核與粒子物理實(shí)驗(yàn)方法4-1氣體探測器課件

1、第四章 核與粒子探測器4.2 氣體探測器4.2.1 氣體電離室4.2.2 正比計(jì)數(shù)器4.2.3 漂移室4.2.4 麥管(straw-tube)探測器4.2.5 平行板雪崩計(jì)數(shù)器(PPAC)4.2.6 電阻板計(jì)數(shù)器(RPC)4.2.7 Pestov detector以氣體為探測介質(zhì)的粒子探測器，其機(jī)理為：4.2 氣體探測器接地信號引出RVC0入射粒子充有工作氣體 復(fù)合區(qū)：電子離子對產(chǎn)生后，由于電極上所加電壓不高，離子在氣體中的運(yùn)動速度慢，容易再俘獲電子形成中性原子。隨電壓的升高，離子運(yùn)動速度加快，被收集的電荷量將逐漸增加。 電離區(qū)：收集所有初始電離電荷，復(fù)合損失可以忽略不計(jì)，且無電荷放大效應(yīng)。

2、正比區(qū)：隨電壓的升高，達(dá)某一閾值后，次級電子在外加電場中獲得的能量高到可使氣體分子電離，電荷放大效應(yīng)開始(即雪崩開始) ，但總電荷數(shù)依然近似正比于初電離數(shù)。在此區(qū)間氣體放大倍數(shù)約104105。 有限正比區(qū)：進(jìn)一步升高電壓，增益繼續(xù)升高(108)，但空間電荷造成的電場畸變也越來越嚴(yán)重，收集的電荷量與原初電離關(guān)系變?nèi)跄酥潦ァ?蓋革區(qū)：增益達(dá)到T+V(t) 由于電子的收集時(shí)間在s量級，而正離子的收集時(shí)間在ms量級，因此，在電子收集的時(shí)間內(nèi)，可認(rèn)為正離子基本是不動的。為提高計(jì)數(shù)率，可通過設(shè)置電荷收集的時(shí)間常數(shù)，消除正離子產(chǎn)生的慢上升時(shí)間成分。 在這種構(gòu)型下，V(t)在與N0相關(guān)的同時(shí)，與初始電離產(chǎn)生

3、的位置x0也相關(guān)。要實(shí)現(xiàn)能量測量，必須克服這一困難。接地信號引出RVC0入射粒子 0 x0陰極陽極d電離區(qū)參見三校合編原子核物理實(shí)驗(yàn)方法p75-76屏柵電離室 為了解決，V(t) 與初始電離產(chǎn)生的位置x0相關(guān)的問題，人們在電離室的陰陽極之間接近陽極的位置加入一層由金屬絲組成的平面（稱作Frisch柵），以屏蔽在電荷漂移過程中在陽極上感應(yīng)出信號。只有當(dāng)電子穿過Frisch柵后，才在陽極上給出信號，這樣V(t)公式中的d對所有入射粒子均是相等的，從而避免了信號與入射粒子位置相關(guān)的問題。接地信號引出RVC0入射粒子 0 x0Frisch柵CathodeAnodeFrisch gridE1E2ER 另

4、外，設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的電離室陽極還可以得到其他一些附加信息。如：將電離室的陽極分成沿入射粒子方向進(jìn)行分段，可以在獲得總能量的同時(shí)，得到能量損失信息從而可以用E-E方法進(jìn)行粒子鑒別；將陽極分成沿入射粒子方向的放射狀的條，可同時(shí)獲得入射粒子角度的信息；等等。舉例1一個(gè)雙陽極(共陰極)橫向電離室，距反應(yīng)靶1 m處放置時(shí)張角為22，張角為7，深度為800 mm。工作氣體為P10 (10%CH4+90%Ar)。相對能量分辨1%， 角分辨為0.1 ， 角分辨為0.02 。縱向電場電離室粒子入射的方向與電場的方向相同，且工作在電離區(qū)的電離室稱為縱向電場電離室。0V 100V 350V 100V 0V 100V

