大型磁譜儀的簡介ppt課件

1、大型磁譜儀的簡介大型磁譜儀的簡介 鄭志鵬鄭志鵬 中科院高能物理所中科院高能物理所 2019.12.2內容簡介內容簡介探測器原理探測器原理從單個探測器到大型磁譜儀從單個探測器到大型磁譜儀磁譜儀的數(shù)據(jù)獲取、分析和主要子探測磁譜儀的數(shù)據(jù)獲取、分析和主要子探測器器大型磁譜儀舉例：近期和未來大型磁譜儀舉例：近期和未來總結總結探測器原理探測器原理 基本粒子的尺度：基本粒子的尺度： 10 -17 10-13 cm，而目，而目前最大倍數(shù)的電子顯微鏡的分辨率為前最大倍數(shù)的電子顯微鏡的分辨率為 10-8 cm，因此距離肉眼觀察至少還差，因此距離肉眼觀察至少還差10萬倍。（實萬倍。（實際上我們對基本粒子的研究只能借

2、助于際上我們對基本粒子的研究只能借助于“間間接觀察接觀察手段。手段。粒子物質微弱信號電子學數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)分析帶電粒子與物質相互作用形式：帶電粒子與物質相互作用形式：電離以及其它效應，電離以及其它效應， 如：電磁簇射、強子簇射、如：電磁簇射、強子簇射、切侖科夫輻射、穿越輻射等。切侖科夫輻射、穿越輻射等。電離離子的收集和放大是探測器的基本過程電離離子的收集和放大是探測器的基本過程探測器的功能探測器的功能計數(shù)計數(shù)徑跡徑跡位置位置徑跡徑跡+磁場磁場動量）動量） = 300H徑跡徑跡射程射程能量能量中性粒子探測中性粒子探測X， 電磁量能器電磁量能器NaI、CsI、BGO） 2 探測探測 n （中子）（中子

3、） p質子）質子） 反沖反沖 帶電粒子或帶電粒子或 核反應核反應中微子）中微子） 測量丟失的質量測量丟失的質量 如：如： + 仍然最終歸結為電離后離子的收集仍然最終歸結為電離后離子的收集0D探測器簡介探測器簡介 近年來，探測器從靜電計、蓋革計數(shù)管發(fā)展成數(shù)十近年來，探測器從靜電計、蓋革計數(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。它們有：線物理的需求。它們有：蓋革蓋革彌勒計數(shù)管、電離室、正比計數(shù)器、多絲正比室、彌勒計數(shù)管、電離室、正比計數(shù)器、多絲正比室、漂移室、時間投影室、時間擴展室、多步雪崩室、阻漂移室、時間投影室、時

4、間擴展室、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、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。泡室、火花室、流光室。閃爍計數(shù)器、半導體探測器、切侖科夫計數(shù)器、硅條探閃爍計數(shù)器、半導體探測器、切侖科夫計數(shù)器、硅條探測器、穿越輻射探測器測器、穿越輻射探測器中子探測器、中子探測器、 譜儀、譜儀、譜儀、譜儀、譜儀、多粒子譜儀譜儀、多粒子譜儀 等等等等 探測器的發(fā)展探測器的發(fā)展 這些探測器后面都緊跟著相應的電子學設這些探測器后面都緊跟著相應的電子學設備?？v觀探測器發(fā)展史，探測器與電子學是密備。縱觀探測器發(fā)展史，探測器與電子學是密不可分、形影不離，猶如一對孿

