说点粒子物理(三) (转载) fft

aif
我不是何足道 2003-07-04 字数 0

人们探测各种粒子, 以便研究它们. 说起来粒子探测器的种类很多,

说点名词来听, 比如盖革(Geiger)计数管, 泡室, 云室, 火花室, 正比

计数器, 漂移室, 契仑科夫探测器, 闪烁体...blahblah...这些好多要

么因为现在已经不大用, 要么太新而自己接触不到, 还有就是自己平时

不用不接触的别的实验常用的探测器, 都不太了解或学了就忘掉了. 还

好, 不是讲给考试委员会听, 所以讲点大而化之的我想就可以了.hoho..

不然也真难讲清楚. 其实那么多的探测器种类, 说到底, 它们的工作都

是基于一个事实上, 就是当这些粒子穿过一定的介质的时候会通过电离

或激发介质的原子或分子来把能量转移给介质.

所谓电离就是外来的能量足够大而是本来束缚在一切的呈中性的电子和

正离子的集团(原子或分子)分解而成为自由电子和正离子. 激发就是原

子或分子都可以处于好多不连续的能量状态上(即所谓能量的量子化),

如果原子或分子吸收了一定的能量, 它就可以"跳"到更高的能量状态,

就是激发. 当它再从高能量"掉"到低能量状态, 这相差的能量就会以光

子或别的形式表现出来.

给大家举个探测器的例子, 说说漂移室和闪烁体.

闪烁体最常用是无机的单晶体物质(比如碘化钠)或有机液体或塑料.

当粒子穿过闪烁体会产生自由电子空穴对或使分子激发而形成激发态,

退激以后发出光子, 这就是为什么叫"闪烁"体了.

关于漂移室, 画个图说:

粒子(径迹)

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/,,,,.

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/,,,,,,.       .表示阳极丝横截面

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/,,,,,,,,.       ,表示电子的漂移路径

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/,,,,,,,,,,.

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漂移室简化了讲, 就是一个密封的盒子, 里面等见距的拉上一排一排的

金属丝. 然后在丝上加上高的正电压, 盒子让它接地, 里面充满特殊的

气体. 以上的图显示的是一排阳极丝作为示意. 当带电的高能粒子穿过

盒子的时候, 会使里面的气体分子或原子电离, 电离出来的电子在阳极

丝平面的电场作用下向阳极丝"漂移". 这时候的电子的数目还不多, 当

电子在电场力作用下加速, 在离丝的距离较近的时候, 电子的能量很高

了, 会在漂移时又进一步使气体分子或原子电离, 电离出的电子又再进

一步产生新的电离..... 于是象雪崩一样, 产生大量的电子漂向阳极丝.

于是阳极丝上接收到这些电子会形成一个电脉冲信号, 把这信号经过放

大以后用专门的电子学仪器处理, 就可以精确获得电子漂到丝的时刻.

再综合电场强度气体性质等等, 就可以对每一根丝推出入射粒子形成最

初电离的地方的点坐标. 多根丝的结果我们就可以得到一系列的点, 从

而获得粒子的径迹. 如果我们将漂移室放在磁场里, 让它与丝的方向平

行, 就可以使带电粒子偏转. 当我们测出粒子径迹, 可以得到它的曲率,

由此推出粒子的动量. 若再测出粒子的速度, 就可以得到粒子的质量,从

而判断粒子的身份. 当然这只是举个例子说明漂移室的一个用途.

最后说一说闪烁体. 如下图.

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_______/____

/      /    /|

/      /光子/ /   光电倍增管   ____

/      /    / /       ____     |    |  电子学系统

/       ~~~~/---------O____)----|    |

/___________/ / 光导             |____|

|___________|/

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/    闪烁体.

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入射粒子

当一个粒子飞来, 穿过闪烁体, 在闪烁体内产生光子, 光子在闪烁体内

多次反射后通过光导送入光电倍增管. 光电倍增管是把光信号通过光电

效应转化为电信号并放大的设备. 光电倍增管把光信号转换以后将放大

了的电信号送入特殊的电子学系统记录电信号的脉冲幅度和到达时间.

所以用闪烁体可以记录粒子的到达时间, 和通过脉冲幅度来判断一次到

达的粒子数目.

这些对加速器实验和探测宇宙线的实验都很有用.

真正做一个实验的时候, 往往是各种探测器组合在一起来实现的,非常庞大.比如说

丁肇中领导的L3实验用的放L3探测器的坑有美国国会大厦高度那么深,

有二艘Sampson级驱逐舰那么重(约4500x2吨), 其制造磁铁用的铁几乎和造一个埃非尔

铁塔一样多, 约6700吨.

牙疼死了, 疼得我把脚都扭了, 今天诊所又不上班, 救命啊~~~

DEP.THU 清华工程物理系