第三講探索微觀世界奧秘的現(xiàn)代電磁技術(shù)演示文稿

第三講探索微觀世界奧秘的現(xiàn)代電磁技術(shù)演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有51頁\編輯于星期一優(yōu)選第三講探索微觀世界奧秘的現(xiàn)代電磁技術(shù)現(xiàn)在是2頁\一共有51頁\編輯于星期一古希臘的亞里士多德、戰(zhàn)國的公孫龍等認(rèn)為:

物質(zhì)是無限可分的不存在最小單元公孫龍（公元前320——前250）的名言：

一尺之棰，日取其半，萬世不竭1897年湯姆孫在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了電子;1911年盧瑟福利用粒子散射實(shí)驗(yàn),證實(shí)了原子中原子核的存在并發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子;1932年查德威克在用粒子轟擊原子核的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了中子;現(xiàn)在是3頁\一共有51頁\編輯于星期一

1932年安德森在宇宙射線中觀察到正電子;

1905年愛因斯坦提出電磁場的基本結(jié)構(gòu)單元是光子;并在1922年由康普頓等人實(shí)驗(yàn)證實(shí);

1930年泡利從理論上提出衰變時放出中微子的假說,并在1956年由雷恩斯和考恩的實(shí)驗(yàn)證實(shí);

1973年,實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了弱中性流的反應(yīng)；

1974年,實(shí)驗(yàn)上確認(rèn)了粲夸克c的存在；

1983年,發(fā)現(xiàn)了中間玻色子W和

Z0.

到上世紀(jì)60年代初,在實(shí)驗(yàn)上觀察到大量的稱為強(qiáng)子的粒子,并證實(shí)了所有粒子都有相應(yīng)的反粒子;現(xiàn)在是4頁\一共有51頁\編輯于星期一粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型

——20世紀(jì)60年代到90年代，實(shí)驗(yàn)和理論的重大進(jìn)展物質(zhì)世界由62種”基本“粒子構(gòu)成1種希格斯粒子—膠子、光子、W，Z0，引力子？62種基本粒子中能獨(dú)立存活的穩(wěn)定粒子共10種:

正、負(fù)電子、中微子e、和、反中微子、反和—輕子6種、夸克18種及它們的反粒子48種費(fèi)米子13種規(guī)范玻色子基本粒子現(xiàn)在是5頁\一共有51頁\編輯于星期一基本粒子的大小現(xiàn)在是6頁\一共有51頁\編輯于星期一

但絕大多數(shù)都是帶電粒子，因而可用電磁學(xué)理論進(jìn)行操縱。二、帶電粒子在電磁場中所受的力電場力磁場力（洛侖茲力）現(xiàn)在是7頁\一共有51頁\編輯于星期一回旋半徑和回旋頻率螺距現(xiàn)在是8頁\一共有51頁\編輯于星期一

磁聚焦（magneticfocusing）

一束發(fā)散角不大的帶電粒子束，若這些粒子沿磁場方向的分速度大小又一樣，它們有相同的

它廣泛應(yīng)用與電真空器件中如電子顯微鏡中。它起了光學(xué)儀器中的透鏡類似的作用。hB螺距，經(jīng)過一個周期它們將重新會聚在另一點(diǎn)這種發(fā)散粒子束會聚到一點(diǎn)的現(xiàn)象叫磁聚焦。磁鏡（magneticlens.）和磁約束現(xiàn)在是9頁\一共有51頁\編輯于星期一....................+-AA’K+dL..................................................................................................速度選擇器1）速度選擇器+++++++++現(xiàn)在是10頁\一共有51頁\編輯于星期一2）質(zhì)鐠儀7072737476鍺的質(zhì)譜...................................................................+-速度選擇器照相底片質(zhì)譜儀的示意圖現(xiàn)在是11頁\一共有51頁\編輯于星期一<電風(fēng)實(shí)驗(yàn)>++++++++++尖端放電現(xiàn)象3)場離子顯微鏡(FIM)現(xiàn)在是12頁\一共有51頁\編輯于星期一熒光質(zhì)導(dǎo)電膜+高壓場離子顯微鏡(FIM)接真空泵或充氦氣設(shè)備金屬尖端接地原理：樣品制成針尖形狀，針尖與熒光膜之間加高壓，樣品附近極強(qiáng)的電場使吸附在表面的He原子電離，氦離子沿電場線運(yùn)動，撞擊熒光膜引起發(fā)光，從而獲得樣品表面的圖象?，F(xiàn)在是13頁\一共有51頁\編輯于星期一三、原子的直接觀察與操縱

