中国粒子探测器不平凡的历程

中国粒子探测器不平凡的历程2020.101内容粒子探测器涉及的领域：宇宙线，天体物理加速器物理国际合作非加速器物理大型设备应用2宇宙线，天体物理

粒子探测器是研究粒子物理的重要工具，是由核探测器发展起来的。它由探测器，电子学和数据获取系统组成。在我国首先从宇宙线探测开始。

1954年在云南落雪山，海拔3222米处建立了我国第一台高山宇宙线站，主要探测器是小云室。开创人是赵忠尧，王凎昌，后张文裕也参加。主要研究课题是奇异粒子和高能核作用。

1965年建成大云室，主要负责人是张文裕，肖健，霍安祥。在其上发现一个重粒子事例。31988年在西藏羊八井建成宇宙线观测站，海拔4300米，是中日意合作项目，使用大面积闪烁计数器阵列（5万平米）及水切伦科夫阵列（4千平米，测量μ），获得了超高能宇宙线膝区特性，高能宇宙线能谱，各向异性以及探测到超高能γ射线（450TeV）等成果。452018年在四川稻城海子山新建一台称为LHAASO的宇宙线观测站。海拨4410米。探测器阵列扩大为；闪烁体阵列1平方公里，水切伦科夫3万平米。今年己部分运行。67天体物理慧眼-硬X射线天文望远镜NaI晶体组成的谱仪，有较好的定位功能。在探测γ暴，脉冲中子星方面取得了成果。8加速器物理

运行在对撞机上的大型探测器通称磁谱仪。在BEPC以前，中国没有粒子加速器，要进行高能物理实验要到国外。

1956—1965中国参加前苏联杜布纳的联合核子研究所，利用10GeV质子回旋加速器做粒子物理实验，但会员费为每年1800万元。9经过不懈的努力，我们终于盼来了机会1984--1988年中国建造第一个高能物理基地--北京正负电子对撞机(BEPC)和北京谱仪(BES)。谱仪是磁谱仪的简称，是对撞机上工作的大型粒子探测器。其重要功能是鉴别、记录和分析对撞机上产生的各种粒子，了解其特性，掌握其相互作用规律。10

鉴别粒子的方法有二：一是测量粒子固有的静止质量；二是区别不同种类粒子所显示的与物质相互作用的不同特性。对前者往往是测量粒子的运动学参量，如能量(E)、动量(p)、速度(v)、洛伦兹因子γ以及单位长度的电离能量损失(dE/dx)等。如已知动量p=m0

vγ，再知道v或γ则可求出粒子的静止质量m0。

11BES就是工作在2-5GeV能区具有较好粒子鉴别等优良性能的磁谱仪。1213141516BESIII最大改进是电磁量能器使用CsI及超导磁铁的使用。当然其他子探测器的性能指标也有改善导致了粒子鉴别能力的提高。17设计指标CsI晶体量能器:E/E~2.5%@1GeV/c主漂移室(MDCIV)：小单元，铝丝和

He基气体

x~130um,

dE/dx/(dE/dx)=6%飞行时间计数器T:桶部100ps；端部110ps

计数器(RPC):读出条宽度：~4cm亮度监测器(LM)L/L=3%超导磁铁：1Tesla,内径1.375m,长3.91m适应多束团、高亮度的触发和

DAQ系统新的电子学读出系统：流水线计算机系统:PCfarm,磁盘阵列和机械手带库的数据管理系统

1819实际指标Exps.MDC

SpatialresolutionMDC

dE/dx

resolutionEMCEnergyresolutionCLEOc110m5%2.2-2.4%Babar125m7%2.67%Belle130m5.6%2.2%BESIII115m<5%(Bhabha)2.4%Exps.TOF

TimeresolutionCDFII100psBelle90psBESIII68ps(BTOF)60ps(ETOF)MUC:Efficiency~96%BGlevel:<0.04Hz/cm2(B-MUC),<0.1Hz/cm2(E-MUC)

近些年高能所提出大型环形正负电子对撞机CEPC，作为未来发展方案。周长100公里，其能量为240-250GeV，可产生大量Higgs粒子，故称Higgs工厂。

由于能量大了50倍，亮度大了30倍，在其上工作的探测器与BESIII大不一样。末态粒子增加了10倍，大量的强子喷注产生。

拟工作在CEPC上的探测器CBD给出可供选择的一个设计。

20未来发展（CEPC）21关键技术硅像素顶点探测器(5微米精度)2.时间投影室

3.量能器系统。高粒度量能器，其读出道数最高接近一亿。超高的像素带来了探测器技术方面的挑战。

4.强磁场对电子学，数据获取带来了挑战。22未来发展（T-C工厂）

能量为2-5GeV，有更高量度的对撞机和探测器称为τ-c工厂，即产生大量的τ和charm粒子的设备。采用了最先进的子探测器，具有极佳的粒子分辨本领和极强的快速记录和数据获取能力。正在酝酿的一个方案：

工作在2-8GeV,亮度比BEPCII大100倍

下面是一个探测器设计方案。23MDCPXD/SSDPID-barrelPID-endcapEMCSuperconductingmagnet(0.7-1T)York/MuonYork/MuonIP3~6cm10cm15cm85cm105cm135cm185cm245cm120cm140cm190cm240cm300cm2024国际合作

