大型磁譜儀的簡(jiǎn)介

大型磁譜儀簡(jiǎn)介

鄭志鵬

中科院高能物理所2002.12.22/3/20231內(nèi)容簡(jiǎn)介探測(cè)器原理從單個(gè)探測(cè)器到大型磁譜儀磁譜儀的數(shù)據(jù)獲取、分析和主要子探測(cè)器大型磁譜儀舉例：近期和未來(lái)總結(jié)2/3/20232探測(cè)器原理

基本粒子的尺度：10-17—10-13cm，而目前最大倍數(shù)的電子顯微鏡的分辨率為10-8cm，因此距離肉眼觀察至少還差10萬(wàn)倍。實(shí)際上我們對(duì)基本粒子的研究只能借助于“間接觀察”手段。粒子物質(zhì)微弱信號(hào)電子學(xué)數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)分析2/3/20233帶電粒子與物質(zhì)相互作用形式：電離以及其它效應(yīng)，如：電磁簇射、強(qiáng)子簇射、切侖科夫輻射、穿越輻射等。電離離子的收集和放大是探測(cè)器的基本過(guò)程2/3/20234探測(cè)器的功能計(jì)數(shù)徑跡→位置徑跡+磁場(chǎng)→動(dòng)量（Ｐ）

Ｐ=300H徑跡→射程→能量2/3/20235中性粒子探測(cè)X，電磁量能器（NaI、CsI、BGO）→2探測(cè)n（中子）→p（質(zhì)子）反沖

→帶電粒子或核反應(yīng)ν（中微子）測(cè)量丟失的質(zhì)量

如：→+

仍然最終歸結(jié)為電離激發(fā)后離子的收集2/3/20236探測(cè)器簡(jiǎn)介近年來(lái)，探測(cè)器從靜電計(jì)、蓋革計(jì)數(shù)管發(fā)展成數(shù)十種不同類(lèi)型的探測(cè)器以滿足核物理、高能物理和宇宙線物理的需求。它們有：蓋革—彌勒計(jì)數(shù)管、電離室、正比計(jì)數(shù)器、多絲正比室、漂移室、時(shí)間投影室、時(shí)間擴(kuò)展室、多步雪崩室、阻性板室、陰極條室、核乳膠、固體徑跡探測(cè)器、云室、泡室、火花室、流光室。閃爍計(jì)數(shù)器、半導(dǎo)體探測(cè)器、切侖科夫計(jì)數(shù)器、硅條探測(cè)器、穿越輻射探測(cè)器。中子探測(cè)器、譜儀、譜儀、譜儀、多粒子譜儀?！鹊?/3/20237探測(cè)器的發(fā)展

這些探測(cè)器后面都緊跟著相應(yīng)的電子學(xué)設(shè)備?？v觀探測(cè)器發(fā)展史，探測(cè)器與電子學(xué)是密不可分、形影不離，猶如一對(duì)孿生兄弟。2/3/20238從單個(gè)探測(cè)器到大型磁譜儀隨著加速器能量的增長(zhǎng)，產(chǎn)生的粒子數(shù)目越來(lái)越多。隨著粒子物理的發(fā)展，需要測(cè)量粒子的參數(shù)越來(lái)越多。因而單個(gè)探測(cè)器滿足不了這些需要，于是在20世紀(jì)六十年代末，在固定靶實(shí)驗(yàn)和對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)相繼出現(xiàn)了有多種探測(cè)器組成的磁譜儀。2/3/20239大型磁譜儀的優(yōu)點(diǎn)可以同時(shí)測(cè)量粒子的多種性能（如電荷、質(zhì)量、自旋、宇稱(chēng)、衰變寬度/壽命等）?？蓽y(cè)量粒子的多種運(yùn)動(dòng)學(xué)參量（如能量、動(dòng)量、速度等）。具有較好的粒子分辨本領(lǐng)。2/3/202310粒子分辨本領(lǐng)末態(tài)粒子

在數(shù)百種粒子中，絕大多數(shù)壽命極短，只有少數(shù)幾種壽命大于10-8秒，如光子、正負(fù)電子（e±）、子（±:2×10-6s）、帶電介子（±:2.6×10-8s

