原子核物理實驗方法

1、原子核物理實驗方法 原子核物理實驗方法 2010.10.27 原子核物理實驗方法 第六章 其他探測器 徑跡探測器 切倫科夫探測器 多絲正比室 熱釋光探測器 原子核物理實驗方法 徑跡探測器 核乳膠 固體徑跡室 氣泡室 脈沖徑跡室 原子核物理實驗方法 電子學計數器 通過記錄粒子產生的電信號，如計數、幅度、時 間、空間位置、脈沖形狀等。必須與電子學線路 和儀器配套使用的探測器。 氣體探測器：電離室、正比計數器、G-M計數器 半導體探測器：金硅面壘、Si(Li)、Ge(Li)、高純鍺等 閃爍探測器：NaI(Tl)、CsI(Tl)、ZnS(Ag)、BGO、PWO、塑料閃爍 體、液體閃爍體 切倫科夫探測器

2、：閾式C計數器、微分式C計數器、RICH等 氣體絲室： 多絲正比室、漂移室等 原子核物理實驗方法 徑跡探測器 直接記錄粒子走過的徑跡來探測粒子或對徑跡拍 照，再對照片進行分析處理的探測器。 核乳膠、固體徑跡室、云室、氣泡室、火花室、 流光室等。 、 0、 、K0、反P、 0、 、 0、 、反0 、反等粒子的發(fā)現，有11 次是利用核乳膠，8次利用了云室，5次利用了氣 泡室，而只有2次是利用電子學計數器。 原子核物理實驗方法 核乳膠 工作原理和構造 核乳膠的特性 核乳膠的處理 核乳膠中徑跡的測量 原子核物理實驗方法 核乳膠的構造 核乳膠類似于普通的照相底片乳膠。 核乳膠由銀鹽顆粒和膠質組成。 常用

3、銀鹽：溴化銀AgBr（大部分）和碘化銀AgI（少量） 膠質：骨膠和明膠 原子核物理實驗方法 核乳膠的工作原理 （1）核乳膠記錄帶電粒子的首要條件：形成“潛 影”。 原子核物理實驗方法 核乳膠的工作原理 （2）電離測量的依據 形成潛影的幾率與入射粒子的電離本領有關，電離本領大， 形成潛影多，銀顆粒密度大。在電荷一定時，顆粒密度與 粒子速度有關。測量徑跡的顆粒密度可知粒子速度。 （3）測量徑跡的射程和多次散射 射程： 多次散射角： )( 4 2 2 42 vfzNZB vm ez dx dE e 00 0 00/ )( EE dxdE dE dxER )()( 0 222 x t pv Es z

4、原子核物理實驗方法 核乳膠的特性 乳膠中的AgBr濃度C：3.0-3.2克/立方厘米 AgBr晶粒平均直徑d：0.1-0.4微米 AgBr晶粒對帶電粒子的靈敏度P： 定義為帶電粒子通過一個晶粒時，在該晶粒中產生潛影的 幾率。 一根粒子徑跡上平均晶粒密度： 記錄電離本領小的粒子選用晶粒較大的乳膠 記錄電離本領大的粒子選用晶粒較小的乳膠 d CP dX dN 2 3 原子核物理實驗方法 核乳膠的特性 原子核物理實驗方法 核乳膠的優(yōu)點 （1）為固體介質，阻止本領大，可以用來有效地記錄高能 粒子。 （2）連續(xù)靈敏，適宜于宇宙線的研究，并可以較長時間連 續(xù)照射而不會改變其靈敏度。照射時間的長短，取決于潛

