径迹探测器课件

第八章径迹探测器

中国科学技术大学近代物理系高能物理实验室汪晓莲2006年9月1中国科大汪晓莲§8.1核乳胶§8.2固体径迹室§8.3

气泡室§8.4脉冲径迹室第八章径迹探测器

2006年9月2中国科大汪晓莲电子学计数器通过记录粒子产生的电信号，如计数、幅度、时间、空间位置、脉冲形状等。必须与电子学线路和仪器配套使用的探测器。气体探测器：电离室、正比计数器、G-M计数器半导体探测器：金硅面垒、Si(Li)、Ge(Li)、高纯锗等闪烁计数器：NaI(Tl)、CsI(Tl)、ZnS(Ag)、BGO、PWO、塑料闪烁体、液体闪烁体契仑柯夫计数器：阈式C计数器、微分式C计数器RICH等气体丝室：

多丝正比室、漂移室等2006年9月3中国科大汪晓莲径迹探测器

直接记录粒子走过的径迹来探测粒子或对径迹拍照，再对照片进行分析处理的探测器。如：核乳胶、固体径迹室、云室、气泡室、火化室、流光室等等。－、±、0、＋、K0、反P、0、±、0、－、反0

、反±

等粒子的发现，有11次是利用核乳胶，8次利用了云室，5次利用了气泡室，而只有2次是利用电子学计数器。2006年9月4中国科大汪晓莲§8.1核乳胶

一、工作原理和构成1.组成：核乳胶由银盐颗粒和胶质组成。

溴化银AgBr

大部分常用银盐碘化银AgI

少量银盐颗粒对带电粒子灵敏，而对光几乎不灵敏。胶质：骨胶和明胶2.工作原理：1）核乳胶记录带电粒子的首要条件：形成“潜影”带电粒子与AgBr晶粒作用，使AgBr分子分解成Ag原子和Br原子，在一定条件下，Ag原子聚集成Ag集团，形成可显影的核心“潜影”，经化学显影处理，潜影的晶粒还原成黑色的Ag颗粒，把带电粒子的径迹显示出来。2006年9月5中国科大汪晓莲2）电离测量的依据

形成潜影的几率与入射粒子的电离本领有关，电离本领大，形成潜影多，银颗粒密度大。在电荷一定时，颗粒密度与粒子速度有关。测量径迹的颗粒密度可知粒子速度。3）测量径迹的射程和多次散射

射程

多次散射角根据径迹的长短、弯曲和颗粒的稀密程度来鉴定和测量带电粒子的电荷、质量及动量。

2006年9月6中国科大汪晓莲二、核乳胶的特性乳胶中的AgBr浓度C：3.0-3.2g/cm3AgBr晶粒平均直径d：0.1-0.4mAgBr晶粒对带电粒子的灵敏度P：

定义为带电粒子通过一个晶粒时，在该晶粒中产生潜影的几率。4.一根粒子径迹上平均晶粒密度：

记录电离本领小的粒子选用晶粒较大的乳胶记录电离本领大的粒子选用晶粒较小的乳胶2006年9月7中国科大汪晓莲三、核乳胶的处理与普通乳胶相似，需要经过显影、定影、水洗、浸泡甘油、凉干、清洁等过程，只是显影液、定影液的化学配方及所用时间长短有所不同。2006年9月8中国科大汪晓莲四、核乳胶中径迹的测量1、工具：双目显微镜，M＝100－2000倍2、原理：由射程定粒子能量对其他粒子C为修正系数，对不同乳胶其值不同2006年9月9中国科大汪晓莲3、径迹长度测量方法在显微镜下，只能测量径迹在物镜主焦面上的投影l和垂直分量h。h为什么会变短呢？因为核乳胶中AgBr含量很大，显影定影处理时，大量被溶解掉了。测量处理前后的乳胶厚度，就可得到收缩因子2006年9月10中国科大汪晓莲4、从电离鉴别粒子（一）实验上最长用的方法：测银颗粒密度，即单位长度径迹上银颗粒数目。粒子速度快，电离小，颗粒密度稀；粒子速度慢，电离大，颗粒三三两两挤成小团，形成“块”；粒子速度更低，低能多电荷粒子，径迹基本上是一条黑粗线，无法测量。2006年9月11中国科大汪晓莲4、从电离鉴别粒子（二）用待测粒子X的径迹与已知粒子A的径迹相比较寻找在同一乳胶片中径迹颗粒密度相同的地方：如果两种粒子电荷相同，则

