核与粒子物理实验方法4-1气体探测器课件

1、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以气体为探测介质的粒子探测器，其机理为：4.2 气体探测器接地信号引出RVC0入射粒子充有工作气体 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。 电离区：收集所有初始电离电荷，复合损失可以忽略不计，且无电荷放大效应。

2、正比区：随电压的升高，达某一阈值后，次级电子在外加电场中获得的能量高到可使气体分子电离，电荷放大效应开始(即雪崩开始) ，但总电荷数依然近似正比于初电离数。在此区间气体放大倍数约104105。 有限正比区：进一步升高电压，增益继续升高(108)，但空间电荷造成的电场畸变也越来越严重，收集的电荷量与原初电离关系变弱乃至失去。 盖革区：增益达到T+V(t) 由于电子的收集时间在s量级，而正离子的收集时间在ms量级，因此，在电子收集的时间内，可认为正离子基本是不动的。为提高计数率，可通过设置电荷收集的时间常数，消除正离子产生的慢上升时间成分。 在这种构型下，V(t)在与N0相关的同时，与初始电离产生

3、的位置x0也相关。要实现能量测量，必须克服这一困难。接地信号引出RVC0入射粒子 0 x0阴极阳极d电离区参见三校合编原子核物理实验方法p75-76屏栅电离室 为了解决，V(t) 与初始电离产生的位置x0相关的问题，人们在电离室的阴阳极之间接近阳极的位置加入一层由金属丝组成的平面（称作Frisch栅），以屏蔽在电荷漂移过程中在阳极上感应出信号。只有当电子穿过Frisch栅后，才在阳极上给出信号，这样V(t)公式中的d对所有入射粒子均是相等的，从而避免了信号与入射粒子位置相关的问题。接地信号引出RVC0入射粒子 0 x0Frisch栅CathodeAnodeFrisch gridE1E2ER 另

4、外，设计不同结构的电离室阳极还可以得到其他一些附加信息。如：将电离室的阳极分成沿入射粒子方向进行分段，可以在获得总能量的同时，得到能量损失信息从而可以用E-E方法进行粒子鉴别；将阳极分成沿入射粒子方向的放射状的条，可同时获得入射粒子角度的信息；等等。举例1一个双阳极(共阴极)横向电离室，距反应靶1 m处放置时张角为22，张角为7，深度为800 mm。工作气体为P10 (10%CH4+90%Ar)。相对能量分辨1%， 角分辨为0.1 ， 角分辨为0.02 。纵向电场电离室粒子入射的方向与电场的方向相同，且工作在电离区的电离室称为纵向电场电离室。0V 100V 350V 100V 0V 100V

5、350V 100V 0V+Vexaa举例2有效面积100 mm100 mm。在100 mb的P10工作气体下，坪区长度为700 V。对244Cm 粒子，在第4片阳极对应的灵敏区域，能量损失为1.30 MeV，能量分辨41.1 keV (fwhm)，相对能量分辨3.16。讨论1在气体探测的使用和讨论中，常用约化场强的概念，即灵敏区中电场强度E与工作气压P之比E/P。常用单位为V/(cmtorr)，国际单位为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 大气压 = 101325 Pa = 760 torr =760 mmHg气体电离室通常工作在约化场强为(0.110)V/(cmtorr)的范围内(在介绍漂移室时还有讨论)。讨论2气体电离室对于测量重离子有其独特的优势：1）由于重离子有高的比电离，因此信号噪声比不会成为问题；2）电离室中工作气体非常均匀，因此在作为很薄的E探测器时，有其独到的优势（相对于固体探测器）；3）只需简单地改变工作气压（相应改变工作电压），探测器的灵敏厚度就能得到改变，易于满足实验条件（相对于固体探测器） ；4）灵敏面积可以做得很大，目前已经做到几百平方厘米（相对于固体探测

