1-0粒子物理和核物理實驗(1)解析

粒子物理和核物理試驗〔1〕胡濤高能物理爭論所Tel：83054662email:本課主要內(nèi)容以核物理與粒子物理試驗為背景，介紹各種探測器的根本概念和根底學問，包括：微觀粒子與物質(zhì)的相互作用和它們的探測原理。介紹各種微觀粒子探測器：氣體探測器、半導體探測器、閃爍探測器、契倫柯夫探測器、氣體多絲室、各種徑跡探測器、粒子探測系統(tǒng)、各種磁譜儀〔高能磁譜儀和重離子磁譜儀〕等的根本構(gòu)造、工作原理、主要特性、種類和應用等。粒子探測器的統(tǒng)計性質(zhì)和試驗數(shù)據(jù)處理學問將在粒子物理和核物理試驗〔2〕介紹學習目的和意義培育把握各種粒子探測技術(shù)的特地人才。了解把握粒子與物質(zhì)相互作用的物理過程和根本規(guī)律，會使用各種探測器。把握粒子測試系統(tǒng)的原理及組建。把握大型高能粒子探測譜儀的構(gòu)成和工作原理。會設(shè)計研發(fā)新的粒子探測器。根本要求及評分標準根本要求：把握核與粒子物理試驗的根本概念，把握粒子與物質(zhì)相互作用的根本規(guī)律，各種粒子被探測的根本原理。依據(jù)試驗要求，會選擇粒子探測器。確定承受的探測方法和技術(shù)，設(shè)計粒子探測系統(tǒng)，并給出探測系統(tǒng)原理方框圖。評分標準尋常作業(yè)30%期末考試〔閉卷〕70%參考書目和學術(shù)刊物謝一岡等著：《粒子探測器與數(shù)據(jù)獵取》，教育出版社，北京2023唐孝威主編：《粒子物理試驗方法》，人民教育出版社，北京1982李金編著：《現(xiàn)代輻射與粒子探測學講義》NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchA高能物理與核物理核電子學與探測技術(shù)“小宇宙”和“大宇宙”人類對兩個極限尺度的物質(zhì)世界—“小宇宙”和“大宇宙”—不斷生疏的歷史是人類文明進展史的重要組成局部。作為物質(zhì)構(gòu)造的“小宇宙”，兩千多年前就有了古希臘哲學家德謨克里特的樸實原子論。德謨克利特等依據(jù)有關(guān)各種自然現(xiàn)象的思辯性的考慮，提出了原子論的想法試圖以之來說明宇宙見形形色色的自然現(xiàn)象。他們認為：宇宙間存在一種或多種微小的實體，叫做“原子”〔現(xiàn)在歐洲各國文字中的“原子”都來源于希臘文“atomos”，是“不行分割”的意思〕，這些原子在虛空中運動著，并可以依據(jù)各種不同的方式相互結(jié)合或重新分散。雖然在這種意義上的原子論遠遠不是人們今日所了解的嚴密的科學理論，但它與現(xiàn)代科學的結(jié)論比較吻合。“小宇宙”和“大宇宙”近百年來，人類的生疏漸漸到達原子、原子核、核子、夸克這幾個層次，對其觀測的尺度已從10-8到10-15厘米。作為人類四周星體世界的大宇宙，從太陽系、銀河系、直到河外系，人們觀測的尺度已大到6×107光年距離。在地球上觀看到宇宙中存在高能根本粒子，也包括能量范圍極寬的電磁輻射光子，其能量由10-4電子伏特〔宇宙背景輻射〕到1020電子伏特的硬γ射線，而可見光光子只在大約電子伏特的很小的一段范圍內(nèi)。宇宙本身已逐步成為爭論粒子物理的試驗室。人類對無限小和無限大世界的爭論也已經(jīng)逐步有機地結(jié)合起來。