5、影 衰退的快慢。 （3）組成徑跡的銀顆粒極為微小，故空間分辨本領非常高。 （4）設備簡單，價格便宜，重量輕，尺寸小，對高空宇宙 線的研究特別有價值。 原子核物理實驗方法 核乳膠的缺點 （1）在顯影、定影及干燥過程中，乳膠有脹縮現象，造成 徑跡畸變，使測量射程和多次散射的精度受到一定影響。 （2）乳膠成分復雜，分析高能核作用比較困難。 （3）在強磁感應強度下（2T），徑跡不能彎曲到可以測量 的程度，因此，不能從曲率來求得動量和粒子所帶電荷的 正負。 （4）潛影形成后有衰退現象，因此，照射后不能擱置很久， 需要很快顯影。 原子核物理實驗方法 核乳膠的處理 與普通乳膠相似，需要經過顯影、制止、定影、

6、 水洗、浸泡甘油、涼干、清潔等過程，只是顯影 液、定影液的化學配方及所用時間長短有所不同。 原子核物理實驗方法 核乳膠中徑跡的測量 工具：雙目顯微鏡，M=100-2000倍。 1.由射程確定粒子能量 2.對其他粒子 剩余射程：從徑跡某一點開始測量到它停下來的距離。 原子核物理實驗方法 徑跡長度測量方法 在顯微鏡下，只能測量徑跡在物鏡主焦面上的投影l(fā)和垂 直分量h。h為什么會變短呢？因為核乳膠中AgBr含量很大， 顯影定影處理時，大量被溶解掉了。 測量處理前后的乳膠厚度，就可得到收縮因子： 原子核物理實驗方法 從電離鑒別粒子 電離損耗決定于粒子的速度、質量和電荷，所以 通過測量徑跡上的電離就可以

7、鑒別粒子。 實驗上最常用的方法：測銀顆粒密度，即單位長度徑 跡上銀顆粒數目。 粒子速度快，電離小，顆粒密度稀； 粒子速度慢，電離大，顆粒三三兩兩擠成小團，形成 “塊”； 粒子速度更低，低能多電荷粒子，徑跡基本上是一條黑粗 線，無法測量。 原子核物理實驗方法 從電離鑒別粒子 用待測粒子X的徑跡與已知粒子A的徑跡相比較，尋找在同 一乳膠片中徑跡顆粒密度相同的地方： 如果兩種粒子的電荷相同，則有： 在顆粒密度相同的地方，即速度相同處，測量剩余射程， 得到射程比，再得到質量比，繼而得到未知粒子質量Mx。 原子核物理實驗方法 從多次散射鑒別粒子 帶電粒子通過核乳膠時，由于原子核的庫侖作用 會發(fā)生多次散射

8、，造成粒子運動方向顯著的改變。 多次散射角的水平投影的絕對值平均為： 如果已知入射粒子種類，即已知電荷數z，已知核乳膠厚 度t，就可以確定入射粒子能量。 如果已知入射粒子能量和乳膠厚度，就可以確定帶電粒子 的電荷數。 原子核物理實驗方法 從電子密度確定入射粒子電荷 在核乳膠的主徑跡上的許多小分岔，這就是電子 的徑跡。 電子密度是在單位長度的主徑跡上產生的電子 數。根據理論計算有，能量在E1和 E2之間的電子 密度為： z1.5m。 原子核物理實驗方法 從電子密度確定入射粒子電荷 當z一定時，電子密度是的函數，而剩余射程R也是 的函數，所以電子密度也是R的函數。 如果要測某一入射粒子的電荷，只要

9、測出它的徑跡某處的 電子密度以及R值，然后把這一對值畫在上圖上，則這點 所處曲線的電荷就是該粒子的電荷。 原子核物理實驗方法 固體徑跡室 發(fā)展歷史 使用材料 探測原理 化學蝕刻 徑跡特性和測量 應用 原子核物理實驗方法 發(fā)展歷史 五十年代末D.A.Young發(fā)現某些固體材料被輻射后經化學 蝕刻處理后可形成用光學顯微鏡觀測的徑跡。 E.C.H.Silk等用透射電子顯微鏡觀測到云母片中的核聚變 碎片的徑跡。 1962年P.B.Price等改進化學蝕刻方法獲得穩(wěn)定不變的徑 跡。 1963年R.L.Fleischer等提出玻璃和塑料等人工材料的蝕 刻方法，免除天然材料的本底影響。 1967年識別固體材