人類憑自己的感官功能認(rèn)識世界的水平是很有限的，只能認(rèn)識一些宏觀的物體。顯微鏡的發(fā)明將眼睛的觀察能力延伸到細(xì)胞的尺度，**光學(xué)儀器的通光孔徑現(xiàn)在是14頁\一共有51頁\編輯于星期一最小分辨角光學(xué)儀器分辨本領(lǐng)人眼的分辨本領(lǐng)(可分辨的物點(diǎn)的最小距離)約0.2mm光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)達(dá)10-4mm

根據(jù)波動學(xué)說，運(yùn)動著的電子可以看作是一種電子波，而且能量越大，波長越短，電子波波長相比于可見光波波長要小得多，據(jù)此人們制造了電子顯微鏡?，F(xiàn)在是15頁\一共有51頁\編輯于星期一

1931年德國柏林大學(xué)魯斯卡博士發(fā)明了世界上第一臺透射式電子顯微鏡，開始只能放大幾百倍，到1933年已提高到一萬倍，分辨率達(dá)到10-5mm電子波長若U=105V，電子波長約為410-3nm電子波長比可見光(360~760nm)小5個數(shù)量級。

電子波長比原子半徑（0.1~0.2nm）小，可用來作為探針，探測樣品中的原子的分布情況。1、電子顯微鏡現(xiàn)在是16頁\一共有51頁\編輯于星期一我國電鏡起步較遲，但發(fā)展較快。第一臺在1958年制造，分辨率10nm，放大倍數(shù)2萬~3萬1977年制造成放大倍數(shù)80萬，分辨率0.14nm的大型電鏡，進(jìn)入世界行列?，F(xiàn)在是17頁\一共有51頁\編輯于星期一電磁鏡——利用通電線圈所產(chǎn)生的一定分布的磁場來控制電子束運(yùn)動，完全類似光學(xué)顯微鏡，有聚光鏡、物鏡和投影鏡之分。電子透鏡——通過復(fù)雜的“透鏡”組，使電子束會聚到樣品上，然后成像和放大。2、掃描隧道顯微鏡請觀看教學(xué)片現(xiàn)在是18頁\一共有51頁\編輯于星期一STM裝置示意圖現(xiàn)在是19頁\一共有51頁\編輯于星期一3、激光冷卻

激光冷卻(lasercooling)利用激光和原子的相互作用減速原子運(yùn)動以獲得超低溫原子的高新技術(shù)。

雖然早在20世紀(jì)初人們就注意到光對原子有輻射壓力作用，只是在激光器發(fā)明之后，才發(fā)展了利用光壓改變原子速度的技術(shù)。1975年漢斯和肖洛提出了用激光冷卻原子的建議.他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原子在頻率略低于原子躍遷能級差且相向傳播的一對激光束中運(yùn)動時，由于多普勒效應(yīng)，原子傾向于吸收與原子運(yùn)動方向相反的光子，而對與其相同方向行進(jìn)的光子吸收幾率較小;吸收后的光子將各向同性地自發(fā)輻射。平均地看來，兩束激光的凈作用是產(chǎn)生一個與原子運(yùn)動方向相反的阻尼力，從而使原子的運(yùn)動減緩(即冷卻下來)?，F(xiàn)在是20頁\一共有51頁\編輯于星期一

1985年美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的菲利浦斯(willamD.Phillips)和斯坦福大學(xué)的朱檬文(StevenChu)首先實(shí)現(xiàn)了激光冷卻原子的實(shí)驗(yàn)，并得到了極低溫度(24μK)的鈉原子氣體。他們進(jìn)一步用三維激光束形成磁光阱將原子囚禁在一個空間的小區(qū)域中加以冷卻，獲得了更低溫度的“光學(xué)粘膠”。之后，許多激光冷卻的新方法不斷涌現(xiàn)，其中較著名的有“速度選擇相干布居囚禁”和“拉曼冷卻”，前者由法國巴黎高等師范學(xué)院的柯亨-達(dá)諾基(ClaudCohen-Tannodji)提出，后者由朱模文提出，他們利用這種技術(shù)分別獲得了低于光子反沖極限的極低溫度。現(xiàn)在是21頁\一共有51頁\編輯于星期一此后，人們還發(fā)展了磁場和激光相結(jié)合的一系列冷卻技術(shù)，其中包括偏振梯度冷卻、磁感應(yīng)冷卻等等。朱模文、柯亨-達(dá)諾基和菲利浦斯三人也因此而獲得了1997年諾貝爾物理學(xué)獎。激光冷卻有許多應(yīng)用，如:原子光學(xué)、原子刻蝕、原子鐘、光學(xué)晶格、光鑷子、玻色-愛因斯坦凝聚、原子激光、高分辨率光譜以及光和物質(zhì)的相互作用的基礎(chǔ)研究等等。現(xiàn)在是22頁\一共有51頁\編輯于星期一四、探測器