客體尺度與觀測手段粒子探測器我們生活的宏觀世界被大量的微觀粒子所包圍：來自地球外表的各種放射性，如40K、232Th、235U來自宇宙〔太陽、銀河系〕的宇宙線〔、〕來自和人工放射源的各種能量、不同種類的粒子和射線為了測量粒子和射線的根本性質(zhì)，爭論這些粒子之間的相互作用以及它們與宏觀物質(zhì)的相互作用為了將這些粒子與射線作為微小的探針來爭論微觀和亞微觀構(gòu)造，如：晶體構(gòu)造、物質(zhì)的外表構(gòu)造、分子原子及核構(gòu)造等為了通過這些粒子或射線來爭論我們達不到的各種天體，如地球的深處、太陽的內(nèi)部、月亮或銀河以外、更遙遠的天體為了使粒子和射線在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、礦山、地質(zhì)、醫(yī)療、環(huán)保、航天等領(lǐng)域被廣泛地應用，不行替代地獲得對宏觀物質(zhì)的形態(tài)、構(gòu)造、成分的測量和爭論

制造和進展了各種輻射和粒子探測器，并由此產(chǎn)生了新的學科、新的技術(shù)、新的產(chǎn)業(yè)。粒子物理試驗粒子物理試驗包括：粒子源〔/對撞機，宇宙線〕探測器探測器本體〔前端、后端〕電子學數(shù)據(jù)分析粒子探測器的進展史高能物理試驗爭論需要粒子和探測器及其它設(shè)備。將微小帶電粒子加速到特殊高的能量，速度接近光速，然后打到固定的靶上或彼此對撞，以爭論物質(zhì)深層次的構(gòu)造。探測器用來探測碰撞產(chǎn)生的微小粒子，記錄各種信息，如粒子徑跡、衰變產(chǎn)物、飛行時間、粒子動量、能量、質(zhì)量等。粒子探測器的進展史正是人類對物質(zhì)世界的生疏不斷深化和試驗同理論不斷相互促進的歷史。1590年和1609年先后消逝的顯微鏡和望遠鏡使人們得以在兩個尺度方面超出了肉眼范圍，它們正是人類首先使用的可見光探測器，它們開頭使人類對“小宇宙”和大宇宙的探究逐步走上現(xiàn)代試驗科學的軌道。1895年德國物理學家倫琴在無可見光條件下覺察膠片感光從而覺察X射線和1896年法國物理學家貝克勒爾由鉀鈾硫酸鹽使感光片變黑的現(xiàn)象覺察了β射線可以作為粒子探測器歷史的開端。粒子探測器的進展史1911年英籍新西蘭物理學家盧瑟福借助顯微鏡觀看到單個α粒子在硫化鋅上引起發(fā)光。這正是閃爍計數(shù)器的雛形。1919年他用類似的熒光屏探測器第一次觀看到用α粒子轟擊氮產(chǎn)生氧和質(zhì)子的人工核反響，由此核物理快速進展起來。核物理和宇宙線的進展反過來又帶動了各種探測器的進展。本世紀二十年月到六十年月消逝了核乳膠，云霧室，火花室，流光室等徑跡探測器以及電離室，正比與蓋格計數(shù)管和閃爍計數(shù)器等電子學探測器。新粒子的覺察往往借助于當時的新型探測器，例如1932年和1936年用云霧室先后覺察了正電子和μ介子，1939年用電離室覺察核裂變現(xiàn)象，1954年用氣泡室覺察Σ0超子，1961年用火花室覺察μ中微子等。值得提出的是以我國科學家為主于20世紀50年月利用氣泡室覺察了反Σ-超子。20世紀50年月以來，由于爭論進入核子夸克層次，要求轟擊粒子的能量更高，這時期漸漸從原子核物理進展出高能物理(粒子物理)，它也包括不用的宇宙線物理。利用高能量和高粒子束流強度的〔或?qū)ψ矙C〕，高能物理試驗要求快速地記錄愈來愈簡潔的高事例率事例。由于徑跡探測器記錄事例速度慢且后處理需要大量人工，例如用云霧室記錄一次需要幾分鐘，而電子學探測器如有機閃爍體計數(shù)器單粒子計數(shù)率可高達109次/秒，這樣，在粒子覺察史上起過重要作用的徑跡探測器就漸漸讓位于電子學探測器。