10、料中的核徑跡的技術日趨成熟。 1975年Fleischer等人對固體徑跡探測器作全面小結。 原子核物理實驗方法 使用材料 一片透明的固體即各種絕緣材料。 結晶固體：云母、石英、AgCl、LiF等 非結晶固體：各種玻璃 聚合物：硝酸纖維、醋酸纖維、聚酯、聚碳酸脂等 要求： 材料結構均勻，無缺陷，表面無損傷。 為了便于光學顯微鏡觀測，通常制成透明的薄片。 原子核物理實驗方法 常用固體徑跡室材料的性能 原子核物理實驗方法 探測原理 重帶電粒子穿過固體材料時，其電離作用很強，沿其穿過 路徑造成原子尺度上的輻射損傷，造成位錯原子和空穴， 或者使分子化學鍵被打斷，形成分子碎塊和自由基。經適 當處理（如化學

11、蝕刻），會形成可觀測的徑跡。 原子核物理實驗方法 化學蝕刻 用強酸（HF、H2SO4 、 H3PO4等）或強堿（NaOH、KOH等） 進行蝕刻，使輻射損傷區(qū)由幾十埃擴大幾千埃，形成蝕坑 或孔洞。 把許多固體徑跡探測器摞成一疊，沿粒子穿過的路徑有一 連串孔洞，即粒子徑跡。 用顯微鏡觀測孔洞的數目可確定粒子強度和通量。 測量孔洞的參數，可鑒別粒子。 徑跡孔洞的形狀： 在云母中：菱形和圓柱形 在玻璃中：圓形 在聚碳酸脂中：長形 原子核物理實驗方法 云母中的孔洞形狀 原子核物理實驗方法 徑跡特性 閾特性 最大可蝕刻長度Lmax 臨界角c 蝕刻率和剩余射程 探測效率 原子核物理實驗方法 閾特性 實驗發(fā)現

12、輻射損傷密度J大于某一數值J0時，粒子徑跡才 能被蝕刻可見。閾值J0只與材料的性質有關，而與入射粒 子的種類無關。 利用閾特性可選擇粒子，可確定粒子電荷數的下限Z0。 原子核物理實驗方法 最大可蝕刻長度Lmax 定義為在粒子通過的路徑中，輻射損傷密度大于閾值那一 段路徑長度。 不同粒子在同一種材料中，由于可蝕刻出徑跡的速度范圍 不同，電離損失不同， Lmax也不同。 Lmax與粒子電荷一一對應，測量Lmax，可確定粒子的Z0 原子核物理實驗方法 臨界角c 為了獲得可蝕刻徑跡，必須使粒子入射方向與探測器表面 夾角大于臨界角。 1 sin sin sinsin/ ts ts tcsst VV VV

13、 VVVV c 只有，才能蝕刻出孔洞。 反之，則不能蝕刻出徑跡來。 ， 原子核物理實驗方法 蝕刻率 蝕刻率：它依賴于材料和蝕刻劑，與輻射損傷密度J有關。 只測徑跡上一點的蝕刻率，定不出粒子的電荷，因為輻射 損傷密度等于某一值有很多曲線，該徑跡屬于哪一條曲線 不能確定。至少測量兩個點，求出兩點的輻射損傷密度和 兩點之間距離，通過射程和能量的關系可以確定該徑跡屬 于哪條曲線，從而確定粒子電荷數Z，再從閾曲線求出粒子 速度和能量。 原子核物理實驗方法 剩余射程 在實驗里，如果粒子停在探測器中，測量徑跡上任何一點的Vt和相應 的剩余射程R，就可確定粒子的電荷和能量。 電荷數和速度相同質量不同的粒子，他

