核與粒子物理實(shí)驗(yàn)方法4-1氣體探測(cè)器課件

1、第四章 核與粒子探測(cè)器4.2 氣體探測(cè)器4.2.1 氣體電離室4.2.2 正比計(jì)數(shù)器4.2.3 漂移室4.2.4 麥管(straw-tube)探測(cè)器4.2.5 平行板雪崩計(jì)數(shù)器(PPAC)4.2.6 電阻板計(jì)數(shù)器(RPC)4.2.7 Pestov detector以氣體為探測(cè)介質(zhì)的粒子探測(cè)器，其機(jī)理為：4.2 氣體探測(cè)器接地信號(hào)引出RVC0入射粒子充有工作氣體 復(fù)合區(qū)：電子離子對(duì)產(chǎn)生后，由于電極上所加電壓不高，離子在氣體中的運(yùn)動(dòng)速度慢，容易再俘獲電子形成中性原子。隨電壓的升高，離子運(yùn)動(dòng)速度加快，被收集的電荷量將逐漸增加。 電離區(qū)：收集所有初始電離電荷，復(fù)合損失可以忽略不計(jì)，且無電荷放大效應(yīng)。

2、正比區(qū)：隨電壓的升高，達(dá)某一閾值后，次級(jí)電子在外加電場(chǎng)中獲得的能量高到可使氣體分子電離，電荷放大效應(yīng)開始(即雪崩開始) ，但總電荷數(shù)依然近似正比于初電離數(shù)。在此區(qū)間氣體放大倍數(shù)約104105。 有限正比區(qū)：進(jìn)一步升高電壓，增益繼續(xù)升高(108)，但空間電荷造成的電場(chǎng)畸變也越來越嚴(yán)重，收集的電荷量與原初電離關(guān)系變?nèi)跄酥潦ァ?蓋革區(qū)：增益達(dá)到T+V(t) 由于電子的收集時(shí)間在s量級(jí)，而正離子的收集時(shí)間在ms量級(jí)，因此，在電子收集的時(shí)間內(nèi)，可認(rèn)為正離子基本是不動(dòng)的。為提高計(jì)數(shù)率，可通過設(shè)置電荷收集的時(shí)間常數(shù)，消除正離子產(chǎn)生的慢上升時(shí)間成分。 在這種構(gòu)型下，V(t)在與N0相關(guān)的同時(shí)，與初始電離產(chǎn)生

3、的位置x0也相關(guān)。要實(shí)現(xiàn)能量測(cè)量，必須克服這一困難。接地信號(hào)引出RVC0入射粒子 0 x0陰極陽極d電離區(qū)參見三校合編原子核物理實(shí)驗(yàn)方法p75-76屏柵電離室 為了解決，V(t) 與初始電離產(chǎn)生的位置x0相關(guān)的問題，人們?cè)陔婋x室的陰陽極之間接近陽極的位置加入一層由金屬絲組成的平面（稱作Frisch柵），以屏蔽在電荷漂移過程中在陽極上感應(yīng)出信號(hào)。只有當(dāng)電子穿過Frisch柵后，才在陽極上給出信號(hào)，這樣V(t)公式中的d對(duì)所有入射粒子均是相等的，從而避免了信號(hào)與入射粒子位置相關(guān)的問題。接地信號(hào)引出RVC0入射粒子 0 x0Frisch柵CathodeAnodeFrisch gridE1E2ER 另

4、外，設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的電離室陽極還可以得到其他一些附加信息。如：將電離室的陽極分成沿入射粒子方向進(jìn)行分段，可以在獲得總能量的同時(shí)，得到能量損失信息從而可以用E-E方法進(jìn)行粒子鑒別；將陽極分成沿入射粒子方向的放射狀的條，可同時(shí)獲得入射粒子角度的信息；等等。舉例1一個(gè)雙陽極(共陰極)橫向電離室，距反應(yīng)靶1 m處放置時(shí)張角為22，張角為7，深度為800 mm。工作氣體為P10 (10%CH4+90%Ar)。相對(duì)能量分辨1%， 角分辨為0.1 ， 角分辨為0.02 ?？v向電場(chǎng)電離室粒子入射的方向與電場(chǎng)的方向相同，且工作在電離區(qū)的電離室稱為縱向電場(chǎng)電離室。0V 100V 350V 100V 0V 100V