60年月末至80年月初，同多路電子學協(xié)作使用的多絲正比室、漂移室、多種電磁和強子量能器和標準快電子學插件NIM系統(tǒng)及CAMAC總線系統(tǒng)快速進展起來。加以電子學技術(shù)和計算機的飛速進展，數(shù)據(jù)獵取和事例重建和顯示的速度大大提高，消逝了各種用于固定靶和對撞機的大型綜合多粒子譜儀及非宇宙線試驗的大型電子學探測器陣列。很多新粒子和新現(xiàn)象的覺察都是利用它們得到的。例如，1974年覺察的J/ψ粒子和1976年覺察的τ粒子以及1983年覺察的中間玻色子W和Z0等。這些年來在這一領(lǐng)域有多位科學家獲得了諾貝爾獎，有力地說明白粒子探測器對科學進展所起的重要作用以及理論的進展基于試驗這一根本觀點。粒子探測器的進展史六位獲諾貝爾獎的粒子探測器大師制造云室，一種觀測帶電粒子徑跡的方法和技術(shù)〔1927年〕進展Wilson云室技術(shù)，在核物理與宇宙線爭論中做出奉獻〔1948年〕制造乳膠技術(shù)，在宇宙線中π介子〔1950年〕制造氣泡室〔1960年〕進展氣泡室及數(shù)據(jù)處理技術(shù)，覺察大量共振態(tài)〔1968年〕G.Charpak制造多絲正比室并進展氣體絲室技術(shù)〔1992年〕粒子探測器大家族粒子探測器是核物理、粒子物理爭論及輻射應用中不行缺少的工具和手段。當粒子和探測器內(nèi)的物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生某種信息〔如電、光脈沖或材料構(gòu)造的變化〕，經(jīng)放大后被記錄、分析，以確定粒子的數(shù)目、位置、能量、動量、飛行時間、速度、質(zhì)量等物理量。依據(jù)記錄方式，粒子探測器大體上分為計數(shù)器類：以電脈沖的形式記錄、分析輻射產(chǎn)生的某種信息。徑跡室類：通過記錄、分析輻射產(chǎn)生的徑跡圖象測量核輻射。計數(shù)器類探測器氣體電離探測器——通過收集射線在氣體中產(chǎn)生的電離電荷來測量核輻射。主要類型有電離室、正比計數(shù)器和蓋革計數(shù)器。它們的構(gòu)造相像，一般都是具有兩個電極的圓筒狀容器，充有某種氣體，電極間加電壓，差異是工作電壓范圍不同。電離室工作電壓較低，直接收集射線在氣體中原始產(chǎn)生的離子對。其輸出脈沖幅度較小，上升時間較快，可用于輻射劑量測量和能譜測量。正比計數(shù)器的工作電壓較高，能使在電場中高速運動的原始離子產(chǎn)生更多的離子對，在電極上收集到比原始離子對要多得多的離子對〔即氣體放大作用〕，從而得到較高的輸出脈沖。脈沖幅度正比于入射粒子損失的能量，適于作能譜測量。蓋革計數(shù)器又稱蓋革-彌勒計數(shù)器或G-M計數(shù)器，它的工作電壓更高，消逝屢次電離過程，因此輸出脈沖的幅度很高，已不再正比于原始電離的離子對數(shù)，可以不經(jīng)放大直接被記錄。它只能測量粒子數(shù)目而不能測量能量，完成一次脈沖計數(shù)的時間較長。多絲室和漂移室——是正比計數(shù)器的變型。既有計數(shù)功能，還可以區(qū)分帶電粒子經(jīng)過的區(qū)域。多絲室有很多平行的電極絲，處于正比計數(shù)器的工作狀態(tài)。每一根絲及其鄰近空間相當于一個探測器，后面與一個記錄儀器連接。