5、350V 100V 0V+Vexaa舉例2有效面積100 mm100 mm。在100 mb的P10工作氣體下，坪區(qū)長度為700 V。對244Cm 粒子，在第4片陽極對應(yīng)的靈敏區(qū)域，能量損失為1.30 MeV，能量分辨41.1 keV (fwhm)，相對能量分辨3.16。討論1在氣體探測的使用和討論中，常用約化場強(qiáng)的概念，即靈敏區(qū)中電場強(qiáng)度E與工作氣壓P之比E/P。常用單位為V/(cmtorr)，國際單位為V/(cmPa)。1 torr = 133.322 Pa 1 mbar = 100 Pa1 torr = 1 mmHg 1 mbar = 0.75 mmHg1 torr = 1.33322 m

6、bar 1 mbar = 0.75 torr1 大氣壓 = 101325 Pa = 760 torr =760 mmHg氣體電離室通常工作在約化場強(qiáng)為(0.110)V/(cmtorr)的范圍內(nèi)(在介紹漂移室時(shí)還有討論)。討論2氣體電離室對于測量重離子有其獨(dú)特的優(yōu)勢：1）由于重離子有高的比電離，因此信號噪聲比不會成為問題；2）電離室中工作氣體非常均勻，因此在作為很薄的E探測器時(shí)，有其獨(dú)到的優(yōu)勢（相對于固體探測器）；3）只需簡單地改變工作氣壓（相應(yīng)改變工作電壓），探測器的靈敏厚度就能得到改變，易于滿足實(shí)驗(yàn)條件（相對于固體探測器） ；4）靈敏面積可以做得很大，目前已經(jīng)做到幾百平方厘米（相對于固體探測

7、器） ；5）可用多種較為簡便的方法獲得入射粒子的位置信息；6）電離室因工作在無電子放大的電離區(qū)，能量刻度簡單（線性相應(yīng)）；7）可以以流氣的方式工作，不存在輻射損傷的問題；8）無固體探測器所存在的脈沖高度虧損的問題。4.2.2 正比計(jì)數(shù)器單絲正比計(jì)數(shù)器機(jī) 制典型的單絲正比計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)和電場分布如下圖所示。C為單位徑向長度上的電容當(dāng)原電離電子漂移到場強(qiáng)超過一定的閾值后，其速度高到可以產(chǎn)生二次電離，形成電荷倍增。一個(gè)電子漂移距離 x 所產(chǎn)生的次級電子數(shù)可用下式來表示式中稱為第一Townsend系數(shù)；P為氣壓，A1和B1為與工作氣體相關(guān)的常數(shù)。E/P的值一般在(300500) V/(cmtorr)，當(dāng)

8、約化場強(qiáng)高到使雪崩放大倍數(shù)達(dá)1000，因空間電荷效應(yīng)就會使雪崩達(dá)到飽和。工作氣體的選擇對于工作在正比區(qū)的氣體探測器，工作氣體的選擇很重要。理想的工作氣體應(yīng)當(dāng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1）對于給定電壓具有更高的氣體放大倍數(shù)。大的脈沖需要較少的電子學(xué)，而更低的工作電壓則可減小對電極加高壓所引起的困難。2）對于在雪崩過程中釋放的光子，具有高的淬滅效率以減小火花放電的幾率。3）對入射粒子有高的阻止本領(lǐng)，以便得到大的初始電離（原電離）。4）在高強(qiáng)度的入射粒子轟擊下，不出現(xiàn)老化效應(yīng)?；诖艘?，通常選擇惰性氣體，如氬氣、氙氣等。入射粒子在其中主要以電離和激發(fā)工作氣體原子損失能量。被激發(fā)的惰性氣體退激發(fā)只有通過發(fā)射

9、光子。對于Ar原子，其發(fā)射光子的能量為11.6 eV。這一能量是高于金屬原子的電離閾的，如Cu原子的電離閾為7.7 eV。因此這些光子轟擊到探測器極板或絲上就會產(chǎn)生電離而造成連續(xù)放電而使探測器無法正常工作。為解決這一問題，人們在惰性氣體中加入一些稱作“淬滅氣體”的多原子分子，如甲烷(CH4)，來吸收這些退激發(fā)光子。 淬滅氣體分子將所吸收的光子的能量或轉(zhuǎn)換成其振動能和轉(zhuǎn)動能這些集體運(yùn)動能量，或使分子斷裂成原子。例如，通過這些機(jī)制，甲烷可以吸收7.9-14.5 eV范圍內(nèi)的光子。通過加入淬滅氣體，可以使得正比計(jì)數(shù)器正常工作。信號的形成過程a) 初電離形成，在外加電場作用下電子向陽極漂移，正離子向陰