5、生兄弟。不可分、形影不離，猶如一對孿生兄弟。從單個探測器到大型磁譜儀從單個探測器到大型磁譜儀 隨著加速器能量的增長，產生的粒子數(shù)目隨著加速器能量的增長，產生的粒子數(shù)目越來越多越來越多. 隨著粒子物理的發(fā)展，需要測量粒子的參隨著粒子物理的發(fā)展，需要測量粒子的參數(shù)越來越多。數(shù)越來越多。 因而單個探測器滿足不了這些需要，于是因而單個探測器滿足不了這些需要，于是在在20 世紀六十年代末，在固定靶實驗和對撞機世紀六十年代末，在固定靶實驗和對撞機實驗相繼出現(xiàn)了有多種探測器組成的磁譜儀。實驗相繼出現(xiàn)了有多種探測器組成的磁譜儀。大型磁譜儀的優(yōu)點大型磁譜儀的優(yōu)點可以同時測量粒子的多種性能如電荷、質量、可以同時測

6、量粒子的多種性能如電荷、質量、自旋、宇稱、衰變寬度自旋、宇稱、衰變寬度/壽命等）。壽命等）?？蓽y量粒子的多種運動學參量如能量、動量、可測量粒子的多種運動學參量如能量、動量、速度等）。速度等）。具有較好的粒子分辨本領。具有較好的粒子分辨本領。粒子分辨本領粒子分辨本領末態(tài)粒子末態(tài)粒子 在數(shù)百種粒子中，絕大多數(shù)壽命極短，只有在數(shù)百種粒子中，絕大多數(shù)壽命極短，只有少數(shù)幾種壽命大于少數(shù)幾種壽命大于 10-8 秒，如秒，如 光子、正光子、正負電子負電子e）、）、子（子（）、帶電）、帶電介子介子（ ）和）和介子（介子（ ）、質子）、質子p和和反質子反質子( )等。它們在探測器尺度米范等。它們在探測器尺度米范

7、圍內被視為穩(wěn)定粒子圍內被視為穩(wěn)定粒子稱為末態(tài)粒子。稱為末態(tài)粒子。譜儀中產生的粒子初態(tài)粒子可由末態(tài)粒譜儀中產生的粒子初態(tài)粒子可由末態(tài)粒子重建出來，因此在譜儀中，對末態(tài)粒子的子重建出來，因此在譜儀中，對末態(tài)粒子的分辨是至關重要的。分辨是至關重要的。p對末態(tài)粒子的分辨方法對末態(tài)粒子的分辨方法測量粒子固有的靜止質量測量粒子固有的靜止質量m0通常是測量能量）、動量）、速度通常是測量能量）、動量）、速度）、洛侖茲因子（）、洛侖茲因子（ ），電離能損），電離能損等幾個參量中的兩個而求出等幾個參量中的兩個而求出m0。2201cmE201vmp)(cv211),(/vZFdxdE對末態(tài)粒子的分辨方法對末態(tài)粒子的

8、分辨方法不同種類粒子有不同的與物質作用效應不同種類粒子有不同的與物質作用效應電磁簇射電磁簇射強子簇射強子簇射強穿透力大射程）強穿透力大射程）磁譜儀的粒子分辨是由各子探測器和磁場聯(lián)磁譜儀的粒子分辨是由各子探測器和磁場聯(lián)合實現(xiàn)的。合實現(xiàn)的。e,pK,典型的磁譜儀子探測器的功能典型的磁譜儀子探測器的功能子探測器子探測器測量參數(shù)測量參數(shù)功能功能無損探測對撞點分辨、p子計數(shù)器位置鑒別強子量能器強子鑒別強子E電磁量能器eE,鑒別e,切侖科夫計數(shù)器v飛行時間計數(shù)器v線圈和磁鐵中心漂移室dxdEp/,頂點探測器衰變頂點位置夸克分辨、cb磁譜儀的主要子探測器磁譜儀的主要子探測器頂點探測器頂點探測器測量壽命為測量

