《粒子物理和核物理实验方法》核与粒子物理实验方法

粒子物理和核物理实验方法试题2009
1、 实验室常用的三种放射源有哪些，每种列举其一？宇宙射线测大面积闪烁体使用的源是？
实验室常用的有三种放射源是α源（241Am 、226Ra ）、β源（90Sr 、14C ）、γ源（60Co 、137Cs 、22Na ）。

宇宙射线测量大面积闪烁体使用的源是宇宙射线中的μ子。

2、 带电粒子与γ与物质相互作用的反应类型以及其发生条件（作业原题）；
1. 带电粒子与介质的相互作用主要是电磁相互作用。

● 电离：当入射带电粒子与介质原子较远时，使介质的原子产生电离或激发。

● 击出: 当入射带电粒子与介质原子距离 ≈ 原子大小（10-8cm ）时，粒子与原子的电子相互碰撞，使电子从原子中发射出来。

● 库仑散射：当入射带电粒子与介质原子距离 < 原子半径，粒子在核的库仑场中受到核的库仑散射，并伴随弱的电磁辐射。

● 韧致辐射：当入射粒子为电子时，将受核的阻尼而发射出光子。

● 契仑柯夫辐射：当入射带电粒子速度超过光在介质中的相速度时，粒子会辐射出可见光。

● 穿越辐射：当高速带电粒子穿过两种折射系数不同的界面时，辐射出X 光。

● 同步辐射：当电子在磁场中偏转时，相当于受到加速而产生辐射。

2. γ射线与物质的相互作用主要有三个过程：光电效应、Compton 效应和电子对产生。

● 光电效应：低能γ光子被介质原子吸收而放出电子的效应。

● 康普顿－吴有训效应（散射）：当光子能量上升到原子最高能级以上时，成为主要过程是γ光子与原子外层电子作用,可看作在自由电子上的散射。

● 电子对效应：γ光子从原子核旁经过，当γ光子能量超过2个电子静止质量之和即1.02MeV 时， 在原子核库仑场作用下，γ光子转化为正负电子对，正负电子能量之和等于入射γ光子能量。

入射γ光子能量越大，正负电子的发射方向越前倾。

3、 探测中微子的方法，举两个；
一、 带电流质子反应：l p l n ν+→+，我们通过测量轻子的动量、能量来探测。

● 低能e ν ~e p e n ν+
+→+
液体闪烁体中含有大量的质子，闪烁体既是靶子又是探测器，测量 e 、n 。

● 高能v μ ~p n μνμ++→+
高动量μ可以从靶中飞出，所以可将靶与探测器分开安排
二、 e v ，e 散射 e e v e v e --+→+
● 弹性散射
● 通过测量e 的出射方向和动量大小来得到e v 的能量与入射方向。

● 在反应堆中微子，太阳中微子或大气中微子实验常用的反应。

三、 e v 与核子的非弹性散射 *()(,)()(,1)e e v v A Z e e A Z ++→+±
*()(,)(,)'(')e e e e v v A Z A Z v v +→+
● 通过测量这些受激核 (A, Z ±1)*或(A, Z )*的特征X 射线来得到νe 的强度。

常用的
核有11B,12C,37Cl…等
4、正比室与G-M 管的工作原理，优缺点；
（ps 计数和计数率、时间、能量、动量、位置、粒子的分辨）
⏹ 正比室：
工作原理：
● 工作于正比区，发生气体放大现象，即被加速的原初电离电子在电离碰撞中逐
次倍增而形成电子雪崩。

● 收集极上的感应的脉冲信号幅度V 是原初电离感生应脉冲幅度的M 倍。

● 电子向阳极漂移；电场在距阳极丝几十μm 处很大(>10kV/cm)；电子发生雪崩 ● 气体雪崩放大，当电场增高（提高极间电压或者减小阳极的半径）电子在与气
体原子的一个平均碰撞自由程内从电场获得足够能量，导致增殖电离，一个变
成两个，两个变4个…
● 在离阳极中心r 的小元dr 内，增殖的量；α=1/λ 称为第一汤逊系数；λ为平均
电离自由程
优点：
1）脉冲幅度较大，比电离室大 ~ 104倍；
2）灵敏度高，适合于探测低能电子和X 射线；
3）脉冲幅度几乎与原初电离位置无关。