）和介子（±:2×10-8s）、質(zhì)子（p）和反質(zhì)子()等。它們?cè)谔綔y(cè)器尺度（米）范圍內(nèi)被視為穩(wěn)定粒子——稱(chēng)為末態(tài)粒子。例如：對(duì)±,c=3.7m。譜儀中產(chǎn)生的粒子（初態(tài)粒子）可由末態(tài)粒子重建出來(lái)，因此在譜儀中，對(duì)末態(tài)粒子的分辨是至關(guān)重要的。2/3/202311對(duì)末態(tài)粒子的分辨方法測(cè)量粒子固有的靜止質(zhì)量m0

通常是測(cè)量能量（Ｅ）、動(dòng)量（Ｐ）、速度（ｖ）、洛侖茲因子（），電離能損（ｄＥ／ｄｘ）等幾個(gè)參量中的兩個(gè)而求出

2/3/202312對(duì)末態(tài)粒子的分辨方法不同種類(lèi)粒子有不同的與物質(zhì)作用效應(yīng)

——電磁簇射

——強(qiáng)子簇射

——強(qiáng)穿透力（大射程）

磁譜儀的粒子分辨是由各子探測(cè)器和磁場(chǎng)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)的。2/3/202313典型的磁譜儀子探測(cè)器的功能磁譜儀分為兩大類(lèi)：工作在對(duì)撞機(jī)和工作在固定靶上的。其結(jié)構(gòu)有異,但粒子探測(cè)器的種類(lèi)和安排順序相似。2/3/202314典型的磁譜儀子探測(cè)器的功能

子探測(cè)器

測(cè)量參數(shù)

功能

無(wú)損探測(cè)對(duì)撞點(diǎn)子計(jì)數(shù)器位置鑒別強(qiáng)子量能器強(qiáng)子鑒別電磁量能器切侖科夫計(jì)數(shù)器飛行時(shí)間計(jì)數(shù)器線圈和磁鐵中心漂移室頂點(diǎn)探測(cè)器衰變頂點(diǎn)位置2/3/202315磁譜儀的主要子探測(cè)器頂點(diǎn)探測(cè)器

測(cè)量壽命為——秒的粒子（如介子、Ｄ介子、Ｂ介子）衰變頂點(diǎn)的位置。氣體型的位置分辨率100m，硅微條探測(cè)器位置分辨可達(dá)幾個(gè)m中心徑跡室給出帶電粒子徑跡，可測(cè)dE/dx配合磁場(chǎng)可得p常見(jiàn)的有圓柱形（噴注型、小單元型）漂移室和時(shí)間投影室。位置分辨率70——100m

dE/dx分辨率5——7%2/3/202316磁譜儀的主要子探測(cè)器飛行時(shí)間計(jì)數(shù)器測(cè)量帶電粒子飛行時(shí)間（→速度），與動(dòng)量信息配合，給出、、p、分辨觸發(fā)排除宇宙線通常由快發(fā)光塑料閃爍體+快光電倍增管組成。對(duì)大面積的可做到100ps的時(shí)間分辨。多間隙阻性板室（MRPC），可達(dá)到60ps的時(shí)間分辨。但長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定性、壽命尚欠考驗(yàn)。

2/3/202317粒子動(dòng)量與由TOFII測(cè)量的速度的關(guān)系2/3/202318磁譜儀的主要子探測(cè)器切侖科夫計(jì)數(shù)器

探測(cè)高速（超過(guò)光在同樣介質(zhì)的傳播速度）帶電粒子產(chǎn)生的切侖科夫輻射方向，從而確定粒子的速度：

已知粒子的速度和動(dòng)量信息就可以提供高動(dòng)量范圍的e、、K、p的分辨。

常用的有：環(huán)形成像切侖科夫計(jì)數(shù)器（RICH）

內(nèi)反射切侖科夫計(jì)數(shù)器（DIRC）

氣凝硅膠(Aerogel)為輻射體的切侖科夫計(jì)數(shù)器2/3/202319磁譜儀的主要子探測(cè)器穿越輻射探測(cè)器

測(cè)量高速帶電粒子穿過(guò)不同介子表面產(chǎn)生的穿越輻射強(qiáng)度，確定粒子運(yùn)動(dòng)的洛侖子因子.