14、們的輻射損傷密度是相同的， 但剩余射程不同。質量越大的粒子的剩余射程越長。所以通過測量徑 跡的蝕刻率相同位置的剩余射程，可分辨具有相同電荷數但質量不同 的同位素。 原子核物理實驗方法 探測效率 包括固體探測器被輻照時對核徑跡的記錄效率和 化學蝕刻處理中顯示徑跡的效率蝕刻效率。 記錄效率： 蝕刻效率： 原子核物理實驗方法 固體徑跡室的應用 原子核物理實驗方法 小結 主要測量核裂片、重離子、宇宙線、粒子、中子等等，主 要用于裂變物理中，研究核反應和核裂變的截面、通量、 能譜、半衰期、角分布、新粒子新成分的尋找核測量等等。 原子核物理實驗方法 氣泡室 氣泡室的構造 氣泡室工作原理 氣泡室工作過程 氣

15、泡室的特性 氣泡室工作條件的選擇 氣泡室的種類 原子核物理實驗方法 氣泡室既是靶又是探測器，可拍攝極為清晰的粒子相互作 用頂點的立體照片，從而獲得大量有關基本粒子相互作用 的信息。 它具有作用頂點清晰，空間分辨本領高，可以選擇工作液 體等優(yōu)點，是高能加速器實驗常常使用的徑跡探測器之一。 在強相互作用方面，19581965期間，發(fā)現28種共振態(tài)， 其中大多數是用氣泡室發(fā)現的。 在弱相互作用方面主要研究奇異粒子的衰變性質。如超 子的衰變，中微子的研究等等。 電磁相互作用的研究。 原子核物理實驗方法 D. Glaser (1960 Nobel Prize)1968, Alvarez won Nobe

16、l for using H2 bubble chamber discover resonanses 原子核物理實驗方法 氣泡室工作原理 在容器內充以一定溫度和壓力的某種液體，使容器突然膨 脹，降低壓力，液體就處于過熱狀態(tài)。如這時有帶電粒子 穿過液體，在粒子經過的路徑上，就會引起液體電離。鄰 近的離子匯聚到一起形成離子集團，成為汽化中心。圍繞 這些汽化中心逐漸形成一串胚胎氣泡，在適當的過熱條件 下，胚胎氣泡增長到肉眼可見的大小，拍照記錄。粒子徑 跡是由一串氣泡組成，這就是氣泡室名稱的由來。 產生徑跡的條件：工作液體處于過熱狀態(tài) 關鍵過程： 液體電離形成胚胎氣泡 胚胎氣泡長大到肉眼可見 原子核物理

17、實驗方法 氣泡在液體中的平衡 原子核物理實驗方法 氣泡室的構造 室本體 照明照相系統(tǒng) 膨脹壓縮系統(tǒng) 熱調節(jié)系統(tǒng) 自動控制系統(tǒng) 磁場和安全設備 原子核物理實驗方法 氣泡室工作過程 使用絕熱膨脹法得到過熱液體； 將充了液體的氣泡室加熱或冷卻（H泡室）到工作溫度T0 , T0 Tb (液體沸點溫度）； 推動活塞或橡皮膜壓縮氣體，使室內氣相部分完全消失， 液體壓力為工作壓力P0 , P0 P(飽和蒸汽壓力）； 活塞突然膨脹，液體壓力由P0降到Pe(膨脹壓力）液體達到 過熱狀態(tài)。Pe P , P - Pe表示液體的過熱程度，稱為 過熱度； 帶電粒子入射，液體原子電離離子團汽化中心 胚胎氣泡氣泡長大長大到