9、壽命為 秒的粒子如秒的粒子如 介子、介子、介子衰變頂點的位置。介子、介子、介子衰變頂點的位置。氣體型的位置分辨率氣體型的位置分辨率100 硅微條探測器位置分辨可達幾個硅微條探測器位置分辨可達幾個中心徑跡室中心徑跡室給出帶電粒子徑跡，可測給出帶電粒子徑跡，可測dE/dx配合磁場配合磁場 可得可得 p 常見的有圓柱形噴注常見的有圓柱形噴注 型、小單元型型、小單元型漂移室和時間投影室。漂移室和時間投影室。 位置分辨率位置分辨率 70 100 dE/dx分辨率分辨率 5 7 %12109100s磁譜儀的主要子探測器磁譜儀的主要子探測器飛行時間計數(shù)器飛行時間計數(shù)器測量帶電粒子飛行時間（測量帶電粒子飛行時

10、間（速度），與動量速度），與動量信息配合，給出信息配合，給出、p、分辨、分辨觸發(fā)觸發(fā)排除宇宙線排除宇宙線 通常由快發(fā)光塑料閃爍體通常由快發(fā)光塑料閃爍體+快光電快光電倍增管組成。對大面積的可做到倍增管組成。對大面積的可做到100ps的時的時間分辨。多間隙阻性板室間分辨。多間隙阻性板室MRPC），可達），可達到到60ps的時間分辨。但長時間運行的穩(wěn)定性、的時間分辨。但長時間運行的穩(wěn)定性、壽命尚欠考驗。壽命尚欠考驗。 粒子動量與由TOFII測量的速度的關系磁譜儀的主要子探測器磁譜儀的主要子探測器切侖科夫計數(shù)器切侖科夫計數(shù)器 探測高速超過光在同樣介質的傳播速探測高速超過光在同樣介質的傳播速度帶電粒子產

11、生的切侖科夫輻射方向，從度帶電粒子產生的切侖科夫輻射方向，從而確定粒子的速度：而確定粒子的速度： 已知粒子的速度和動量信息就可以提供高動已知粒子的速度和動量信息就可以提供高動量范圍的量范圍的e、 、K、 p的分辨。的分辨。常用的有：環(huán)形成像切侖科夫計數(shù)器常用的有：環(huán)形成像切侖科夫計數(shù)器RICH） 內反射切侖科夫計數(shù)器內反射切侖科夫計數(shù)器DIRC） 氣凝硅膠氣凝硅膠(Aerogel)為輻射體的切為輻射體的切侖科夫侖科夫 計數(shù)器計數(shù)器折射率子運動方向夾角切侖科夫輻射方向與粒:)1arccos(nncc磁譜儀的主要子探測器磁譜儀的主要子探測器穿越輻射探測器穿越輻射探測器 測量高速帶電粒子穿過不同介子

12、測量高速帶電粒子穿過不同介子表面產生的穿越輻射強度，確定粒子表面產生的穿越輻射強度，確定粒子運動的洛侖子因子運動的洛侖子因子.圖圖 1。 穿越輻射示意圖穿越輻射示意圖 磁譜儀的主要子探測器磁譜儀的主要子探測器構成構成 ： 輻射體輻射體+探測器，交疊式。探測器，交疊式。輻射體：輻射體： 多層有機薄膜或多層輕金屬箔。多層有機薄膜或多層輕金屬箔。探測器：探測器： 充氙多絲正比室、稻草管充氙多絲正比室、稻草管 0211mE常數(shù)電荷輻射強度:2AZIZAI磁譜儀的主要子探測器磁譜儀的主要子探測器電磁量能器電磁量能器 又稱簇射計數(shù)器，是利用又稱簇射計數(shù)器，是利用和和e等在介等在介子中會產生電磁簇射的原理，

13、通過測量電磁子中會產生電磁簇射的原理，通過測量電磁簇射的次級粒子的沉積能量，得到簇射的次級粒子的沉積能量，得到和和e等等的能量，它是鑒別的能量，它是鑒別和和e等電磁作用粒子與等電磁作用粒子與其它種類粒子的主要探測器。其它種類粒子的主要探測器。磁譜儀的主要子探測器磁譜儀的主要子探測器分兩大類：分兩大類：全吸收型：全吸收型：NaI、CsI、BaF2、BGO、PbWO4等無機晶體。有等無機晶體。有很好的能量分辨，如很好的能量分辨，如CsI可達可達2%（1GeV）。）。取樣型：取樣型：探測器探測器+吸收體吸收體 交疊式交疊式探測器可以是多樣的，如多絲室、自猝滅流光室、探測器可以是多樣的，如多絲室、自猝