10、極遷移；b) 當(dāng)電子接近陽極絲附近的高場強(qiáng)區(qū)時(shí)（約幾個(gè)陽極絲的半徑范圍），電子獲得的能量高到可產(chǎn)生雪崩，同時(shí)向橫向擴(kuò)散；c) 隨著電子向陽極的接近，產(chǎn)生的雪崩電子數(shù)目劇增而形成電子云，同時(shí)形成正離子鞘；d) 電子開始被陽極吸收，陽極絲被電子云和離子鞘所包圍；e) 電子全部被陽極吸收，陽極絲被離子鞘所包圍，同時(shí)正離子向陰極慢慢遷移。多絲正比計(jì)數(shù)器多絲正比計(jì)數(shù)器是Charpak及其合作者于1968年設(shè)計(jì)出來的一種位置探測器，簡稱MWPC (Multi-Wire Proportional Counter)。因該探測器在粒子物理實(shí)驗(yàn)研究中的重要作用，Charpak于1992年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。最簡

11、單的MWPC是由兩個(gè)陰極面和位于其中間的一個(gè)陽極絲平面組成的，工作在正比區(qū)，其每一根絲類似于一個(gè)單絲正比計(jì)數(shù)器。下圖為一個(gè)典型的多絲正比計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)示意圖。典型參數(shù)： L = 5 mm d = 1 mm 陽極絲直徑 = 20 m空間分辨： (d = 1 mm, x = 300 m) 位置信息的獲得由陽極絲的信號直接給出，只能給出一維位置的信息；增加一個(gè)與陽極絲垂直排列的絲平面獲得另一維的位置信息，應(yīng)注意ghost hit問題；選擇高阻材料(如碳絲，2 k/m)制成的陽極絲，每根絲的位置給出一維位置信息，每根絲兩端由電荷分除法讀出，獲得另一維位置的信息；采用延遲時(shí)間差的方法一個(gè)陽極絲平面2個(gè)分條

12、陰極平面MWPC的應(yīng)用一般MWPC用于粒子物理實(shí)驗(yàn)中，用于探測最小電離粒子的徑跡。此時(shí)，工作氣壓在1個(gè)大氣壓或以上（為了獲得足夠多的初電離電荷以提高探測效率）。MWPC也用于低能重離子物理中，用來探測重碎片。此時(shí)一般工作在低氣壓狀態(tài)，工作氣體的壓力一般在幾十個(gè)mb以下。4.2.3 漂移室 (drift chamber)漂移室利用的是電子在恒定電場中的漂移速度的恒定(場強(qiáng)恒定時(shí))來獲得位置信息的一種探測器。一般與MWPC結(jié)合在一起使用。相對于二維位置靈敏MWPC，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，電子學(xué)線路少(因而造價(jià)低廉)，定位精度高。下圖給出了一個(gè)漂移室的原理結(jié)構(gòu)示意圖。設(shè)帶電粒子在0時(shí)刻入射到探測器中，t

13、0時(shí)刻陽極絲產(chǎn)生信號，已知電子在氣體中的漂移速度為W(t)，則初始電離距陽極絲的距離與電子漂移時(shí)間的關(guān)系為：在均勻電場中，電子的漂移速度W保持恒定，上式變?yōu)椋?S = Wt0因此，通過對漂移時(shí)間的測量可以獲得入射粒子的位置信息，通常通過這一方法可得到幾十到幾百m的位置分辨。利用電子漂移速度進(jìn)行定位，其過程可以用輸運(yùn)理論進(jìn)行描述。直觀地理解，顯然定位的精度取決于電子的漂移速度以及電子的漂移路程。那么影響定位精度的主要因素有：1）定時(shí)探測的精度典型情況下，電子的漂移速度為5 cm/s（Ar+異丁烷混合氣體，refer to A. Breskin et al., Nucl. Instr. & Met