上世纪70年代末，一大批中国学者到美国、欧洲、日本、加拿大学习高能物理。第一批是到德国丁肇中的MarkJ

合作组，到美国FNL的莫玮合作组。然后高能所与各大学陆续派人到美国的FNL，SLAC,BNL等国家实验室以及欧洲的CERN,日本的KEK,加拿大的高能加速器实验室工作，学习。学习了粒子实验物理，包括先进的探测器、电子学、数据获取和分析等技术。25

这对促进国内粒子探测器发展起到了至关重要的作用。当前工作在LHC上的四台探测器代表了粒子物理实验技术的高水平。262728CMS2930ATLAS31

粒子谱仪是由各种子探测器组成。其组合原则立足于物理目标的需求。一个好磁谱仪的标准是有优良的粒子分辨本领以及优良的能量分辩、动量分辩等性能，有耐受高亮度的能力，有快速数据获取和分析的能力。为此要求子探测器性能良好，抗辐照水平强，使用寿命较长，有好的性能价格比。子探测器的选取和搭配反映了设计水平的高下。32

近十多年来粒子探测技术发展日新月益，新原理，新结构，新方法，新材料层出不穷。特别在气体探测器领域不断有新的进展，新的应用前景，成为粒子探测器中引人注目的新星，引起了我国从事探测技术、电子学、数据获取的专家、学者充分关注，并紧跟这一领域的发展，获得了一批创新成果。在历次全国先进气体探测器年会上进行了研讨，交流创新成果，颇有成效。33非加速器物理

1.中微子物理2.暗物质寻找3.无中微子双β衰变341.中微子物理在上世纪80年代，梅镇岳，赵政国进行了电子中微子质量测量实验90年代，李金参与了中微子实验的合作研究大亚湾中微子实验利用当地反应堆功率大的优势，测量电子中微子振荡，得到ϴ13值。中微子探测原理：35使用掺Gd的液闪和一般的液闪各20t200个光电倍增管近区四个，远区四个这样的模块。36探测器模块37

发现了一种新的中微子振荡模式，信号显著性为5.2倍的标准偏差，测量了Sin2ϴ13，得到

ϴ

13=8.8+-0.8度

(2012年值，现在还有改进)38江门中微子实验距阳江和台山反应堆53公里，位于地下700米。实验目标确定中微子质量顺序，精确测量4个混合参数等。2019年7月开凿地下实验室。2021年建成。3940

锦屏山下2400米超低本底中微子实验由清华大学率头，建成一吨液闪探测器，已运行。利用两年的数据，研究了在慢液体闪烁体区分切伦科夫光快分量和闪烁体慢分量，目前正在开展宇宙线通量、放射性本底铀、钍衰变链测量研究。拟开展百吨探测器的建设。一方面开展太阳中微子与地球中微子研究，另一方面，为千吨级探测器积累经验。41

最终拟建造一个2千吨的液体闪烁探测器，主要测量低能碳-氮-氧循环，太阳中微子和地球中微子。测量精度为10%，可以解决太阳的原始核心金属丰度问题。基于锦屏深度及远离反应堆的优势，可得的低μ子通量大约比格兰萨索LNG实验室小两个数量级，这意味着宇宙线在液体闪烁体诱导产生的碳-11本底产生率可以显著降低。经过多次国际评审，认为这是研究太阳中微子和地球中微子等领域最佳实验地。42432.暗物质寻找锦屏地下CDEX实验清华大学牵头的合作组

2010年开始，使用一公斤级点电极高纯锗探测器单元。2014年得到当时世界最高水平的灵敏度。目前用10公斤点电极高纯锗探测器阵列，拟在大型液氮恒温器内运行。4445

锦屏地下Pandax暗物质实验由上海交大牵头最初用120公斤，后用500公斤级液氙，给出当前世界最高水平的灵敏度。4647悟空号暗物质探测卫星（DAMPE）中科院紫金山天文台牽头，2015年底发射。主要探测宇宙线中正负电子比。首次观察到电子宇宙线的异常波动及大黑洞

CTA102的γ射线暴。4849503.无中微子双β衰变

1987-1990年游科，祝玉灿，郑志鹏，吕军光，叶铭汉，何祚庥，庆承瑞等人在门头沟煤矿井下（512m深）用CaF2晶体开展Ca48无中微子双衰变的研究工作。得到了当时最好的结果:半衰期下限为9.5X10E21年，比以前吴健雄的结果灵敏度提高四倍。文章发表在Phys.Lett.B265,53,1991。这是国内首次在地下低本底实验室做实验，首次进行无中微子双β衰变实验。51

在锦屏地下开展或拟开展无中微子双β衰变研究。如上海交大的高气压或液氙方案，测氙136的双β衰变，清华大学的用浓缩锗76做成的高纯锗探测器测锗76的双β衰变。他们计划实验还同时进行暗物质探测。复旦大学提出用浓缩的钼100制成的高纯钼酸锂晶体测量钼100的双β衰变。52大型设备包括同步辐射散裂中子源1.同步辐射合肥，北京，上海三个光源已运行，高能光源正在建设。出来的光谱分布很广，其中对X光的探测需求很多，有各种各样的X光成像谱仪。。532.散裂中子源2018年我国建成第一台散裂中子源。中子探测成为重要的课题。5455562-Dpositionsensitivedetectorwithtimeresolution57ParameterSpecificationActiveArea200mm*200mmPixelsize1.56mmTimingRe