18、可見大小閃光照 相； 卷過一張底片，活塞重新壓縮液體到初始狀態(tài)，準備下一 次循環(huán)。 原子核物理實驗方法 工作液體 無機液體：氫、氘、氖、氟利昂、氦和氙等。 有機液體：丙烷、異戊烷、正戊烷等。 混合液體 原子核物理實驗方法 氣泡室的特性 靈敏度 靈敏時間t 氣泡成長時間 工作循環(huán)時間T 原子核物理實驗方法 靈敏度 當液體處于過熱狀態(tài)，帶電粒子穿過并能形成徑 跡，則稱該氣泡室對該粒子是靈敏的。用單位長 度上氣泡的數目，即粒子徑跡的電離密度來表示 氣泡室的靈敏度。 靈敏度要求選取合適。太靈敏了，粒子沒有通過 就出現霧狀本底，即寄生氣泡；太不靈敏，粒子 通過也形成不了徑跡。取決于液體的過熱度。 原子核

19、物理實驗方法 靈敏時間t 定義為能使帶電粒子形成徑跡的時間。 它除了與室的清潔度、光潔度和液體的純度有關 以外，還與工作溫度和膨脹壓力有關。適當選擇 T0和Pe，可以大大提高室的靈敏時間。 一般來說，金屬室為ms量級，玻璃室為1分鐘。 原子核物理實驗方法 氣泡成長時間 定義為帶電粒子進入氣泡室形成可見徑跡到閃光 拍照所需要的時間，即閃光延遲時間。 一般在0.5-4ms之間，取決于氣泡成長速度，即取 決于液體過熱度。 可以由熱傳導理論求得： 式中是與過熱度、熱傳導率、汽化熱等有關的系數 原子核物理實驗方法 工作循環(huán)時間T 定義為氣泡室從膨脹開始到恢復至膨脹前狀態(tài)所 需要的時間。 它與膨脹速度、充

20、氣速度、室的結構大小等因素 有關。 一般為幾百ms-幾秒，快循環(huán)室可達幾十ms。 原子核物理實驗方法 氣泡室工作條件的選擇 工作溫度T0 工作壓力P0 膨脹壓力Pe 膨脹時間te 膨脹比 原子核物理實驗方法 工作溫度T0 Tb T0 Tc Tb沸點溫度， Tc：臨界溫度 實驗表明溫度接近Tb時很難實現過熱狀 態(tài)；而接近Tc時過熱狀態(tài)不穩(wěn)定，很容 易汽化，膨脹后產生大量霧狀氣泡。實 際工作溫度只能選擇在靈敏區(qū)的平均部 位。 活塞膨脹P0Pe，液體過熱；過熱壓力 Ps=P-Pe；過熱溫度Ts=T0Te，表示液 體的過熱度。 過熱度越大，徑跡氣泡密度越大，實際 上壓力必須降到低于曲線B，才能使粒 子

21、穿過液體產生氣泡。B為臨界過熱曲 線，在一定T0下只有P - Pe 落在靈敏區(qū) 內才能形成徑跡。 原子核物理實驗方法 工作壓力P0 由工作循環(huán)時間T要求決定。 P0大，T小。因為P0大會加快壓縮過程，使徑跡氣 泡、寄生氣泡很快被消滅。 C3H8氣泡室：P0比P大515個大氣壓 H2氣泡室：P0比P大1.52個大氣壓 原子核物理實驗方法 膨脹壓力Pe 由靈敏度要求而定。 它不宜選擇過大，否則對快速的相對論粒子就不 太靈敏。 C3H8氣泡室：Pe比P小515個大氣壓 H2氣泡室：Pe比P小1.52個大氣壓 原子核物理實驗方法 膨脹時間te 定義為壓力從P0降到Pe所需的時間。 由靈敏時間和壓力傳遞

22、時間決定。 考慮減小寄生沸騰，te應越小越好，靈敏時間決定了te的 上限。 考慮壓力傳遞需要一定的時間，它決定了te的下限。一般 取te比壓力傳遞時間大若干倍，以保證整個室的液體具有 均勻的過熱度和避免由于膨脹過快造成液體湍動。 例：H2泡室te0.9%，寄生氣泡會急劇增加 C3H8氣泡室：約為2 - 3% H2氣泡室：約為0.5 - 0.9% 原子核物理實驗方法 氣泡室的種類 1.快循環(huán)氣泡室 膨脹頻率大于10次/秒的氫氣泡室，提高探測效率。 2.氣泡室混合譜儀 氣泡室各種電子學探測器 氣泡室給出清晰的作用頂點 電子學探測器：閃爍計數器，C計數器，MWPC、DC等，確 定入射氣泡室和出射氣泡

