期末复习

– 电极微型化 – 高计数承受能力、高位置分辨
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第五章：半导体探测器
• 工作原理
– 能带理论、电子和空穴（载流子）、本征半导体、杂 质半导体、多数载流子、少数载流子 – PN结的偏压特性、电场分布 – 探测灵敏区：耗尽区（高阻、载流子寿命长） – 载流子的产生，载流子的漂移和收集，信号输出
对b积分则得到：
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电离能量损失的估计（III）
• bmax和bmin的确定
如前所述，单次碰撞的能量转移为 所以确定bmax和bmin的问题转化为了确定最小（Tmin）和 最大能量（Tmax）转移的问题
• 核外电子实际并非自由电子，而是束缚在原子中，只能从入射粒子 接受大于其激发能级的能量，因此，最小能量转移Tmin=原子平均 激发能 I • 最大能量转移Tmax已经在前面推导过，对应入射粒子和一个自由静 止电子的相对论两体弹性散射过程中电子能获得的最大能量。
定义质量厚度dx’=ρdx，则有 其中：
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Bethe-Bloch 公式 （考虑更多的因素和修正）
Tmax:单次碰撞最大能量转移 z : 入射粒子电荷数 Z : 介质原子的原子序数 A : 介质原子的原子数 I : 介质原子平均激发能 δ : 密度效应修正
NA : 阿伏加德罗常数 me ：电子质量 β ：粒子速度/c γ ：(1-β2)-2 dx ：质量厚度 dx
• 电磁簇射由两种过程支配：轫致辐射+电子对产生 • 决定电磁簇射发展的重要参数：辐射长度X0，相当于电磁 簇射中发生一次级联效应在介质中平均通过的距离。
– 轫致辐射能损 E E0 e – 光子产生电子对的平均自由程 ~ 9/7*X0 ~ X0
x X0
这种级联过程一直持续到E(t)<Ec， 此时产生的次级粒子数最多，解 E(tmax)=E0/2tmax=Ec，可得 tmax= ln(E0/Ec)/ln2，相应有Nmax~E0/Ec
‒ 以上能量损失分别与带电粒子和介质主要属性的 关系，它们的主要特点。
‒ 带电粒子电荷、质量、能量、速度… ‒ 介质原子序数、原子数、密度…
dE 1 1 |ion z 2 2 Z N A z 2 2 Z n A dx A
dE 1 1 |brem ( zZ ) 2 2 E N A ( zZ ) 2 2 E n A dx m A m
I0 (t) = V(t)/R0 + C0*dV(t)/dt
e t/R0 C 0 V(t) C0
t/R 0 C 0 I (t)e dt 0 0 t
以上分析决定了各种探测器（包括具有不同几何结 构的同类探测器）的输出电流和电压脉冲的形状。
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探测器输出脉冲形状分析举例
平板型电离室
– 工作原理、基本结构 – 两种工作模式：雪崩模式、流光模式
• 多气隙阻性板室（MRPC）
– 提高时间分辨的原理
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微电极型气体探测器
• 微网格结构气体探测器 (MicroMEGAS)
• 气体电子倍增器(GEM)
• 以上两种气体探测器的工作原理，基本结构，电场分布，输出信号的特点 • 结合这两种探测器认识和了解微电极型气体探测器的一般性原理和特点
• 穿越辐射的主要特点 • 穿越辐射探测器进行粒 子鉴别的原理
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第八章：粒子探测系统
• 脉冲计数、幅度分析和符合测量系统的基 本组成
– 计数测量中的死时间修正和偶然符合
• 探测器输出信号分析
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计数测量和能量测量
• 理解计数测量和能量测量中主要性能参数 的意义
– 探测效率 – 坪特性 – 能量分辨和线性
注：这里的dx不是质量厚度，而是具有长度量纲的常规厚度。
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nA：原子数密度
电离能量损失的估计（I）
一个重（M>>me）带电粒子所带电荷为Ze， 以速度v通过某种介质，与介质原子核外电子 发生碰撞，产生电离和激发，从而损失能量。 • 通常入射粒子动能远大于介质原子中电子的结合能，因此可以 假定电子处于自由静止状态。 • 入射粒子传递给电子的能量相比自身能量十分微小，因此可认 为碰撞后入射粒子速度不变，仍按原方向作直线运动。
– 通道型 – 半导体