所以，既能用于粒子计数器又能做能谱测量。

缺点：
1）能量分辨率不高，通常为20%，主要受空间电荷效应限制
2）不能用来位置分辨
3）时间响应慢，信号产生时间较长，前沿由电子的收集决定（10~100ns ），后沿由离子的收集决定（~几百μs ）
⏹ G-M 管
工作原理：
● 电子倍增和气体放大
● 光子－光电子倍增
入射粒子除了产生电离效应以外，还会使原子激发，原子退激发过程中产生的
光子，可能在阴极或气体内打出光电子，这些光电子在向阳极漂移过程中经电
场加速又引起新的增殖。

又会引起雪崩电离。

● 在G －M 计数器中， M 0已经很大，所以γM 0→1，即一次光子－光电子增殖
过程后产生的光子数比倍增前的光子数多，或者说一个电子倍增后产生的光电
子数大于1，故新的增殖过程将继续，在气体放大中起主要作用。

● 由于光子各向同性发射，气体放大不再只局限在初始电离所限定的小范围内，
而是在气体内或阴极上到处产生光电子，使离子增殖沿阳极丝方向扩展，以至
整个阳极丝附近都会产生正负离子对。

这种现象称作雪崩再生。

优点：
1）灵敏度高；2）脉冲幅度大；3）稳定性高
4）计数器大小和几何形状可以按要求有较大变化；
5）使用方便，成本低，制作工艺和仪器电路均较简单。

缺点：
1）不能鉴别粒子的类型和能量；
2）分辨时间长，不能用于高计数率场合；
3）正常工作的温度范围小；
4）有假计数。

5、绘出dE/dx并解释最小电离，说明测dE/dx怎样鉴别粒子；
●最小电离：
电离损失与粒子速度有关，在非相对论性速度时，与v2成反比。

随着入射粒子能量的增加，电离损失很快减小，当β→1，电离损失达到一个很宽范围的极小值区域。

这个极小值区域最低点在βγ~3－4附近，且与介质无关。

大多数相对论性粒子的能量损失与这个最低点的值很接近。

称最小值处的能量损失为最小电离，把能量损失为最小值的粒子称为最小电离粒子(Minimum Ionizing Particles或MIP)。

●怎样鉴别粒子：
dE/dx→β结合动量测量得到粒子质量
6、137Cs能谱分析，能量分辨率的两种表示及其关系；
能谱分析：
1.全能峰
●γ射线能量较小时，主要是光电效应贡献；随着γ射线能量增大，电子对效应贡献逐步增
大。

●光电效应：外层电子跃迁到K层，多余的结合能以X射线或俄歇电子形式辐射。

因X
射线能量很低，光电吸收截面很大，几乎被探测器完全吸收，能量迭加到E e上，构成全能峰
●电子对效应：正电子在探测器内损失能量湮灭生成2个能量为m e c2的γ射线，它们可能
1个或2个被探测器光电吸收，也可能发生康普顿效应。

若2个γ射线都被吸收，其能量迭加到E pair上构成全能峰
●康普顿效应：一次或多次散射的γ射线被探测器光电吸收，由于各次作用时间间隔比闪
烁光的产生和衰减时间小很多它们所产生的闪烁光迭加贡献在全能峰。