圖1。穿越輻射示意圖2/3/202320磁譜儀的主要子探測(cè)器

構(gòu)成：輻射體+探測(cè)器，交疊式。

輻射體：多層有機(jī)薄膜或多層輕金屬箔。

探測(cè)器：充氙多絲正比室、稻草管。 作用：分辨e和強(qiáng)子。

2/3/202321磁譜儀的主要子探測(cè)器電磁量能器

又稱(chēng)簇射計(jì)數(shù)器，是利用和e等在介子中會(huì)產(chǎn)生電磁簇射的原理，通過(guò)測(cè)量電磁簇射的次級(jí)粒子的沉積能量，得到和e等的能量，它是鑒別和e等電磁作用粒子與其它種類(lèi)粒子的主要探測(cè)器。

2/3/202322磁譜儀的主要子探測(cè)器分兩大類(lèi)：全吸收型：

NaI、CsI、BaF2、BGO、PbWO4等無(wú)機(jī)晶體。有很好的能量分辨，如CsI可達(dá)2%（1GeV）。取樣型：

探測(cè)器+吸收體交疊式

探測(cè)器可以是多樣的，如多絲室、自猝滅流光室、液氬或液氪電離室、塑料閃爍體、塑料光纖（光電倍增管讀出）。

吸收體多為鉛板，也有使用鎢板

能量分辨10——25%（1GeV）2/3/202323磁譜儀的主要子探測(cè)器方向、位置的確定：用權(quán)重法測(cè)量簇射的橫向分布。圖1電子—光子簇射示意圖2/3/202324磁譜儀的主要子探測(cè)器

圖2取樣型簇射計(jì)數(shù)器的幾種單元結(jié)構(gòu)簇射介質(zhì)與塑料閃爍體夾層式。簇射介質(zhì)與多絲室?jiàn)A層式。液氬電離室型。2/3/202325磁譜儀的主要子探測(cè)器

縱向尺度選?。?/3/202326磁譜儀的主要子探測(cè)器強(qiáng)子量能器

利用強(qiáng)子會(huì)在介質(zhì)中產(chǎn)生強(qiáng)子簇射的原理，通過(guò)測(cè)量強(qiáng)子簇射過(guò)程（也包括少量電磁簇射如）的次級(jí)粒子的沉積能量得到入射強(qiáng)子的能量。它是鑒別強(qiáng)子（、K、p）和其它種類(lèi)粒子的主要探測(cè)器。它不但可以測(cè)量帶電的，也可測(cè)量中性強(qiáng)子（如中子）.2/3/202327磁譜儀的主要子探測(cè)器

由于高能強(qiáng)子在介質(zhì)中的核作用長(zhǎng)度較長(zhǎng)，因此不大可能像電磁量能器那樣做成全吸收型的強(qiáng)子量能器，通常都是取樣型的，其結(jié)構(gòu)與電磁量能器十分相似。

取樣探測(cè)器：塑料閃爍體計(jì)數(shù)器、漂移室，流光室（管）、阻性板室（RPC）和陰極條室(CSC)

吸收體：鐵、銅、鉛板。也有用鈾板，可捕獲簇射中產(chǎn)生的快中子而發(fā)生裂變，從而減少中子的泄漏，改善了量能器的能量響應(yīng)和分辨率。2/3/202328磁譜儀的主要子探測(cè)器能量分辨率30—60%縱向尺寸的選?。?/3/202329磁譜儀的主要子探測(cè)器子計(jì)數(shù)器

測(cè)量子的方向和位置，鑒別子和其它種類(lèi)粒子的探測(cè)器。

子在物質(zhì)中不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)子簇射，很少產(chǎn)生電磁簇射，主要產(chǎn)生電離過(guò)程（dE/dx），因而穿透能力強(qiáng)，通常把它放在最外層。

取樣量能器+吸收體

取樣探測(cè)器與強(qiáng)子探測(cè)器的相似。

吸收體常用鐵塊，與磁鐵軛鐵合二為一。2/3/202330磁譜儀的主要子探測(cè)器亮度監(jiān)測(cè)器

工作在對(duì)撞機(jī)磁譜儀上測(cè)量對(duì)撞亮度的探測(cè)器。

在對(duì)撞機(jī)上，布置在靠近束流管的小角度位置上，通常由四組對(duì)稱(chēng)探測(cè)器（閃爍+電磁量能器）組成，測(cè)量巴巴散射事例數(shù)而推算出亮度。2/3/202331磁譜儀的主要子探測(cè)器線圈和磁鐵