14、滅流光室、液氬或液氪電離室、塑料閃爍體、塑料光纖光電液氬或液氪電離室、塑料閃爍體、塑料光纖光電倍增管讀出）。倍增管讀出）。吸收體多為鉛板，也有使用鎢板吸收體多為鉛板，也有使用鎢板能量分辨能量分辨 1025% （1GeV）磁譜儀的主要子探測器磁譜儀的主要子探測器方向、位置的確定：用權重法測量簇射的橫向分布。方向、位置的確定：用權重法測量簇射的橫向分布。圖圖 1 電子電子光子簇射示意圖光子簇射示意圖磁譜儀的主要子探測器磁譜儀的主要子探測器 圖圖 2 取樣型簇射計數(shù)器的幾種單元結構取樣型簇射計數(shù)器的幾種單元結構簇射介質與塑料閃爍體夾層式。簇射介質與塑料閃爍體夾層式。簇射介質與多絲室夾層式。簇射介質與

15、多絲室夾層式。液氬電離室型。液氬電離室型。磁譜儀的主要子探測器磁譜儀的主要子探測器 縱向尺度選?。嚎v向尺度選?。航橘|輻射長度：介質臨界能量：粒子能量00lnxEExEELcc磁譜儀的主要子探測器磁譜儀的主要子探測器強子量能器強子量能器 利用強子會在介質中產生強子簇射的利用強子會在介質中產生強子簇射的原理，通過測量強子簇射過程也包括原理，通過測量強子簇射過程也包括少量電磁簇射如少量電磁簇射如 ）的次級粒）的次級粒子的沉積能量得到入射強子的能量。它子的沉積能量得到入射強子的能量。它是鑒別強子（是鑒別強子（ 、K、 p和其它種類和其它種類粒子的主要探測器。它不但可以測量帶粒子的主要探測器。它不但可以

16、測量帶電的，也可測量中性強子如中子）電的，也可測量中性強子如中子）.20磁譜儀的主要子探測器磁譜儀的主要子探測器 由于高能強子在介質中的核作用長度較長，因由于高能強子在介質中的核作用長度較長，因此不大可能像電磁量能器那樣做成全吸收型的強子此不大可能像電磁量能器那樣做成全吸收型的強子量能器，通常都是取樣型的，其結構與電磁量能器量能器，通常都是取樣型的，其結構與電磁量能器十分相似。十分相似。 取樣探測器：塑料閃爍體計數(shù)器、漂移室，流取樣探測器：塑料閃爍體計數(shù)器、漂移室，流光室管）、光室管）、 阻性板室阻性板室RPC和陰極條室和陰極條室CSC等。等。 吸收體：鐵、銅、鉛板。也有用鈾板，可捕獲吸收體：

17、鐵、銅、鉛板。也有用鈾板，可捕獲簇射中產生的快中子而發(fā)生裂變，從而減少中子的簇射中產生的快中子而發(fā)生裂變，從而減少中子的泄漏，改善了量能器的能量響應和分辨率。泄漏，改善了量能器的能量響應和分辨率。磁譜儀的主要子探測器磁譜儀的主要子探測器能量分辨率能量分辨率 30 60 %縱向尺寸的選?。嚎v向尺寸的選?。航橘|的核作用長度：強子能量00)()7.0ln2.0(GeVEEL磁譜儀的主要子探測器磁譜儀的主要子探測器 子計數(shù)器子計數(shù)器 丈量丈量 子的方向和位置，鑒別子的方向和位置，鑒別 子和其它子和其它種類粒子的探測器。種類粒子的探測器。 子在物質中不會產生強子簇射，很少子在物質中不會產生強子簇射，很少