14、hods 124(1975) 189）。假定漂移距離為5 cm，則漂移時(shí)間為1s。通常定時(shí)探測給出的定時(shí)精度1ns，得到該項(xiàng)的影響0.1%，可忽略不計(jì)。2）電子在氣體中的擴(kuò)散效應(yīng)電子在外加電場中向高電位漂移的過程中，由于與氣體分子的碰撞，必然有向橫向的擴(kuò)散。在80Ar+20%CH4，E/P = 0.15 V/(cmtorr)的典型條件下，有縱向漂移距離與橫向擴(kuò)散距離之比約為1500:18 (refer to A. Clark et al., PEP-4 proposal, 1976)。因此影響也小。3）漂移區(qū)電場的均勻性漂移區(qū)電場的均勻性直接影響著電子在其中的漂移速度。由于電子的漂移速度對電場

15、的依賴相對較大，因此如何保證漂移區(qū)電場的均勻性成為決定定位精度的主要因素。下圖給出了兩類典型工作氣體中電子漂移速度對場強(qiáng)的依賴關(guān)系。4）外加磁場的影響（在粒子物理探測中，漂移室通常放置在磁場中）主要影響電子的橫向漂移。在與外加磁場同向的方向上，電子的擴(kuò)散速度不受影響；在與外加磁場垂直的方向上，電子的擴(kuò)散速度因受磁場的約束會變?。ㄑ剡\(yùn)動方向作圓周運(yùn)動，螺旋線）。Ar+CH4Ar+i-C4H10舉例：CLEO II漂移室更多例子，請參見謝一崗等人編著的粒子探測器與數(shù)據(jù)獲取一書，p.91-132。4.2.4 麥管(straw tube)探測器麥管也稱“稻草管”，類似于單絲正比室，每根麥管的中心有一根

16、陽極絲，陰極由鍍鋁mylar膜制成的圓筒，工作在正比區(qū)。下圖給出了一根麥管的示意圖。麥管探測器是由麥管組成的陣列來對粒子的位置進(jìn)行測量。是粒子物理中常用的位置探測器。典型地，陽極絲用直徑幾十m的鍍金鎢絲，陰極為幾十m的鍍鋁mylar膜，麥管的直徑一般選在幾個(gè) mm。實(shí)際應(yīng)用中，右圖及下一頁給出了兩種常用的排列方式。麥管探測器的特點(diǎn)：1）相對于多絲正比室，易于操作和運(yùn)行。如：出現(xiàn)一根陽極絲斷裂，不會影響其它單元。2）相對于多絲正比室，噪聲要小些，由于每根麥管自身是屏蔽的，其它陽極絲出現(xiàn)噪聲問題，相互之間不產(chǎn)生影響。3）作為管壁的材料很薄，輻射長度小，對被探測粒子的影響小。一般，麥管探測器可獲得的

17、位置分辨在100 m左右。探測器的死時(shí)間在幾十個(gè)ns的量級。麥管探測器給不出高分辨率的能量測量。4.2.5 PPAC (Parallel Plate Avalanche Counter)PPAC稱為平行板雪崩計(jì)數(shù)器，是由兩個(gè)平行的電極板間加上高電壓使得帶電粒子在其工作氣體中產(chǎn)生的初電離電子可以獲得足夠高的動能產(chǎn)生次級電離而形成雪崩（即電荷放大）。PPAC工作在正比區(qū)，常用于重離子探測中的時(shí)間和位置測量。與正比計(jì)數(shù)器不同的是，正比計(jì)數(shù)器的雪崩過程僅發(fā)生在幾個(gè)陽極絲的直徑范圍內(nèi)，而PPAC電極板間的所有空間產(chǎn)生的電離電子均會發(fā)生雪崩過程。因此，在相同的壓力下充有相同的工作氣體，PPAC電極間的電壓

18、要遠(yuǎn)高于正比計(jì)數(shù)器。一般PPAC工作在約化場強(qiáng)E/P= (300500)V/(cmtorr)。為了易于實(shí)現(xiàn)這一條件，通常PPAC工作的氣壓在10 torr左右，并且兩平行極板間的距離在幾個(gè)mm。時(shí)間測量的精度決定于兩個(gè)因素：1）粒子經(jīng)過探測器到信號引出之間的時(shí)間差要?。◤亩箅姾奢d體產(chǎn)生的時(shí)間和電荷載體收集的時(shí)間短）；2）信號的上升時(shí)間tr要快，信號噪聲比S/N要好。這兩個(gè)量對時(shí)間測量精度的影響可用下式聯(lián)系起來： t = tr / (S/N)PPAC的工作過程依然使用Townsend雪崩關(guān)系來描述，即：式中，N0為初始電子數(shù)目，x為電子的漂移路程，稱為第一Townsend系數(shù)，N為次級電子的