5、350V 100V 0V+Vexaa舉例2有效面積100 mm100 mm。在100 mb的P10工作氣體下，坪區(qū)長度為700 V。對(duì)244Cm 粒子，在第4片陽極對(duì)應(yīng)的靈敏區(qū)域，能量損失為1.30 MeV，能量分辨41.1 keV (fwhm)，相對(duì)能量分辨3.16。討論1在氣體探測(cè)的使用和討論中，常用約化場(chǎng)強(qiáng)的概念，即靈敏區(qū)中電場(chǎng)強(qiáng)度E與工作氣壓P之比E/P。常用單位為V/(cmtorr)，國際單位為V/(cmPa)。1 torr = 133.322 Pa 1 mbar = 100 Pa1 torr = 1 mmHg 1 mbar = 0.75 mmHg1 torr = 1.33322 m

6、bar 1 mbar = 0.75 torr1 大氣壓 = 101325 Pa = 760 torr =760 mmHg氣體電離室通常工作在約化場(chǎng)強(qiáng)為(0.110)V/(cmtorr)的范圍內(nèi)(在介紹漂移室時(shí)還有討論)。討論2氣體電離室對(duì)于測(cè)量重離子有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：1）由于重離子有高的比電離，因此信號(hào)噪聲比不會(huì)成為問題；2）電離室中工作氣體非常均勻，因此在作為很薄的E探測(cè)器時(shí)，有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)（相對(duì)于固體探測(cè)器）；3）只需簡單地改變工作氣壓（相應(yīng)改變工作電壓），探測(cè)器的靈敏厚度就能得到改變，易于滿足實(shí)驗(yàn)條件（相對(duì)于固體探測(cè)器） ；4）靈敏面積可以做得很大，目前已經(jīng)做到幾百平方厘米（相對(duì)于固體探測(cè)

7、器） ；5）可用多種較為簡便的方法獲得入射粒子的位置信息；6）電離室因工作在無電子放大的電離區(qū)，能量刻度簡單（線性相應(yīng)）；7）可以以流氣的方式工作，不存在輻射損傷的問題；8）無固體探測(cè)器所存在的脈沖高度虧損的問題。4.2.2 正比計(jì)數(shù)器單絲正比計(jì)數(shù)器機(jī) 制典型的單絲正比計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)分布如下圖所示。C為單位徑向長度上的電容當(dāng)原電離電子漂移到場(chǎng)強(qiáng)超過一定的閾值后，其速度高到可以產(chǎn)生二次電離，形成電荷倍增。一個(gè)電子漂移距離 x 所產(chǎn)生的次級(jí)電子數(shù)可用下式來表示式中稱為第一Townsend系數(shù)；P為氣壓，A1和B1為與工作氣體相關(guān)的常數(shù)。E/P的值一般在(300500) V/(cmtorr)，當(dāng)

8、約化場(chǎng)強(qiáng)高到使雪崩放大倍數(shù)達(dá)1000，因空間電荷效應(yīng)就會(huì)使雪崩達(dá)到飽和。工作氣體的選擇對(duì)于工作在正比區(qū)的氣體探測(cè)器，工作氣體的選擇很重要。理想的工作氣體應(yīng)當(dāng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1）對(duì)于給定電壓具有更高的氣體放大倍數(shù)。大的脈沖需要較少的電子學(xué)，而更低的工作電壓則可減小對(duì)電極加高壓所引起的困難。2）對(duì)于在雪崩過程中釋放的光子，具有高的淬滅效率以減小火花放電的幾率。3）對(duì)入射粒子有高的阻止本領(lǐng)，以便得到大的初始電離（原電離）。4）在高強(qiáng)度的入射粒子轟擊下，不出現(xiàn)老化效應(yīng)。基于此要求，通常選擇惰性氣體，如氬氣、氙氣等。入射粒子在其中主要以電離和激發(fā)工作氣體原子損失能量。被激發(fā)的惰性氣體退激發(fā)只有通過發(fā)射

9、光子。對(duì)于Ar原子，其發(fā)射光子的能量為11.6 eV。這一能量是高于金屬原子的電離閾的，如Cu原子的電離閾為7.7 eV。因此這些光子轟擊到探測(cè)器極板或絲上就會(huì)產(chǎn)生電離而造成連續(xù)放電而使探測(cè)器無法正常工作。為解決這一問題，人們?cè)诙栊詺怏w中加入一些稱作“淬滅氣體”的多原子分子，如甲烷(CH4)，來吸收這些退激發(fā)光子。 淬滅氣體分子將所吸收的光子的能量或轉(zhuǎn)換成其振動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)能這些集體運(yùn)動(dòng)能量，或使分子斷裂成原子。例如，通過這些機(jī)制，甲烷可以吸收7.9-14.5 eV范圍內(nèi)的光子。通過加入淬滅氣體，可以使得正比計(jì)數(shù)器正常工作。信號(hào)的形成過程a) 初電離形成，在外加電場(chǎng)作用下電子向陽極漂移，正離子向陰