全能峰对应的能量精确等于γ射线能量，所以用全能峰测量γ射线能量。

选用大尺寸高Z探测器将显著增大全能峰减小康普顿连续谱。

pton连续谱
●由康普顿效应形成，此时被散射的γ射线跑出探测器反冲电子被记录。

●康普顿谱是连续谱，能量从0－E e(最大)。

谱分布较平缓，仅在E e(最大)处有个不明显
的峰，称作康普顿峰或康普顿边限。

3.反散射峰Backscattering Peak
●当γ射线打到放射源衬托物或探测器周围的物质上，由于康普顿效应，θ=90o-180o时，
散射光子可能进入探测器被吸收，形成不大的反散射峰，迭加在康普顿连续谱上。

为了减少反散射峰，必须减少源与探测器周围的物质，并尽可能使用轻元素材料，将谱仪远离墙壁和地板。

●利用全能峰与反散射峰峰位之比，可以方便地粗略估计谱仪的线性。

7、测小闪烁体的时间相应框图及工作原理；
对于小的闪烁体，时间测量过程可以分解为：一个带电粒子南路闪烁体，产生光脉冲传输到光电倍增管，经光电转换并放大变为一个电压脉冲信号，电压脉冲的前沿达到某一阈值 时触发甄别器，给出一个方波信号，以方波信号的前沿代表粒子击中的时刻，这个时刻与带
电粒子发生作用时刻有一个相对的延迟时间。

时间测量的精度除物理学上的影响因素外，还受到电子学的影响。

当带电粒子击中闪烁体某一固定位置，假设光电倍增管输出脉冲的起始点对每次击中都是相同的，其脉冲前沿过甄别阈的时间受到电子学的两个因素的影响：一是脉冲幅度大小对过阈时间的影响；另一具是叠加在脉冲前沿上的小扰动（jitter ）对过阈时间的影响。

8、契伦科夫辐射，n=1.02，计算最小辐射角、π/k 分辨动能范围； (
)max 0022001
11.02
1111.02
:139.58;:134.97:493.71;:497.71,139.58 3.525T n n MeV MeV
MeV MeV
E m c c E GeV πθβλθβθθππκκγ±±±=→===
=
=-1-1当最小辐射角=0时，==0.98，为产生切伦科夫辐射的最小速度，称作切伦科夫辐射的阈速度。

当=cos =cos =11.365时，，
最大辐射角。

493.7112.467E GeV κ±== 9、量能器按结构分为哪两种，各自优缺点及应用；
● 全吸收型（全灵敏型）：由一块均匀介质组成，它既是簇射介质，又是对簇射次级粒子
灵敏的探测器介质。

如NaI(Tl),CsI(Tl)晶体；介质分为闪烁体和切伦科夫辐射体两大类；用光敏器件（PMT ，PD 、APD ）读出。

优点：若量能器有无限大的体积，则能量分辨率仅由簇射次级粒子的统计涨落决定。

能量分辨率好。

缺点：高能时造价昂贵且体积庞大，位置分辨较差
● 取样型：由簇射介质和探测器灵敏层相间堆砌而成。

介质通常是铁(强子的量能器)，铅(电磁量能器)，灵敏层通常有塑料闪烁体,气体探测器,液体电离室等
优点：造价低廉，位置分辨好。

缺点：本征能量分辨率取决于簇射在探测器灵敏层中沉积能量的涨落，它与取样结构和灵敏层介质特性有关。

能量分辨相对较差。

10、谱仪结构及其怎样实现粒子鉴别；
1. 电子和强子的鉴别
• 利用电磁簇射和强子簇射的纵向发展和横向发展的区别
• 最好在高Z 介质中， λI ~ A 1/3 ， X 0 ~ A/Z 2
• 通常用纵向发展的区别：分为电磁和强子量能器两部分
• 也可仅利用横向发展的差异来辨认电子。