因此只有當被探測的粒子進入該絲鄰近的空間，與此相關(guān)的記錄儀器才記錄一次大事。為了削減電極絲的數(shù)目，可從測量離子漂移到絲的時間來確定離子產(chǎn)生的部位，這就要有另一探測器給出一起始信號并大致規(guī)定了大事發(fā)生的部位，依據(jù)這種原理制成的計數(shù)裝置稱為漂移室，它具有更好的位置區(qū)分率〔達50微米〕，但允許的計數(shù)率不如多絲室高。半導體探測器——輻射在半導體中產(chǎn)生的載流子〔電子和空穴〕，在反向偏壓電場下被收集，由產(chǎn)生的電脈沖信號來測量核輻射。常用硅、鍺做半導體材料。

高純鍺探測器有較高的能量區(qū)分率，對γ輻射探測效率高，可在室溫下保存，應用廣泛。砷化鎵、碲化鎘、碘化汞等材料也有應用。計數(shù)器類探測器閃爍計數(shù)器——通過帶電粒子打在閃爍體上，使原子〔分子〕電離、激發(fā)，在退激過程中發(fā)光，經(jīng)過光電器件〔如光電倍增管〕將光信號變成可測的電信號來測量核輻射。閃爍計數(shù)器區(qū)分時間短、效率高，還可依據(jù)電信號的大小測定粒子的能量。閃爍體可分為三大類：無機閃爍體，常見的有用鉈(Tl)激活的碘化鈉NaI(Tl)和碘化銫CsI(Tl)晶體，它們對電子、γ輻射靈敏，發(fā)光效率高，有較好的能量區(qū)分率，但光衰減時間較長；鍺酸鉍晶體密度大，發(fā)光效率高，因而對高能電子、γ輻射探測特殊有效。其他如用銀(Ag)激活的硫化鋅ZnS(Ag)主要用來探測α粒子；玻璃閃爍體可以測量α粒子、低能X輻射，參與載體后可測量中子；氟化鋇(BaF2)密度大，有熒光成分，既適合于能量測量，又適合于時間測量。有機閃爍體，包括塑料、液體和晶體(如蒽、茋等)，前兩種使用普遍。由于它們的光衰減時間短〔2～3納秒，快塑料閃爍體可小于1納秒〕，常用在時間測量中。它們對帶電粒子的探測效率將近百分之百。氣體閃爍體，包括氙、氦等惰性氣體，發(fā)光效率不高，但光衰減時間較短〔＜10納秒〕。計數(shù)器類探測器切侖科夫計數(shù)器——高速帶電粒子在透亮介質(zhì)中的運動速度超過光在該介質(zhì)中的運動速度時，則會產(chǎn)生切倫科夫輻射，其輻射角與粒子速度有關(guān)，因此供給了一種測量帶電粒子速度的探測器。此類探測器常和光電倍增管協(xié)作使用；可分為閾式(只記錄大于某一速度的粒子)和微分式〔只選擇某一確定速度的粒子〕兩種。穿越輻射計數(shù)器——高速帶電粒子穿過兩種介質(zhì)的界面會產(chǎn)生穿越輻射，其輻射能量與粒子能量成正比。在粒子速度極高，特殊接近光速時，用飛行時間和契倫科夫計數(shù)器都無法通過區(qū)分速度來鑒別粒子，而穿越輻射計數(shù)器供給了鑒別該能區(qū)高能粒子的新方法。計數(shù)器類探測器電磁量能器〔或簇射計數(shù)器〕——高能電子或γ光子在介質(zhì)中會產(chǎn)生電磁簇射，其次級粒子總能量損失與入射粒子總能量成正比。因此，一旦收集到總能量損失即可確定粒子的總能量。電磁量能器分為全吸取型如碘化鈉〔鉈〕、鍺酸鉍、鉛玻璃等和取樣型兩種。后者由取樣計數(shù)器與鉛板交迭而成。取樣計數(shù)器可以是液氬電離室、塑料閃爍計數(shù)器和多絲室。強子量能器——高能強子在介質(zhì)中會產(chǎn)生強子簇射。收集到總電離電荷即可確定強子總能量，通常承受閃爍計數(shù)器或多絲室與鐵〔鈾〕板交迭而成。此外，還有RPC、GEM等新型的氣體探測器計數(shù)器類探測器核乳膠——能記錄帶電粒子單個徑跡的照相乳膠。