10、極遷移；b) 當(dāng)電子接近陽極絲附近的高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)時(shí)（約幾個(gè)陽極絲的半徑范圍），電子獲得的能量高到可產(chǎn)生雪崩，同時(shí)向橫向擴(kuò)散；c) 隨著電子向陽極的接近，產(chǎn)生的雪崩電子數(shù)目劇增而形成電子云，同時(shí)形成正離子鞘；d) 電子開始被陽極吸收，陽極絲被電子云和離子鞘所包圍；e) 電子全部被陽極吸收，陽極絲被離子鞘所包圍，同時(shí)正離子向陰極慢慢遷移。多絲正比計(jì)數(shù)器多絲正比計(jì)數(shù)器是Charpak及其合作者于1968年設(shè)計(jì)出來的一種位置探測(cè)器，簡稱MWPC (Multi-Wire Proportional Counter)。因該探測(cè)器在粒子物理實(shí)驗(yàn)研究中的重要作用，Charpak于1992年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。最簡

11、單的MWPC是由兩個(gè)陰極面和位于其中間的一個(gè)陽極絲平面組成的，工作在正比區(qū)，其每一根絲類似于一個(gè)單絲正比計(jì)數(shù)器。下圖為一個(gè)典型的多絲正比計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)示意圖。典型參數(shù)： L = 5 mm d = 1 mm 陽極絲直徑 = 20 m空間分辨： (d = 1 mm, x = 300 m) 位置信息的獲得由陽極絲的信號(hào)直接給出，只能給出一維位置的信息；增加一個(gè)與陽極絲垂直排列的絲平面獲得另一維的位置信息，應(yīng)注意ghost hit問題；選擇高阻材料(如碳絲，2 k/m)制成的陽極絲，每根絲的位置給出一維位置信息，每根絲兩端由電荷分除法讀出，獲得另一維位置的信息；采用延遲時(shí)間差的方法一個(gè)陽極絲平面2個(gè)分條

12、陰極平面MWPC的應(yīng)用一般MWPC用于粒子物理實(shí)驗(yàn)中，用于探測(cè)最小電離粒子的徑跡。此時(shí)，工作氣壓在1個(gè)大氣壓或以上（為了獲得足夠多的初電離電荷以提高探測(cè)效率）。MWPC也用于低能重離子物理中，用來探測(cè)重碎片。此時(shí)一般工作在低氣壓狀態(tài)，工作氣體的壓力一般在幾十個(gè)mb以下。4.2.3 漂移室 (drift chamber)漂移室利用的是電子在恒定電場(chǎng)中的漂移速度的恒定(場(chǎng)強(qiáng)恒定時(shí))來獲得位置信息的一種探測(cè)器。一般與MWPC結(jié)合在一起使用。相對(duì)于二維位置靈敏MWPC，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，電子學(xué)線路少(因而造價(jià)低廉)，定位精度高。下圖給出了一個(gè)漂移室的原理結(jié)構(gòu)示意圖。設(shè)帶電粒子在0時(shí)刻入射到探測(cè)器中，t

13、0時(shí)刻陽極絲產(chǎn)生信號(hào)，已知電子在氣體中的漂移速度為W(t)，則初始電離距陽極絲的距離與電子漂移時(shí)間的關(guān)系為：在均勻電場(chǎng)中，電子的漂移速度W保持恒定，上式變?yōu)椋?S = Wt0因此，通過對(duì)漂移時(shí)間的測(cè)量可以獲得入射粒子的位置信息，通常通過這一方法可得到幾十到幾百m的位置分辨。利用電子漂移速度進(jìn)行定位，其過程可以用輸運(yùn)理論進(jìn)行描述。直觀地理解，顯然定位的精度取決于電子的漂移速度以及電子的漂移路程。那么影響定位精度的主要因素有：1）定時(shí)探測(cè)的精度典型情況下，電子的漂移速度為5 cm/s（Ar+異丁烷混合氣體，refer to A. Breskin et al., Nucl. Instr. & Met

