核与粒子物理实验方法4-1气体探测器.pptVIP

第四章 核与粒子探测器 4.2 气体探测器 4.2.1 气体电离室 4.2.2 正比计数器 4.2.3 漂移室 4.2.4 麦管(straw-tube)探测器 4.2.5 平行板雪崩计数器(PPAC) 4.2.6 电阻板计数器(RPC) 4.2.7 Pestov detector 4.2 气体探测器 以气体为探测介质的粒子探测器，其机理为： 复合区：电子－离子对产生后，由于电极上所加电压不高，离子在气体中的运动速度慢，容易再俘获电子形成中性原子。随电压的升高，离子运动速度加快，被收集的电荷量将逐渐增加。 4.2.1 气体电离室 气体电离室是工作在电离区的探测器，利用的是 即，收集的电荷数正比于粒子在其中的能量损失。下图给出了几种常用气体产生的原初电离对的数目（对应最小电离粒子）和平均电离功。 电离室产生信号量级的估算 电离室上电压脉冲的形成过程 屏栅电离室 举例1 纵向电场电离室 举例2 讨论1 讨论2 4.2.2 正比计数器 单丝正比计数器 机 制 典型的单丝正比计数器的结构和电场分布如下图所示。 工作气体的选择 对于工作在正比区的气体探测器，工作气体的选择很重要。理想的工作气体应当具有以下几个特点： 1）对于给定电压具有更高的气体放大倍数。大的脉冲需要较少的电子学，而更低的工作电压则可减小对电极加高压所引起的困难。 2）对于在雪崩过程中释放的光子，具有高的淬灭效率以减小火花放电的几率。 3）对入射粒子有高的阻止本领，以便得到大的初始电离（原电离）。 4）在高强度的入射粒子轰击下，不出现老化效应。 基于此要求，通常选择惰性气体，如氩气、氙气等。入射粒子在其中主要以电离和激发工作气体原子损失能量。被激发的惰性气体退激发只有通过发射光子。对于Ar原子，其发射光子的能量为11.6 eV。这一能量是高于金属原子的电离阈的，如Cu原子的电离阈为7.7 eV。因此这些光子轰击到探测器极板或丝上就会产生电离而造成连续放电而使探测器无法正常工作。 为解决这一问题，人们在惰性气体中加入一些称作“淬灭气体”的多原子分子，如甲烷(CH4)，来吸收这些退激发光子。 淬灭气体分子将所吸收的光子的能量或转换成其振动能和转动能这些集体运动能量，或使分子断裂成原子。例如，通过这些机制，甲烷可以吸收7.9-14.5 eV范围内的光子。通过加入淬灭气体，可以使得正比计数器正常工作。 信号的形成过程 多丝正比计数器 多丝正比计数器是Charpak及其合作者于1968年设计出来的一种位置探测器，简称MWPC (Multi-Wire Proportional Counter)。因该探测器在粒子物理实验研究中的重要作用，Charpak于1992年获得了诺贝尔物理学奖。 最简单的MWPC是由两个阴极面和位于其中间的一个阳极丝平面组成的，工作在正比区，其每一根丝类似于一个单丝正比计数器。下图为一个典型的多丝正比计数器的结构示意图。 位置信息的获得 由阳极丝的信号直接给出，只能给出一维位置的信息； 增加一个与阳极丝垂直排列的丝平面获得另一维的位置信息，应注意ghost hit问题； 选择高阻材料(如碳丝，2 k?/m)制成的阳极丝，每根丝的位置给出一维位置信息，每根丝两端由电荷分除法读出，获得另一维位置的信息； 采用延迟时间差的方法 一个阳极丝平面＋2个分条阴极平面 MWPC的应用 一般MWPC用于粒子物理实验中，用于探测最小电离粒子的径迹。此时，工作气压在1个大气压或以上（为了获得足够多的初电离电荷以提高探测效率）。 MWPC也用于低能重离子物理中，用来探测重碎片。此时一般工作在低气压状态，工作气体的压力一般在几十个mb以下。 4.2.3 漂移室 (drift chamber) 漂移室利用的是电子在恒定电场中的漂移速度的恒定(场强恒定时)来获得位置信息的一种探测器。一般与MWPC结合在一起使用。相对于二维位置灵敏MWPC，其特点是结构简单，电子学线路少(因而造价低廉)，定位精度高。下图给出了一个漂移室的原理结构示意图。 利用电子漂移速度进行定位，其过程可以用输运理论进行描述。直观地理解，显然定位的精度取决于电子的漂移速度以及电子的漂移路程。那么影响定位精度的主要因素有： 1）定时探测的精度 典型情况下，电子的漂移速度为5 cm/?s（Ar+异丁烷混合气体，refer to A. Breskin et al., Nucl. Instr. Methods 124(1975) 189）。假定漂移距离为5 cm，则漂移时间为1?s。通常定时探测给出的定时精度1ns，得到该项的影响0.1%，可忽略不计。 2）电子在气体中的扩散效应 电子在外加电场中向高电位漂移的过程中，由于与气体分子的碰撞，必然有向横向的扩散。在80％Ar+2