提供大體積的均勻磁場(chǎng)，使帶電粒子在磁場(chǎng)下偏轉(zhuǎn)，通過(guò)中心徑跡室對(duì)徑跡的測(cè)量，得到粒子的軌道偏轉(zhuǎn)半徑，從而求出粒子動(dòng)量p。

常用螺旋管線圈，磁力線與束流方向平行，也有用偶極或環(huán)形磁場(chǎng)。20世紀(jì)七、八十年代開(kāi)始使用超導(dǎo)磁場(chǎng)代替常規(guī)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度為1—2T。2/3/202332數(shù)據(jù)獲取和分析電子學(xué)系統(tǒng)

將探測(cè)器輸出的信號(hào)（電脈沖形式）進(jìn)行放大、成型及各種邏輯處理并進(jìn)行數(shù)字化，將信息暫存并作數(shù)據(jù)預(yù)處理。為了適應(yīng)越來(lái)越大的待處理信息量，電子學(xué)需要：快、精、大（規(guī)模）。20世紀(jì)90年代電子學(xué)道數(shù)105

，本世紀(jì)初達(dá)到107—108。觸發(fā)判選：

選擇滿足物理?xiàng)l件的好事例，過(guò)濾壓縮本底事例。要求：快，通常分幾級(jí)進(jìn)行。

2/3/202333數(shù)據(jù)獲取和分析數(shù)據(jù)獲取和在線分析

數(shù)據(jù)獲取—對(duì)電子學(xué)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行快速處理，以數(shù)字信息形式記錄下來(lái)。

在線分析—給出反應(yīng)探測(cè)器性能的各種統(tǒng)計(jì)圖形以及所獲事例的分類(lèi)統(tǒng)計(jì)圖形，實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器與電子學(xué)工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)

一些新的技術(shù)：多數(shù)據(jù)緩沖，并行處理，總線高速讀出，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)取?/3/202334數(shù)據(jù)獲取和分析離線數(shù)據(jù)分析

將在線機(jī)上記錄下來(lái)的數(shù)據(jù)在離線機(jī)上進(jìn)行分析和處理，把數(shù)據(jù)還原為粒子種類(lèi)、能量、動(dòng)量等物理量。包括：M.C.模擬、事例重建、顯示和物理分析。

隨著粒子能量的增加，產(chǎn)生次級(jí)粒子的數(shù)量，能量也增加，數(shù)據(jù)信息是大大增加了。LHC（大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)）將擁有1千臺(tái)KS195中央處理機(jī)能力，磁帶處理能力3×10

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字節(jié)。WWG網(wǎng)絡(luò)提供了更方便的計(jì)算機(jī)共享機(jī)會(huì)。2/3/202335大型磁譜儀舉例，近期和未來(lái)作用：

大型磁譜儀自它誕生的那一天起，在粒子物理探測(cè)方面就顯示出綜合性能的優(yōu)勢(shì)，因而得到不斷發(fā)展。三十年來(lái)，在其基礎(chǔ)上做出了許多重要的高能物理實(shí)驗(yàn)成果。

如：一些重要粒子的發(fā)現(xiàn)（J/、、、和頂夸克等），電弱統(tǒng)一模型的精確測(cè)定以及量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）模型的檢驗(yàn)等。應(yīng)用：AMS（阿爾法磁譜儀）尋找宇宙中反物質(zhì)和暗物質(zhì)2/3/202336表1近期曾經(jīng)運(yùn)行或正在運(yùn)行的主要大型磁譜儀2/3/202337BESDetector2/3/202338L3Detector2/3/202339L3DetectorLEP上最大的探測(cè)器.大磁場(chǎng)線圈（長(zhǎng)11.9米、6米）。好的動(dòng)量分辨：P/P=0.04%。電磁量能器BGO：E/E=1%（E>2GeV）。2/3/202340BelleDetector不對(duì)