14、hods 124(1975) 189）。假定漂移距離為5 cm，則漂移時(shí)間為1s。通常定時(shí)探測(cè)給出的定時(shí)精度1ns，得到該項(xiàng)的影響0.1%，可忽略不計(jì)。2）電子在氣體中的擴(kuò)散效應(yīng)電子在外加電場(chǎng)中向高電位漂移的過程中，由于與氣體分子的碰撞，必然有向橫向的擴(kuò)散。在80Ar+20%CH4，E/P = 0.15 V/(cmtorr)的典型條件下，有縱向漂移距離與橫向擴(kuò)散距離之比約為1500:18 (refer to A. Clark et al., PEP-4 proposal, 1976)。因此影響也小。3）漂移區(qū)電場(chǎng)的均勻性漂移區(qū)電場(chǎng)的均勻性直接影響著電子在其中的漂移速度。由于電子的漂移速度對(duì)電場(chǎng)

15、的依賴相對(duì)較大，因此如何保證漂移區(qū)電場(chǎng)的均勻性成為決定定位精度的主要因素。下圖給出了兩類典型工作氣體中電子漂移速度對(duì)場(chǎng)強(qiáng)的依賴關(guān)系。4）外加磁場(chǎng)的影響（在粒子物理探測(cè)中，漂移室通常放置在磁場(chǎng)中）主要影響電子的橫向漂移。在與外加磁場(chǎng)同向的方向上，電子的擴(kuò)散速度不受影響；在與外加磁場(chǎng)垂直的方向上，電子的擴(kuò)散速度因受磁場(chǎng)的約束會(huì)變?。ㄑ剡\(yùn)動(dòng)方向作圓周運(yùn)動(dòng)，螺旋線）。Ar+CH4Ar+i-C4H10舉例：CLEO II漂移室更多例子，請(qǐng)參見謝一崗等人編著的粒子探測(cè)器與數(shù)據(jù)獲取一書，p.91-132。4.2.4 麥管(straw tube)探測(cè)器麥管也稱“稻草管”，類似于單絲正比室，每根麥管的中心有一根

16、陽極絲，陰極由鍍鋁mylar膜制成的圓筒，工作在正比區(qū)。下圖給出了一根麥管的示意圖。麥管探測(cè)器是由麥管組成的陣列來對(duì)粒子的位置進(jìn)行測(cè)量。是粒子物理中常用的位置探測(cè)器。典型地，陽極絲用直徑幾十m的鍍金鎢絲，陰極為幾十m的鍍鋁mylar膜，麥管的直徑一般選在幾個(gè) mm。實(shí)際應(yīng)用中，右圖及下一頁給出了兩種常用的排列方式。麥管探測(cè)器的特點(diǎn)：1）相對(duì)于多絲正比室，易于操作和運(yùn)行。如：出現(xiàn)一根陽極絲斷裂，不會(huì)影響其它單元。2）相對(duì)于多絲正比室，噪聲要小些，由于每根麥管自身是屏蔽的，其它陽極絲出現(xiàn)噪聲問題，相互之間不產(chǎn)生影響。3）作為管壁的材料很薄，輻射長度小，對(duì)被探測(cè)粒子的影響小。一般，麥管探測(cè)器可獲得的

17、位置分辨在100 m左右。探測(cè)器的死時(shí)間在幾十個(gè)ns的量級(jí)。麥管探測(cè)器給不出高分辨率的能量測(cè)量。4.2.5 PPAC (Parallel Plate Avalanche Counter)PPAC稱為平行板雪崩計(jì)數(shù)器，是由兩個(gè)平行的電極板間加上高電壓使得帶電粒子在其工作氣體中產(chǎn)生的初電離電子可以獲得足夠高的動(dòng)能產(chǎn)生次級(jí)電離而形成雪崩（即電荷放大）。PPAC工作在正比區(qū)，常用于重離子探測(cè)中的時(shí)間和位置測(cè)量。與正比計(jì)數(shù)器不同的是，正比計(jì)數(shù)器的雪崩過程僅發(fā)生在幾個(gè)陽極絲的直徑范圍內(nèi)，而PPAC電極板間的所有空間產(chǎn)生的電離電子均會(huì)發(fā)生雪崩過程。因此，在相同的壓力下充有相同的工作氣體，PPAC電極間的電壓

18、要遠(yuǎn)高于正比計(jì)數(shù)器。一般PPAC工作在約化場(chǎng)強(qiáng)E/P= (300500)V/(cmtorr)。為了易于實(shí)現(xiàn)這一條件，通常PPAC工作的氣壓在10 torr左右，并且兩平行極板間的距離在幾個(gè)mm。時(shí)間測(cè)量的精度決定于兩個(gè)因素：1）粒子經(jīng)過探測(cè)器到信號(hào)引出之間的時(shí)間差要?。◤亩箅姾奢d體產(chǎn)生的時(shí)間和電荷載體收集的時(shí)間短）；2）信號(hào)的上升時(shí)間tr要快，信號(hào)噪聲比S/N要好。這兩個(gè)量對(duì)時(shí)間測(cè)量精度的影響可用下式聯(lián)系起來： t = tr / (S/N)PPAC的工作過程依然使用Townsend雪崩關(guān)系來描述，即：式中，N0為初始電子數(shù)目，x為電子的漂移路程，稱為第一Townsend系數(shù)，N為次級(jí)電子的