如 横向粒度精细的SPACAL ，电子效率95%@40-150GeV
• 利用薄的前置簇射计数器（1-2X 0的高Z 介质）改善对电子的鉴别。

• 受电荷交换反应 π-p → π0n （或 π+n → π0p ）限制。

由于π0簇射的起点取决于λI ，可用薄的前置簇射计数器减少这种限制。

•利用电子和强子信号的时间特性的差异
2. μ子和强子的鉴别
•利用能量的横向沉积图像来鉴别。

鉴别质量由探测器的横向粒度决定。

•量能器可以吸收强子，故可用μ计数器鉴别μ子。

但
⏹π的punch through（穿透）
⏹π→μνμ
3. 中微子的鉴别
对撞机实验中，探测器大小有限不足以阻止中微子，一般用间接的方法
•丢失能量
用4π覆盖的量能器测量所有粒子的能量
•横向丢失能量
E miss=∑(E sinθ)
谱仪结构：
子探测器测量参数功能
粒子物理和核物理实验方法试题2011
1与09年相同
2与09年相同
3核反应法探测慢中子通量，常用的核反应有哪些？如何用它来探测快中子通量？
● 目前应用最多的三种核反应：
3300.764532710n He p T MeV σ+→++±，＝靶
6304.7809414n Li T MeV ασ+→++=±，靶
10702.79238379n B Li MeV ασ+→++±，＝靶，用得最多。

● 快中子一般用石蜡、水等慢化，然后采用核反应法探测慢中子通量的方法测量。

4工作在三个区域的气体探测器的优缺点，他们的主要区别？
⏹ 电离室：
优点：
1）结构比较简单
2）工作在饱和区，既不存在正负离子复合，也没有气体放大。

3）入射粒子电离所产生的全部电子和正离子都被电极收集，输出信号与入射粒子的种类和能量有关。

4）工作稳定可靠。

缺点：
1）输出信号较微弱，对读出电子学有较高要求，对工作电压电源的稳定性要求也较高。

⏹ 正比计数器：
优点：
1）脉冲幅度较大，比电离室大 ~ 104倍；
2）灵敏度高，适合于探测低能电子和X 射线；
3）脉冲幅度几乎与原初电离位置无关。

所以，既能用于粒子计数器又能做能谱测量。

缺点：
1）能量分辨率不高，通常为20%，主要受空间电荷效应限制
2）位置分辨不高
3）信号产生时间较长，前沿由电子的收集决定（10~100ns ），后沿由离子的收集决定（~几百μs ）
⏹ G-M 计数器
优点：
1）灵敏度高；2）脉冲幅度大；3）稳定性高
4）计数器大小和几何形状可以按要求有较大变化；
5）使用方便，成本低，制作工艺和仪器电路均较简单。

缺点：
1）不能鉴别粒子的类型和能量；
2）分辨时间长，不能用于高计数率场合；
3）正常工作的温度范围小；
4）有假计数。

5漂移室测量位置的原理，只用漂移室（加磁场的情况下）是如何分辨有限动量的某些带电粒子的？
1、 位置测量：
⏹ 通过漂移时间的测量，可以确定入射粒子位置。

⏹ 一个漂移单元由阳极、场电极和许多场丝组成。

场电极和场丝加上适当的电位，以
造成很大范围的均匀电场。

⏹ 设入射粒子到时的时刻t0由闪烁计数器给出，丝室产生脉冲的时间为t ，阳极丝座
标为x 0，则粒子的位置00t
t x x Wdt =+⎰，其中，W 是电子漂移速度，一般是气体和电场的函数，当速度不变时，00()x x t t W =+-
2、 分辨有限动量粒子：
动量的测量
● 测量带电粒子在磁场中的径迹，由径迹得到在磁场中的偏转曲率半径，从而推算出动量
0.3t P B
ρ= 动量分辨率
● 由位置分辨和带电粒子在漂移室中的多次库仑散射决定。

● 随动量的增加而变差，随磁场强度和径迹长度的增大（BL 2）和测量次数的增加而得到
改善。

● 对于低动量(<0.5GeV)，多次库仑散射起主要作用。

应采用低Z 物质（如He 气+镀金铝
丝）
6、7、8、9、10与09年相同。