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闪烁探测器的应用
• 能谱测量（与半导体探测器的对比）
• 飞行时间测量 • 能量测量（电磁量能器）
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第七章：切伦科夫探测器和穿越辐射探测器
• 切伦科夫探测器的基本工作原理
cos 1 n
• • • •
切伦科夫辐射的主要特点 辐射体（折射率）：气体、液体、固体 切伦科夫探测器进行粒子鉴别的原理 切伦科夫探测器作为粒子鉴别器的主要类型和特点
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期末总复习
第一章：粒子简介
• 基本粒子和基本相互作用
四种基本相互作用
Higgs粒子
上夸克， 粲夸克， 顶夸克 下夸克， 奇异夸克， 底夸克 电子中微子，子中微子， 子中微子 电子， 子， 子 光子， 胶子， W/Z中间玻色子
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• 粒子分类
– 强子
• 重子：质子，中子 … • 介子：， …
2 2 2
• 辐射能损与能量成正比：dE/dx = K*E • 由此定义辐射长度：X0=1/K

E E0 e
x X0
• 同时定义临界能量Ec：由于辐射能损与能量成正比，而 电离能损达到最小电离后与能量的对数成正比，因此随 能量升高，辐射能损终将超过电离能损。
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光子的三种相互作用
• 三种相互作用（光电效应、康普顿散射、电子对产生）与 光子能量和介质原子序数的关系
– 轻子：电子，子，子，它们相应的中微子 – 媒介子（场粒子）：光子，胶子，W，Z
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第二章：粒子探测的物理基础
• 基本概念
– 带电粒子与物质的相互作用
• • • • 电离和激发（核外电子）：电离能、电离产额… 轫致辐射（原子核）：辐射长度、临界能量… 能量损失：电离能损、最小电离、辐射能损、质量厚度… 切伦科夫辐射，穿越辐射：产生机制、主要特点
介质在入射粒子的高电场下发生极化，附加的极化电场对入射粒子电场 有屏蔽作用，限制了电场的相对论增强，从而抑制了dE/dx的相对论上 升，最终使得dE/dx趋于饱和。这种抑制效应与介质密度密切相关。
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辐射能量损失
Z 2 1 e 183 dE z En 1 / 3 4N A 2 A 4 0 mc Z dx 轫致
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第四章：气体探测器
• 气体探测器的基本工作原理
– 气体电离→电荷漂移→气体放大→电荷收集
N0 E W
u
E P
M
N N0
• 气体探测器的不同工作模式：收集电荷数 vs. 电压
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电离室
• 电离室的工作机制包括信号产生和信号输出过程， 是学习和掌握其它探测器工作原理的基础。
光电 Z5, 对产生 Z2, 康普顿 Z
总 光电 康Hale Waihona Puke Baidu顿 对产生
• 光子与物质的相互作用是单次随机事件，因而对单个光子 无射程的概念。光子束通过介质，其强度服从指数衰减规 律，相应地引入衰减系数μ
I I0e
x

N A
A

i
i
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电磁簇射
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第三章：粒子探测中的统计规律
• 两种基本分布：泊松分布、高斯分布 • 简单的误差传播
• 粒子探测物理过程（电离过程、闪烁体发光、光电 倍增…）中的基本统计规律
– 泊松统计、法诺因子、级联过程…
• 计数实验
– 信号计数、本底计数、统计误差 – 在给定测试条件下的误差分析 – 在给定误差要求下测试条件的确定
输出电流信号
输出电压信号
T -: 电子漂移到阳极的时间；T+: 正离子飘移到阴极的时间
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正比计数器
• 工作原理（对多丝正比室和漂移室等其 它气体探测器也适用）
– 气体放大，电子雪崩， 气体增益 – 正离子漂移，信号输出
• 工作气体（对气体探 测器的通用原则）
– 惰性气体为主 – 添加猝灭性气体
ds
电离能损dE/dx与入射粒子的电荷数平方成正比，与介质原子序数Z 成正比，与入射粒子速度直接相关，与入射粒子质量无直接关系。