19、數(shù)目。由上式，可以得到，大部分次級(jí)電子產(chǎn)生在距陽極1/的距離。因此，電子通過最后1/距離的時(shí)間T可以近似看成電子成分形成的信號(hào)的上升時(shí)間，有：式中，為電子的漂移速度，隨約化場(chǎng)強(qiáng)變化。假定 = 5 cm/s， = 100 cm1，可以得到T = 2 ns。PPAC的特點(diǎn)：1）可承受高計(jì)數(shù)率（相對(duì)地）；2）探測(cè)效率高；3）工藝簡單，造價(jià)低；4）對(duì)輻射損傷不靈敏。PPAC舉例： 雙陰極雙維位置靈敏PPAC（王猛等人研制）在RIBLL上測(cè)量得到的束流剖面用源在探測(cè)器前加光欄測(cè)量得到的位置譜 多極板雙維位置靈敏PPAC（胡正國等人研制）時(shí)間常數(shù)/s位置分辨/mm(fwhm)0.50.551.00.582

20、.00.633.00.646.01.04工作氣壓/mb探測(cè)效率/2.099.24.099.36.599.29.599.415.099.3用源在探測(cè)器前加光欄測(cè)量得到的位置譜4.2.6 RPC (Resistive Plate Counter)RPC即“電阻板計(jì)數(shù)器”，是一種粒子物理中給出高的時(shí)間分辨的氣體探測(cè)器，用于測(cè)量粒子的飛行時(shí)間。RPC出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，其結(jié)構(gòu)非常簡單，2塊平行電阻板電極間加高壓，中間是2mm氣隙形成強(qiáng)電場(chǎng)。早期的RPC工作在流光模式，電阻板的阻抗可以限制流光的強(qiáng)度。但是由于流光信號(hào)對(duì)電阻板充電，導(dǎo)致氣隙間電場(chǎng)強(qiáng)度下降，使RPC的探測(cè)效率隨入射粒子計(jì)數(shù)率的增加而迅速

21、降低。例：Working Gas: C2F4H2 + few % isobutane Time dispersion: 12 nsRate capability: 1 kHz/cm2(refer to A. Di Ciaccio, N.I.M. A 384 (1996) 222)下圖給出了一個(gè)簡單結(jié)構(gòu)的RPC實(shí)例 (Refer to S. Ganter et al., Nucl. Instr. and Meth. In Phys. Res. A 414(1998) 182 )?？偯娣e：12 m2；144個(gè)銅讀出pad，每個(gè)尺寸1212 cm2；電極材料為2 mm厚的酚醛塑料，體電阻率為1012

22、 /cm，工作在“流光”模式。選擇合適的工作氣體，上述構(gòu)型下，對(duì)MIP的探測(cè)效率可達(dá)90，時(shí)間分辨約為1.5 ns ()。問題：時(shí)間分辨不高！提高時(shí)間分辨減小氣隙初電離減少降低探測(cè)效率，影響時(shí)間分辨 需要改進(jìn)：MRPC = Multi-gap Resistive Plate Counter為了使RPC能夠運(yùn)行在高計(jì)數(shù)率下，并同時(shí)獲得高的時(shí)間分辨能力，1）讓RPC運(yùn)行在雪崩模式下；2）為了防止流光的發(fā)生，采用含氟的負(fù)電性氣體，如氟利昂、SF6等。就氣體探測(cè)器而言，減小室的氣隙，可以減小原初電離位置的影響，提高時(shí)間分辨。但是減小氣隙，使原初電離對(duì)數(shù)目和電子的漂移距離減小，探測(cè)器輸出的感應(yīng)電荷信號(hào)減小。以大面積的RPC為例，氣隙減小到1mm，對(duì)最小電離粒子時(shí)間分辨為1-2ns， 其輸出電荷僅有1-10fc，而10fc是快電子學(xué)可測(cè)量的下限。為了解決這一困難，發(fā)展了多層相距小間隙的高阻材料極板組成的探測(cè)器，這種構(gòu)型的RPC稱為MRPC 。MRPC的工作原理圖