18、產生電磁簇射，主要產生電離過程產生電磁簇射，主要產生電離過程dE/dx），因而穿透能力強，通常把它放），因而穿透能力強，通常把它放在最外層。在最外層。 取樣量能器取樣量能器+吸收體吸收體 取樣探測器與強子探測器的相似。取樣探測器與強子探測器的相似。 吸收體常用鐵塊，與磁鐵軛鐵合二為一。吸收體常用鐵塊，與磁鐵軛鐵合二為一。磁譜儀的主要子探測器磁譜儀的主要子探測器亮度監(jiān)測器亮度監(jiān)測器 工作在對撞機磁譜儀上測量對撞亮度的工作在對撞機磁譜儀上測量對撞亮度的 探測器。探測器。 在在 對撞機上，布置在靠近束流管的對撞機上，布置在靠近束流管的小角度位置上，通常由四組對稱探測器閃小角度位置上，通常由四組對稱探

19、測器閃爍爍+電磁量能器組成，測量巴巴散射事例電磁量能器組成，測量巴巴散射事例數(shù)而推算出亮度。數(shù)而推算出亮度。ee磁譜儀的主要子探測器磁譜儀的主要子探測器線圈和磁鐵線圈和磁鐵 提供大體積的均勻磁場，使帶電粒子在提供大體積的均勻磁場，使帶電粒子在磁場下偏轉，通過中心徑跡室對徑跡的測量，磁場下偏轉，通過中心徑跡室對徑跡的測量，得到粒子的軌道偏轉半徑，從而求出粒子動得到粒子的軌道偏轉半徑，從而求出粒子動量量p。 常用螺旋管線圈，磁力線與束流方向平常用螺旋管線圈，磁力線與束流方向平行，也有用偶極或環(huán)形磁場。行，也有用偶極或環(huán)形磁場。20世紀七、八世紀七、八十年代開始使用超導磁場代替常規(guī)磁場，磁十年代開始

20、使用超導磁場代替常規(guī)磁場，磁場強度為場強度為12 T 。數(shù)據(jù)獲取和分析數(shù)據(jù)獲取和分析電子學系統(tǒng)電子學系統(tǒng) 將探測器輸出的信號電脈沖形式進將探測器輸出的信號電脈沖形式進行放大、成型及各種邏輯處理并進行數(shù)字化，行放大、成型及各種邏輯處理并進行數(shù)字化，將信息暫存并作數(shù)據(jù)預處理。將信息暫存并作數(shù)據(jù)預處理。 為了適應越來越大的待處理信息量，電為了適應越來越大的待處理信息量，電子學需要：快、精、大規(guī)模）。子學需要：快、精、大規(guī)模）。20世紀世紀90年代電子學道數(shù)年代電子學道數(shù) ，本世紀初達到，本世紀初達到 。觸發(fā)判選：觸發(fā)判選： 選擇滿足物理條件的好事例，過濾壓縮選擇滿足物理條件的好事例，過濾壓縮本底事例

21、。要求：快，通常分幾級進行。本底事例。要求：快，通常分幾級進行。 510710數(shù)據(jù)獲取和分析數(shù)據(jù)獲取和分析數(shù)據(jù)獲取和在線分析數(shù)據(jù)獲取和在線分析 數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)獲取對電子學來的信號進行對電子學來的信號進行快速處理，以數(shù)字信息形式記錄下來?？焖偬幚?，以數(shù)字信息形式記錄下來。 在線分析在線分析給出反應探測器性能的給出反應探測器性能的各種統(tǒng)計圖形以及所獲事例的分類統(tǒng)計各種統(tǒng)計圖形以及所獲事例的分類統(tǒng)計圖形，實現(xiàn)對探測器與電子學工作狀態(tài)圖形，實現(xiàn)對探測器與電子學工作狀態(tài)的監(jiān)測的監(jiān)測 一些新的技術：多數(shù)據(jù)緩沖，并行一些新的技術：多數(shù)據(jù)緩沖，并行處理，總線高速讀出，網絡傳輸?shù)?。處理，總線高速讀出，網絡傳輸?shù)取?/p>