19、數(shù)目。由上式，可以得到，大部分次級電子產(chǎn)生在距陽極1/的距離。因此，電子通過最后1/距離的時(shí)間T可以近似看成電子成分形成的信號的上升時(shí)間，有：式中，為電子的漂移速度，隨約化場強(qiáng)變化。假定 = 5 cm/s， = 100 cm1，可以得到T = 2 ns。PPAC的特點(diǎn)：1）可承受高計(jì)數(shù)率（相對地）；2）探測效率高；3）工藝簡單，造價(jià)低；4）對輻射損傷不靈敏。PPAC舉例： 雙陰極雙維位置靈敏PPAC（王猛等人研制）在RIBLL上測量得到的束流剖面用源在探測器前加光欄測量得到的位置譜 多極板雙維位置靈敏PPAC（胡正國等人研制）時(shí)間常數(shù)/s位置分辨/mm(fwhm)0.50.551.00.582

20、.00.633.00.646.01.04工作氣壓/mb探測效率/2.099.24.099.36.599.29.599.415.099.3用源在探測器前加光欄測量得到的位置譜4.2.6 RPC (Resistive Plate Counter)RPC即“電阻板計(jì)數(shù)器”，是一種粒子物理中給出高的時(shí)間分辨的氣體探測器，用于測量粒子的飛行時(shí)間。RPC出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，其結(jié)構(gòu)非常簡單，2塊平行電阻板電極間加高壓，中間是2mm氣隙形成強(qiáng)電場。早期的RPC工作在流光模式，電阻板的阻抗可以限制流光的強(qiáng)度。但是由于流光信號對電阻板充電，導(dǎo)致氣隙間電場強(qiáng)度下降，使RPC的探測效率隨入射粒子計(jì)數(shù)率的增加而迅速

21、降低。例：Working Gas: C2F4H2 + few % isobutane Time dispersion: 12 nsRate capability: 1 kHz/cm2(refer to A. Di Ciaccio, N.I.M. A 384 (1996) 222)下圖給出了一個(gè)簡單結(jié)構(gòu)的RPC實(shí)例 (Refer to S. Ganter et al., Nucl. Instr. and Meth. In Phys. Res. A 414(1998) 182 )。總面積：12 m2；144個(gè)銅讀出pad，每個(gè)尺寸1212 cm2；電極材料為2 mm厚的酚醛塑料，體電阻率為1012

22、 /cm，工作在“流光”模式。選擇合適的工作氣體，上述構(gòu)型下，對MIP的探測效率可達(dá)90，時(shí)間分辨約為1.5 ns ()。問題：時(shí)間分辨不高！提高時(shí)間分辨減小氣隙初電離減少降低探測效率，影響時(shí)間分辨 需要改進(jìn)：MRPC = Multi-gap Resistive Plate Counter為了使RPC能夠運(yùn)行在高計(jì)數(shù)率下，并同時(shí)獲得高的時(shí)間分辨能力，1）讓RPC運(yùn)行在雪崩模式下；2）為了防止流光的發(fā)生，采用含氟的負(fù)電性氣體，如氟利昂、SF6等。就氣體探測器而言，減小室的氣隙，可以減小原初電離位置的影響，提高時(shí)間分辨。但是減小氣隙，使原初電離對數(shù)目和電子的漂移距離減小，探測器輸出的感應(yīng)電荷信號減小。以大面積的RPC為例，氣隙減小到1mm，對最小電離粒子時(shí)間分辨為1-2ns， 其輸出電荷僅有1-10fc，而10fc是快電子學(xué)可測量的下限。為了解決這一困難，發(fā)展了多層相距小間隙的高阻材料極板組成的探測器，這種構(gòu)型的RPC稱為MRPC 。MRPC的工作原理圖