入射粒子在乳膠中形成潛影中心，經(jīng)過化學處理后記錄下粒子徑跡，可在顯微鏡下觀看。它有極佳的位置區(qū)分本事〔1微米〕，阻擋本事大，功用連續(xù)而靈敏。云室和泡室——使入射粒子產(chǎn)生的離子集團在過飽和蒸氣中形成冷凝中心而結(jié)成液滴〔云室〕，在過熱液體中形成氣化中心而變成氣泡〔泡室〕，用照相方法記錄，使帶電粒子的徑跡可見。泡室有較好的位置區(qū)分率〔好的可達10微米〕，本身又是靶，目前常以泡室為頂點探測器協(xié)作計數(shù)器一起使用?；鸹ㄊ液土鞴馐摇@些裝置都需要較高的電壓，當粒子進入裝置產(chǎn)生電離時，離子在強電場下運動，形成屢次電離，增殖很快，屢次電離過程中先產(chǎn)生流光，后產(chǎn)生火花，使帶電粒子的徑跡成為可見。流光室具有較好的時間特性。它們都具有較好的空間區(qū)分率〔約200微米〕。除了可用照相記錄粒子徑跡外，還可記錄電脈沖信號，作為計數(shù)器用。固體徑跡探測器——重帶電粒子打在諸如云母、塑料一類材料上，沿路徑產(chǎn)生損傷，經(jīng)過化學處理〔蝕刻〕后，將損傷擴大成可在顯微鏡下觀看的空洞，適于探測重核。徑跡室類探測器粒子探測器的進展前景大型磁譜儀隨著能量的增長，產(chǎn)生的粒子數(shù)目越來越多，隨著粒子物理爭論的進展，需要測量粒子的參數(shù)也越來越多，單個探測器已經(jīng)無法滿足這些需要。20世紀60年月末，固定靶試驗和對撞機試驗相繼消逝了由多種探測器組成的大型磁譜儀。大型磁譜儀可以同時測量粒子的多種性能〔如電荷、質(zhì)量、自旋、宇稱、衰變寬度/壽命等〕；可測量粒子的多種運動學參量〔如能量、動量、速度等〕；具有較好的粒子區(qū)分本事。大型磁譜儀一般由頂點探測器、中心徑跡室、飛行時間計數(shù)器、切侖科夫計數(shù)器、穿越輻射探測器、電磁量能器、強子量能器、μ子計數(shù)器、亮度監(jiān)測器、常規(guī)及超導磁鐵等子探測器構(gòu)成。在探測器方面消逝了新型探測器如閃爍光纖、自猝滅流光管、阻性板探測器、時間投影室、平行板雪崩室、硅微條探測器、微條氣體室等。粒子探測器的電子學及數(shù)據(jù)獵取方面也有了很大進展，以適應更高能量的更簡潔的事例測量，如高精度的位置和能量區(qū)分、快時間響應的探測器；高集成度、快響應電子學；快速大規(guī)模數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。先后消逝了智能和集成度高的VME總線和快總線〔FASTBUS〕，專用集成電路器件〔ASIC〕，硅條探測器同前級電子學組合在一起的集成系統(tǒng)，高速模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換插件〔FlashADC〕,無死時間的時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換(TDC)電路，大群微處理器組成的前級信號采集處理系統(tǒng)，流水線及在線事例過濾機群FARM，智能觸發(fā)規(guī)律系統(tǒng)以及10－10秒快時間響應電路等。粒子探測器的進展前景大型磁譜儀大型磁譜儀自誕生那一天起，在粒子物理探測方面就顯示出綜合性能的優(yōu)勢，且規(guī)模越來越大，精度越來越高，三十年來做出了很多重要的高能物理試驗成果。