22、數(shù)據(jù)獲取和分析數(shù)據(jù)獲取和分析離線數(shù)據(jù)分析離線數(shù)據(jù)分析 將在線機上記錄下來的數(shù)據(jù)在離線將在線機上記錄下來的數(shù)據(jù)在離線機上進行分析和處理，把數(shù)據(jù)還原為粒機上進行分析和處理，把數(shù)據(jù)還原為粒子種類、能量、動量等物理量。包括：子種類、能量、動量等物理量。包括：M.C.模仿、事例重建、顯示和物理分模仿、事例重建、顯示和物理分析。析。 隨著粒子能量的增加，產生次級粒隨著粒子能量的增加，產生次級粒子的數(shù)量，能量也增加，數(shù)據(jù)信息是大子的數(shù)量，能量也增加，數(shù)據(jù)信息是大大增加了。大增加了。LHC大型強子對撞機大型強子對撞機將擁有將擁有1千臺千臺KS195中央處理機能力，中央處理機能力，磁帶處理能力磁帶處理能力 字節(jié)

23、。字節(jié)。WWG網絡網絡提供了更方便的計算機共享機會。提供了更方便的計算機共享機會。15103大型磁譜儀舉例，近期和未來大型磁譜儀舉例，近期和未來作用：作用： 大型磁譜儀自它誕生的那一天起，在粒大型磁譜儀自它誕生的那一天起，在粒子物理探測方面就顯示出綜合性能的優(yōu)勢，子物理探測方面就顯示出綜合性能的優(yōu)勢，因而得到不斷發(fā)展。三十年來，在其基礎上因而得到不斷發(fā)展。三十年來，在其基礎上做出了許多重要的高能物理實驗成果。做出了許多重要的高能物理實驗成果。 如：一些重要粒子的發(fā)現(xiàn)如：一些重要粒子的發(fā)現(xiàn)J/ 、 、 、 和頂夸克等），電弱和頂夸克等），電弱統(tǒng)一模型的精確測定以及量子色動力學統(tǒng)一模型的精確測定以

24、及量子色動力學QCD模型的檢驗等。模型的檢驗等。應用：應用： AMS （阿爾法磁譜儀尋找宇宙中反（阿爾法磁譜儀尋找宇宙中反物質和暗物質物質和暗物質W0Z磁譜儀名稱所在對撞機名稱對撞機類型束流能量（吉）所在國家（地區(qū)或實驗室）CDM2VEPP2Me+,e-0.7俄羅斯（BNPI）SNDVEPP3Me+,e-0.7俄羅斯（BNPI）KLOEDAe+,e-0.7意大利（Frascati）BES（北京譜儀）BEPC（北京正負電子對撞機）e+,e-2.5中國（中科院）CLEOCESRe+,e-6美國（Cornell）BelleKEKBe+,e-3.58日本（KEK）BaBarPEPIIe+,e-3.19

25、美國（SLAC）SKDSLCe+,e-50美國（SLAC）ALEPHLEPe+,e-101歐洲（CERN）DELPHILEPe+,e-101歐洲（CERN）L3LEPe+,e-101歐洲（CERN）OPALLEPe+,e-101歐洲（CERN）H1HERAe p30920德國（DESY）ZEUSHERAe p30921德國（DESY）CDFTEVATRON質子、反質子1000美國（FNL）D0TEVATRON質子、反質子1000美國（FNL）PHENIXRICH重離子對撞200/核子美國（BNL）STARRICH重離子對撞201/核子美國（BNL）表1 近期曾經運行或正在運行的主要大型磁譜儀BES DetectorL3 DetectorL3 DetectorLEP上最大的探測器。大磁場線圈長上最大的探測器。大磁場線圈長11.9米、米、 6米）。米）。好的動量分辨：好的動量分辨： P/P=0.04%