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电离能损随粒子速度的变化
• dE/dx首先按速度平方反比下降, ~1/β2 • 在βγ=3-4附近，dE/dx达到最小 ，称之为最小电离，与之相应的 入射粒子称之为最小电离粒子 • 然后dE/dx大致随ln(βγ)2抬升， 称之为相对论上升，起因是入射 粒子电场随速度增加逐渐集中到 垂直平面，场强增加。 • 当βγ非常大的时候，dE/dx区域 饱和，与介质极化从而屏蔽入射 粒子电场有关，此效应与介质密 度相关，称之为密度效应。 最小电离
注：纵向动量转移积分为0，因此不需考虑。
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电离能量损失的估计（II）
入射粒子转移给单个电子的能量 即为
介质电子数密度 n=Z*NA*ρ/A，其中NA为阿伏加德罗常数，Z为 介质原子序数，A为原子量，ρ为介质密度 靠虑以入射粒子为轴，半径为b的圆柱，在db的微元内，总 电子数为 n*2∏bdbdx，则总转移能量为
– 位置测量的基本原理 – 基本结构和特点
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半导体探测器的主要参数
• 理解以下参数的基本意义
– – – – – – – 窗厚 灵敏区厚度 结电容 反向电流 能量分辨和线性 位置分辨 脉冲波形
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第六章：闪烁探测器
• 典型组成：闪烁体，光导，光电转换和倍增器件 • 基本原理：电离激发→闪烁发光→光传输→光电 转换和倍增→电信号 • 闪烁体
• 了解计数测量和能量测量中常用的探测器
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大型磁谱仪
• 动量测量、能量测量、粒子鉴别的基本原理
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谱仪组成
• 谱仪的典型组成 • 各个探测器的功能要求和选择
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气体多丝室
• 多丝正比室(MWPC)、漂移室(DC)和时间投影室(TPC)
– 特有的工作原理（位置测量原理） – 基本结构和特点，电场分布
• 探测性能（对所有探测器具有一般性）及比较
– 探测效率、能量分辨、时间分辨、空间分辨、分辨时间
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平行板电极型气体探测器
• 阻性板室（RPC）
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理解电离能损公式
dE/dx对1/β2的相关性
入射粒子速度慢→与介质相互作用的时间长→电离激发的机会多→能量损失大
dE/dx的相对论上升（βγ>4）
高速粒子由于洛仑兹变换横 向电场增强，因而与介质相 互作用范围增大，与电子相 互作用增强，导致更大的能 量损失。
密度效应（极大的βγ区域）
– 分类：无机，有机，气体 – 性能：发光效率（光产额），发射光谱，发光衰减时 间…
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光电转换和倍增器件
• 光电倍增管
– 基本原理和构造：光阴极，打拿极，阳极 – 性能：量子效率，倍增系数，能量分辨，时间特性 – 主要类型：聚焦、非聚焦、栅网
• 其它光电转换和倍增器件（基本原理和特点）
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能量测量半导体探测器
• PN结型：金硅面垒探测器…，主要用于探测重带 电粒子，如α。 • 大体积型：锂漂移、高纯锗，耗尽层厚，可以探 测、X和射线，并对它们进行能谱测量。
– 获得大灵敏体积的基本原理，电场分布
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位置测量半导体探测器
• 硅微条探测器、硅像素探测器、硅漂移室
– 光子与物质的相互作用
• 光电效应（核外电子） • 康普顿散射（核外电子） • 电子对产生（原子核）
– 中子与物质的相互作用（原子核）
• 散射和吸收：弹性散射、带电粒子发射… • 探测方法：核反冲法、核反应法
– 高能簇射
• 电磁簇射 • 强子簇射
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带电粒子的两种能量损失
• 电离和激发 → 电离能量损失 • 轫致辐射 → 辐射能量损失