如：一些重要粒子的覺察〔J/ψ、Y、W±、Zo和頂夸克等〕，電弱統(tǒng)一模型的準確測定以及量子色動力學〔QCD〕模型的檢驗等?？梢灶A言，新世紀中它的技術(shù)會得到進一步進展，以適應高能物理爭論進展的需要。歐洲核子爭論中心CERN于1989年建成的90-200GeV正負電子對撞機LEP的周長為27公里。其上的四個大型試驗裝置的三維尺度大約都在15米左右，而對撞點四周的頂點探測器的位置精度達十微米左右。每個裝置參與試驗的科學家規(guī)模都到達500人左右。B介子工廠目前運行的幾個粒子工廠如B粒子工廠屬高亮度，亮度都達L～1034cm-2s-1，比同能區(qū)一般對撞機的亮度高100倍以上。美國3.1-9GeV正負電子對撞機PEPII/BABAR日本3.5-8GeV正負電子對撞機KEKB/BELLE

對上述B工廠的探測器主要要求包括高計數(shù)率、高區(qū)分率、高抗輻射強度等。

CERN正在建筑的LHCCERN正在建筑的新一代質(zhì)子-質(zhì)子對撞機LHC屬于高能量，其能量高達8～20TeV/束，亮度約為1033～1034cm-2s-1。LHC有很高的多束團束流對撞頻率〔即束團周期小到25ns〕和很大的P-P強作用截面〔σ～100mb〕。這些都對粒子探測技術(shù)提出了極具挑戰(zhàn)性的的要求，LHC的探測器有以下特點：具有足夠快的時間響應以供給嚴格觸發(fā)與避開事例積存；具有極高的空間區(qū)分率、多徑跡區(qū)分率與粒子識別力氣；具有浩大的體積以便對大能量范圍的粒子進展周密測量和有很強的磁場以便進展高動量測量。其典型的尺寸為直徑15-20米，長20-40米,讀出電子學道數(shù)以107～108計。數(shù)據(jù)獵取率高達1011字節(jié)/秒〔Byte/s〕；具有承受粒子的密封性，即探測器盡可能掩蓋4π立體角；具有極高的抗輻射力氣。

可能的長遠規(guī)劃工程極高能強子對撞機〔VLHC〕電子直線對撞機〔ILC〕muon對撞機中微子工廠大型非物理在查找新物理的大型非物理〔粒子天體物理〕試驗前沿方面,其探測器體積均在數(shù)千至數(shù)萬噸之間,以高靈敏度、低本底與低噪聲的特點探測低事例率的物理現(xiàn)象，如宇宙線或天體過程中的中微子、宇宙暗物質(zhì)粒子等。測量精度也由較粗放轉(zhuǎn)向周密。日本Superkamiokande試驗用了5萬噸水切倫科夫計數(shù)器〔圖示為水切倫科夫計數(shù)器內(nèi)部〕。意大利GranSasso試驗室的MACRO試驗用了一千噸液體閃爍體，一萬噸徑跡探測器。設(shè)在該試驗室的ICARUS試驗預備使用近萬噸全新探測器-液氬時間投影室〔LArTPC〕。中國在粒子探測器領(lǐng)域的成果

20世紀50年月以來低能核物理和高能宇宙線爭論:

如在云南高山站建成當時世界上規(guī)模最大的云室組之一70年月到80年月初研制成功一系列粒子探測器，如小型多絲正比室、漂移室、閾式切倫科夫計數(shù)器、閃爍計數(shù)器描跡儀、流光室等及與其相協(xié)作的電子學系統(tǒng)與NIM、CAMAC插件等。1988建成的北京正負電子對撞機〔BEPC〕上的北京譜儀〔BES〕

它的建筑成功標志著中國的粒子探測器技術(shù)已到達國際水平。十幾年來，通過BES運行獲得了以τ輕子質(zhì)量準確測量為代表的－系列國際矚目的τ-粲物理成果，實現(xiàn)了鄧小平同志的“中國必需在世界高科技領(lǐng)域占有一席之地”的號召。在宇宙線天