23、室的粒子的空間位置、角度、動 量、速度等等。 原子核物理實驗方法 氣泡室的種類 3.徑跡靈敏靶室 徑跡靈敏靶是一個內部充以氫或氘的用透明材料做成的容 器，將它放在氫-氖混合的氣泡室內，通過膨脹使液氫 （或氘）與氫-氖混合物同時達到靈敏。 入射粒子與質子靶或中子靶作用，形成清晰的作用頂點， 次級粒子0、0等中性粒子穿過容器壁衰變?yōu)楣庾?，在?氖混合液體中轉換為正負電子對，給出其徑跡。 原子核物理實驗方法 小結 氣泡室既是靶又是探測器，具有作用頂點清晰、空間分辨 高、可以選擇工作液體等一系列的優(yōu)點，可以研究強相互 作用、弱相互作用和電磁相互作用，因而在高能物理實驗 研究中占有重要的地位。 世界上許

24、多著名的大氣泡室在探索微觀物質結構的征途上 各顯神通，新出現的變化萬千的混合泡室也初露頭角?；?合譜儀的氣泡室尺寸可以較小，但與電子學探測器混合使 用卻能起大型氣泡室的作用，兼有徑跡探測器和電子學探 測器的優(yōu)點。 原子核物理實驗方法 脈沖徑跡室 氣體火花放電機制 雪崩流光火花形成過程 脈沖徑跡室的結構 脈沖徑跡室的主要性能 原子核物理實驗方法 氣體火花放電機制 火花室、流光室和閃光管工作在放電區(qū)，放電區(qū) 細分為誘導放電區(qū)和自激放電區(qū)。 誘導放電區(qū)：帶電粒子入射后使氣體電離雪崩放電。 自激放電區(qū)：因電壓更高，氣體被擊穿，產生打火放電。 三種探測器的氣體放電機制相同，區(qū)別在于火花 室把放電過程限制

25、在火花形成階段，流光室把放 電過程限制在雪崩或流光形成階段，這種差別通 過電極間外加不同高壓來控制。 脈沖徑跡室的電場強度E約為10-20KV/cm，電子漂 移很小距離就發(fā)生電子雪崩，形成雪崩錐。 原子核物理實驗方法 原子核物理實驗方法 雪崩流光火花形成過程 一個電子沿雪崩方向移動x距離后產生雪崩電子數： 雪崩錐內部空間電荷形成的電場與外電場方向相反，總電 場強度降低；雪崩錐兩端空間電荷電場與外電場方向一致， 總電場強度增高。 原子核物理實驗方法 n 106空間電荷的影響使雪崩速度減慢； 當n 108 時，EEr，E2=0，雪崩中心部位出現零電場，雪崩停止，電 子和正離子復合，各向同性地放出光子。 光子在雪崩錐周圍的氣體中打出許多光電子，在電場作用下再次引起 雪崩。 由于空間電荷效應雪崩錐頭尾電場較高，新的雪崩在頭尾迅速發(fā)展， 與原雪崩錐首尾相連形成雪崩串。 雪崩串發(fā)出大量的光子形成流光，雪崩串不斷向兩個電極發(fā)展。 最后在兩個電極之間形成高度電離的等離子體導電通路，電極通過通 路產生火花放電。 若在雪崩串使電極溝通之前就使雪崩串的發(fā)展中止，在初始電子附近 形成具有一定長度的流光帶。 雪崩流光火花形成過程 原子核物理實驗方法 雪崩流光火花形成過程 原子核物理實驗方法 脈沖徑跡室的結構 1.1.火花室火花室 分為平行板型和圓筒型，常用的是多板火花室。 由若干平行金屬板（Fe或