近年來，探測器從靜電計(jì)、蓋革計(jì)數(shù)管發(fā)展成數(shù)十種不同類型的探測器以滿足核物理、高能物理和宇宙線物理的需求。1）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、時間投影室、時間擴(kuò)展室、多步雪崩室、阻性板室、陰極條室、核乳膠、固體徑跡探測器、云室、泡室、火花室、流光室。2）閃爍計(jì)數(shù)器、半導(dǎo)體探測器、切侖科夫計(jì)數(shù)器、硅條探測器、穿越輻射探測器3）中子探測器、譜儀、譜儀、譜儀、多粒子譜儀現(xiàn)在是23頁\一共有51頁\編輯于星期一計(jì)數(shù)、徑跡→位置、徑跡+磁場→動量（Ｐ）、徑跡→能量沉積→能量探測器功能

探測器一個重要功能是測量粒子的電荷和動量，因此，探測器內(nèi)層部件一定放在一個強(qiáng)磁場中，帶電粒子的在磁場中偏轉(zhuǎn)方向不同可以來確定其電荷，由其路徑的偏轉(zhuǎn)程度不同可計(jì)算其動量大小帶電粒子的在磁場中偏轉(zhuǎn)方向不同可以來確定其電荷帶電粒子的在磁場中路徑的偏轉(zhuǎn)程度不同可計(jì)算其動量大小現(xiàn)在是24頁\一共有51頁\編輯于星期一典型的磁譜儀子探測器的功能

子探測器

測量參數(shù)

功能

無損探測對撞點(diǎn)子計(jì)數(shù)器位置動量強(qiáng)子量能器強(qiáng)子能量電磁量能器切侖科夫計(jì)數(shù)器飛行時間計(jì)數(shù)器線圈和磁鐵中心漂移室頂點(diǎn)探測器衰變頂點(diǎn)位置現(xiàn)在是25頁\一共有51頁\編輯于星期一頂點(diǎn)探測器測量壽命為——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100，硅微條探測器位置分辨可達(dá)幾個中心徑跡室給出帶電粒子徑跡，可測dE/dx，配合磁場可得p

，常見的有圓柱形（噴注型、小單元型）漂移室和時間投影室。位置分辨率70~100，dE/dx分辨率5~7%飛行時間計(jì)數(shù)

測量帶電粒子飛行時間（→速度），與動量信息配合，給出、、p、分辨。通常由快發(fā)光塑料閃爍體+快光電倍增管組成。對大面積的可做到100ps的時間分辨。多間隙阻性板室（MRPC），可達(dá)到60ps的時間分辨。但長時間運(yùn)行的穩(wěn)定性、壽命尚欠考驗(yàn)。現(xiàn)在是26頁\一共有51頁\編輯于星期一世界上最大的時間投影室（長4.4米，3.6米）P/P=0.1%dE/dx分辨=4.5%現(xiàn)在是27頁\一共有51頁\編輯于星期一ATLASDetector內(nèi)部Solenoid線圈（2T）。外部toroidal線圈（長26米、

20米）。電磁量能器：液氬（氪）電離室?，F(xiàn)在是28頁\一共有51頁\編輯于星期一CMSDetector有精確的、電子、光子測量Solenoid線圈（4T、長13米，

6米）徑跡室：硅微條，微條氣體室和硅象素（pixel），位置分辨可達(dá)15。電磁量能器PbWO4。現(xiàn)在是29頁\一共有51頁\編輯于星期一AMSDetectorAMS（阿爾法磁譜儀）尋找宇宙中反物質(zhì)和暗物質(zhì)現(xiàn)在是30頁\一共有51頁\編輯于星期一阿爾法(α)磁譜儀是1998年人類送入宇宙空間的第一個大型磁譜儀。它利用強(qiáng)磁場和精密探測器來探測宇宙空間的反物質(zhì)和暗物質(zhì)，探索和研究宇宙物理學(xué)、基本粒子物理學(xué)和宇宙演化學(xué)的一些重大和疑難問題，例如尋找磁單極子等。