7、器） ；5）可用多种较为简便的方法获得入射粒子的位置信息；6）电离室因工作在无电子放大的电离区，能量刻度简单（线性相应）；7）可以以流气的方式工作，不存在辐射损伤的问题；8）无固体探测器所存在的脉冲高度亏损的问题。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。C为单位径向长度上的电容当原电离电子漂移到场强超过一定的阈值后，其速度高到可以产生二次电离，形成电荷倍增。一个电子漂移距离 x 所产生的次级电子数可用下式来表示式中称为第一Townsend系数；P为气压，A1和B1为与工作气体相关的常数。E/P的值一般在(300500) V/(cmtorr)，当

8、约化场强高到使雪崩放大倍数达1000，因空间电荷效应就会使雪崩达到饱和。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

9、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a) 初电离形成，在外加电场作用下电子向阳极漂移，正离子向阴

10、极迁移；b) 当电子接近阳极丝附近的高场强区时（约几个阳极丝的半径范围），电子获得的能量高到可产生雪崩，同时向横向扩散；c) 随着电子向阳极的接近，产生的雪崩电子数目剧增而形成电子云，同时形成正离子鞘；d) 电子开始被阳极吸收，阳极丝被电子云和离子鞘所包围；e) 电子全部被阳极吸收，阳极丝被离子鞘所包围，同时正离子向阴极慢慢迁移。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

11、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。典型参数： L = 5 mm d = 1 mm 阳极丝直径 = 20 m空间分辨： (d = 1 mm, x = 300 m) 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

12、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。设带电粒子在0时刻入射到探测器中，t

13、0时刻阳极丝产生信号，已知电子在气体中的漂移速度为W(t)，则初始电离距阳极丝的距离与电子漂移时间的关系为：在均匀电场中，电子的漂移速度W保持恒定，上式变为： S = Wt0因此，通过对漂移时间的测量可以获得入射粒子的位置信息，通常通过这一方法可得到几十到几百m的位置分辨。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. & Met

14、hods 124(1975) 189）。假定漂移距离为5 cm，则漂移时间为1s。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80Ar+20%CH4，E/P = 0.15 V/(cmtorr)的典型条件下，有纵向漂移距离与横向扩散距离之比约为1500:18 (refer to A. Clark et al., PEP-4 proposal, 1976)。因此影响也小。3）漂移区电场的均匀性漂移区电场的均匀性直接影响着电子在其中的漂移速度。由于电子的漂移速度对电场

15、的依赖相对较大，因此如何保证漂移区电场的均匀性成为决定定位精度的主要因素。下图给出了两类典型工作气体中电子漂移速度对场强的依赖关系。4）外加磁场的影响（在粒子物理探测中，漂移室通常放置在磁场中）主要影响电子的横向漂移。在与外加磁场同向的方向上，电子的扩散速度不受影响；在与外加磁场垂直的方向上，电子的扩散速度因受磁场的约束会变小（沿运动方向作圆周运动，螺旋线）。Ar+CH4Ar+i-C4H10举例：CLEO II漂移室更多例子，请参见谢一岗等人编著的粒子探测器与数据获取一书，p.91-132。4.2.4 麦管(straw tube)探测器麦管也称“稻草管”，类似于单丝正比室，每根麦管的中心有一根

16、阳极丝，阴极由镀铝mylar膜制成的圆筒，工作在正比区。下图给出了一根麦管的示意图。麦管探测器是由麦管组成的阵列来对粒子的位置进行测量。是粒子物理中常用的位置探测器。典型地，阳极丝用直径几十m的镀金钨丝，阴极为几十m的镀铝mylar膜，麦管的直径一般选在几个 mm。实际应用中，右图及下一页给出了两种常用的排列方式。麦管探测器的特点：1）相对于多丝正比室，易于操作和运行。如：出现一根阳极丝断裂，不会影响其它单元。2）相对于多丝正比室，噪声要小些，由于每根麦管自身是屏蔽的，其它阳极丝出现噪声问题，相互之间不产生影响。3）作为管壁的材料很薄，辐射长度小，对被探测粒子的影响小。一般，麦管探测器可获得的

