6 5.6 4.6 4.5 3.2 0.0726 0.0475 0.0307
质子(GeV)
112 38.5 38 38 31 30 22 0.488 0.322 0.206
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常用于从动量相同的混合粒子束中选出某一种粒子。
例：从和电子混合束中选出电子或 。实验安排： 所用Cherenkov探测器的 阈速度仅对电子灵敏。
3
二、切伦科夫辐射产生的条件
（1）快速带电粒子做匀速运 动，且
c 1 v 或 n n （2）均匀透明的介质
（3）满足 在与 粒子运动方向成角的方向 上电磁辐射相干加强，才 能观测到。
4
cos
1 n
三、切伦科夫辐射的特点
1)
Cherenkov辐射的阈速度和方向性：
c / n 1 v n
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§6-2 切伦科夫探测器的组成
一、辐射体
可以是气体、液体和固体，应根据不同的用途选择不同 的辐射体。对不同速度的粒子，必须选择适当折射率的辐 射体。 对于气体辐射体，折射率可通过调节气压来改变 (n-1)=(n0-1)p 辐射体对切伦科夫辐射的透明度好且能与光探测器的光 谱响应相匹配；电离能损小、荧光发射很小。 要求色散小，以提高速度分辨率。 ) 色散n将使 展宽 tan(
称作切伦科夫辐射的阈速度。 1 当 =cos-1 时， 1， max 最大辐射角。 n
切伦科夫辐射与粒子运动方向成角，形成 以粒子运动轨迹为轴的光锥，其张角为2， 测定，已知n，即可求得。
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2）切伦科夫辐射光谱及光子密度分布

通过单位长度介质在每单位光子能量间隔产生的光子数是
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光敏气体探测器
• 光电转换和电荷倍增在气体中进行。 • 光电转换层是低电离电位、高量子效率的负电性蒸气。常用的有： TEA, I=7.5eV TMAE, I=5.4eV • 位置灵敏探测器： 多丝室（MWPC）、多步雪崩室（MSAC）、 微条气体室（MSGC）、微间隙室（MGC）等， 给出光电子二维或三维座标。
c sin 1
cos 2 sin 2

1 1 1 n2 2 n2

1 1 0 n2 1 n2 1
发生全反射和不发生全反射时，透过介质 的辐射强度有很大变化，在侧面记录多次 全反射，即记录>0的粒子。 已知，对折射率n而言，发生全反射的条 件： 1 2