反物質(zhì)是指由質(zhì)量相同但電荷符號相反的反電子(即正電子)、反質(zhì)子和反中子組成的反原子構(gòu)成的物質(zhì)，如反氦和反碳等。暗物質(zhì)是指不能用光學(xué)方法探測到的物質(zhì)。根據(jù)現(xiàn)代科學(xué)研究中的一些學(xué)說，宇宙中除一般見到的物質(zhì)(即正物質(zhì))以外，應(yīng)還存在反物質(zhì)；除用光學(xué)方法探測到的一般物質(zhì)以外，應(yīng)還存在用光學(xué)方法探測不到的暗物質(zhì)。這些物質(zhì)在磁場中運(yùn)動時會表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，因而可以用探測器探測出來。阿爾法磁譜儀主要由磁系統(tǒng)和靈敏探測器等構(gòu)成。現(xiàn)在是31頁\一共有51頁\編輯于星期一AMS能精確測量宇宙中帶電粒子的動量和電荷，其核心部分是中國研制的一臺用釹鐵硼材料制成的大型永磁體，重2.2噸，直徑1.2米米，高0.8米，中心場強(qiáng)為1360高斯。

太空實(shí)驗(yàn)中對磁譜儀的磁體要求極為嚴(yán)格，不僅要磁場強(qiáng)、接收度大、重量輕，而且偏磁和磁二極矩必須非常小，并能經(jīng)受航天飛機(jī)起飛和著陸時的加速度和劇烈震動。近20年來，歐美各國科學(xué)家曾提出過各種研制方案，均未能成功，根據(jù)丁肇中教授采用永磁體制造磁譜儀的設(shè)想，中國科學(xué)院電工所、高能所的科技人員經(jīng)大量分析計(jì)算和模擬試驗(yàn)，獨(dú)創(chuàng)性地提出采用釹鐵硼永磁體方案，中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院為這個磁鐵設(shè)計(jì)制造了機(jī)械結(jié)構(gòu)。磁體采用新型高磁能積釹鐵硼(NaFeB)永磁材料，基于魔環(huán)結(jié)構(gòu)用于太空試驗(yàn)，磁體及運(yùn)輸屏蔽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及磁場測量，需要進(jìn)行大量數(shù)值計(jì)算及多項(xiàng)高技術(shù)合成。AMS磁鐵初樣制造出來后，對其進(jìn)行模擬空間環(huán)境的10多項(xiàng)震動和離心等試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，磁體性能完全達(dá)了美國宇航局的各項(xiàng)嚴(yán)格要求。阿爾法磁譜儀于1998年6月3日用美國“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機(jī)送入太空，在太空進(jìn)行反物質(zhì)和暗物質(zhì)的探測現(xiàn)在是32頁\一共有51頁\編輯于星期一國際空間站上的阿爾法磁譜儀（AMS）阿爾法磁譜儀上中國制造的磁鐵現(xiàn)在是33頁\一共有51頁\編輯于星期一1932年勞倫斯研制第一臺回旋加速器的D型。可將質(zhì)子和氘核加速到1MeV的能量，為此1939年勞倫斯獲得諾貝爾物理學(xué)獎.1）回旋加速器五、加速器現(xiàn)在是34頁\一共有51頁\編輯于星期一頻率與半徑無關(guān)到半圓盒邊緣時回旋加速器原理圖NSBO~N現(xiàn)在是35頁\一共有51頁\編輯于星期一

我國于1994年建成的第一臺強(qiáng)流質(zhì)子加速器，可產(chǎn)生數(shù)十種中短壽命放射性同位素.現(xiàn)在是36頁\一共有51頁\編輯于星期一鐵芯線圈電束子

環(huán)形真空室B磁場2）電子感應(yīng)加速器—用感應(yīng)電場使電子加速

兩基本因素：加速,轉(zhuǎn)圈。1940年美國物理學(xué)家克斯特研制成功

當(dāng)磁場發(fā)生變化時，就會沿管道方向產(chǎn)生感應(yīng)電場，射入的電子就會被加速。現(xiàn)在是37頁\一共有51頁\編輯于星期一3）質(zhì)子同步加速器—高能量>>50MeV(1)環(huán)行質(zhì)子的頻率始終與振蕩器同步;