17、位置分辨在100 m左右。探测器的死时间在几十个ns的量级。麦管探测器给不出高分辨率的能量测量。4.2.5 PPAC (Parallel Plate Avalanche Counter)PPAC称为平行板雪崩计数器，是由两个平行的电极板间加上高电压使得带电粒子在其工作气体中产生的初电离电子可以获得足够高的动能产生次级电离而形成雪崩（即电荷放大）。PPAC工作在正比区，常用于重离子探测中的时间和位置测量。与正比计数器不同的是，正比计数器的雪崩过程仅发生在几个阳极丝的直径范围内，而PPAC电极板间的所有空间产生的电离电子均会发生雪崩过程。因此，在相同的压力下充有相同的工作气体，PPAC电极间的电压

18、要远高于正比计数器。一般PPAC工作在约化场强E/P= (300500)V/(cmtorr)。为了易于实现这一条件，通常PPAC工作的气压在10 torr左右，并且两平行极板间的距离在几个mm。时间测量的精度决定于两个因素：1）粒子经过探测器到信号引出之间的时间差要小（从而要求电荷载体产生的时间和电荷载体收集的时间短）；2）信号的上升时间tr要快，信号噪声比S/N要好。这两个量对时间测量精度的影响可用下式联系起来： t = tr / (S/N)PPAC的工作过程依然使用Townsend雪崩关系来描述，即：式中，N0为初始电子数目，x为电子的漂移路程，称为第一Townsend系数，N为次级电子的

19、数目。由上式，可以得到，大部分次级电子产生在距阳极1/的距离。因此，电子通过最后1/距离的时间T可以近似看成电子成分形成的信号的上升时间，有：式中，为电子的漂移速度，随约化场强变化。假定 = 5 cm/s， = 100 cm1，可以得到T = 2 ns。PPAC的特点：1）可承受高计数率（相对地）；2）探测效率高；3）工艺简单，造价低；4）对辐射损伤不灵敏。PPAC举例： 双阴极双维位置灵敏PPAC（王猛等人研制）在RIBLL上测量得到的束流剖面用源在探测器前加光栏测量得到的位置谱 多极板双维位置灵敏PPAC（胡正国等人研制）时间常数/s位置分辨/mm(fwhm)0.50.551.00.582

20、.00.633.00.646.01.04工作气压/mb探测效率/2.099.24.099.36.599.29.599.415.099.3用源在探测器前加光栏测量得到的位置谱4.2.6 RPC (Resistive Plate Counter)RPC即“电阻板计数器”，是一种粒子物理中给出高的时间分辨的气体探测器，用于测量粒子的飞行时间。RPC出现于20世纪80年代，其结构非常简单，2块平行电阻板电极间加高压，中间是2mm气隙形成强电场。早期的RPC工作在流光模式，电阻板的阻抗可以限制流光的强度。但是由于流光信号对电阻板充电，导致气隙间电场强度下降，使RPC的探测效率随入射粒子计数率的增加而迅速

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)下图给出了一个简单结构的RPC实例 (Refer to S. Ganter et al., Nucl. Instr. and Meth. In Phys. Res. A 414(1998) 182 )。总面积：12 m2；144个铜读出pad，每个尺寸1212 cm2；电极材料为2 mm厚的酚醛塑料，体电阻率为1012

22、 /cm，工作在“流光”模式。选择合适的工作气体，上述构型下，对MIP的探测效率可达90，时间分辨约为1.5 ns ()。问题：时间分辨不高！提高时间分辨减小气隙初电离减少降低探测效率，影响时间分辨 需要改进：MRPC = Multi-gap Resistive Plate Counter为了使RPC能够运行在高计数率下，并同时获得高的时间分辨能力，1）让RPC运行在雪崩模式下；2）为了防止流光的发生，采用含氟的负电性气体，如氟利昂、SF6等。就气体探测器而言，减小室的气隙，可以减小原初电离位置的影响，提高时间分辨。但是减小气隙，使原初电离对数目和电子的漂移距离减小，探测器输出的感应电荷信号减小。以大面积的RPC为例，气隙减小到1mm，对最小电离粒子时间分辨为1-2ns， 其输出电荷仅有1-10fc，而10fc是快电子学可测量的下限。为了解决这一困难，发展了多层相距小间隙的高阻材料极板组成的探测器，这种构型的RPC称为MRPC 。MRPC的工作原理图