(2)質(zhì)子沿一圓行軌道運(yùn)動;

美國費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室(Fermilab)的質(zhì)子同步加速器具有6.3km的周長并產(chǎn)生具有約TeV(=1012eV)能量的質(zhì)子固定靶實(shí)驗(yàn)對撞實(shí)驗(yàn)現(xiàn)在是38頁\一共有51頁\編輯于星期一加速器主要發(fā)展方向——對撞機(jī)1982年西歐核子研究中心建成了質(zhì)子—反質(zhì)子對撞機(jī)，能量2.71011eV+2.71011eV，在此對撞機(jī)上發(fā)現(xiàn)了中間玻色子W及Z0，有力支持了弱電統(tǒng)一理論。獲1984年的諾貝爾物理學(xué)獎。1978年原西德建成了正負(fù)電子對撞機(jī)，能量1.91010eV+1.91010eV，1988年我國在北京建成了正負(fù)電子對撞機(jī)，能量2.8109eV+2.8109eV

，現(xiàn)在是39頁\一共有51頁\編輯于星期一北京正負(fù)電子對撞機(jī)現(xiàn)在是40頁\一共有51頁\編輯于星期一2006年7月英國第三代同步輻射光源裝置正式宣布測試成功，稱為“鉆石光源同步加速器”（由英國鉆石光源公司負(fù)責(zé)開發(fā)和運(yùn)營）這是英國近三十年來投資興建的最大民用科研基地(3.8億英磅),位于牛津郡南部，其大小相當(dāng)于五個足球場，為環(huán)狀現(xiàn)代派建筑。除了產(chǎn)生同步輻射光的設(shè)備外，還為不同學(xué)科的科學(xué)家設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)室和辦公場所，每年可以接待2000個用戶，其周圍目前還在興建賓館旅社，以方便科學(xué)家前往進(jìn)行科學(xué)研究工作，“超級顯微鏡”能發(fā)出世界最強(qiáng)光現(xiàn)在是41頁\一共有51頁\編輯于星期一

2、同步輻射光源的裝置和特性現(xiàn)在是42頁\一共有51頁\編輯于星期一電子槍（ElectronGun）——產(chǎn)生被加速電子的電子源，主要由陰極、柵極和陽極組成。陰極的作用是發(fā)射電子，加熱陰極到一定溫度時，電子獲得足夠大的動能克服逸出能從陰極表面釋放；陰極和陽極之間的高電位差將電子從陰極表面拉出來，并加速到合適的初速度注入到加速管中。電子直線加速器（LinearAccelerator(linac)）——主要由電子槍、加速管、微波功率系統(tǒng)、真空系統(tǒng)等組成。電子在加速管中被微波電場加速，獲得能量。真空系統(tǒng)保證了加速管處于高真空狀態(tài)，使電子在其中作加速運(yùn)動不致丟失。離開直線加速器的電子速度已接近光速?，F(xiàn)在是43頁\一共有51頁\編輯于星期一儲存環(huán)(StorageRing)——是儲存高速運(yùn)行的電子束流的設(shè)備，主要由磁鐵系統(tǒng)、高頻系統(tǒng)和真空系統(tǒng)等組成。磁鐵系統(tǒng)用來彎轉(zhuǎn)和約束電子束，使電子束走環(huán)行的閉合軌道；高頻系統(tǒng)提供加速電場，電子在加速電場中獲得能量。電子束在儲存環(huán)中作回旋運(yùn)動的同時沿切線方向發(fā)出同步輻射。光束線——將同步光從儲存環(huán)中引出，并聚焦引入實(shí)驗(yàn)站實(shí)驗(yàn)站——專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)在是44頁\一共有51頁\編輯于星期一寬波段：同步輻射光的波長覆蓋面大，具有從遠(yuǎn)紅外、可見光、紫外直到X射線范圍內(nèi)的連續(xù)光譜，并且能根據(jù)使用者的需要獲得特定波長的光?，F(xiàn)在是45頁\一共有51頁\編輯于星期一高準(zhǔn)直：同步輻射光的發(fā)射集中在以電子運(yùn)動方向?yàn)橹行?/p>