在颗粒密度相同的地方，即速度相同处，测量剩余射程，得到射程比，再得到质量比，继而得到未知粒子质量Mx。2006年9月12中国科大汪晓莲5、从多次散射鉴别粒子带电粒子通过核乳胶时，发生多次散射。多次散射角的水平投影的绝对值平均：

K：散射系数已知入射粒子种类，即已知电荷数z；已知核乳胶厚度t，就可确定入射粒子能量。反之，已知入射粒子能量和乳胶厚度，可确定带电粒子的电荷。2006年9月13中国科大汪晓莲6、从电子密度确定入射粒子电荷在核乳胶的主径迹上的许多小分岔，这就是电子的径迹。理论计算有：能量在E1和

E2之间的电子密度为

z<30时，一般取E1＝10KeV，E2＝30KeV。

实验上选电子射程>1.5m。

讲义213页图8－6给出了n与R的标准曲线，测出粒子径迹某处的电子密度n与R值，由曲线确定其电荷。2006年9月14中国科大汪晓莲§8.2固体径迹室一、发展历史：五十年代末D.A.Young发现某些固体材料被辐射后经化学蚀刻处理后可形成用光学显微镜观测的径迹。E.C.H.Silk等用透射电子显微镜观测到云母片中的核聚变碎片的径迹。1962年P.B.Price等改进化学蚀刻方法获得稳定不变的径迹。1963年R.L.Fleischer等提出玻璃和塑料等人工材料的蚀刻方法，免除天然材料的本底影响。1967年识别固体材料中的核径迹的技术日趋成熟。1975年Fleischer等人对固体径迹探测器作全面小结。1977年开始出版国际性专门学术刊物“NuclearTracks”。1965年国内开始研究，至1982年共有40多家单位参加，出了大量研究成果。2006年9月15中国科大汪晓莲二、使用材料：一片透明的固体即各种绝缘材料。结晶固体：

云母、石英、AgCl、LiF等非结晶固体：各种玻璃聚合物：硝酸纤维、醋酸纤维、聚酯、聚碳酸脂等要求：材料结构均匀，无缺陷，表面无损伤。为便于光学显微镜观测，通常制成透明的薄片。2006年9月16中国科大汪晓莲常用固体径迹室材料的性能材料蚀刻条件Z00云母石英普通玻璃磷酸盐玻璃聚酯(Mylar)聚碳酸脂硝酸纤维醋酸纤维48％HF,230C,3~40分48％HF,230C,300分48％HF,230C,300分48％HF,230C,30分6NNaOH,700C,10分6NNaOH,700C,8分6NNaOH,230C,2~4小时6NNaOH,700C,12分1416161552123041’1602’37021’706’3029’2024’*Z0：可探测粒子的最小电荷数；

0：探测热中子引起235U核裂片的平均临界角。2006年9月17中国科大汪晓莲三、探测原理重带电粒子穿过固体材料时，其电离作用很强，沿其穿过路径造成原子尺度上的辐射损伤，造成位错原子和空穴，或者使分子化学键被打断，形成分子碎块和自由基。经适当处理，会形成可观测的径迹，这就是固体径迹探测器的基本原理。原子序数为Z的快速粒子穿过固体时其轨道电子被剥离成为有效电荷为Z*的离子，有经验公式高速离子与固体原子发生库仑相互作用，使之激发或电离，且均发生在靠近粒子穿过路径附近，造成辐射损伤。2006年9月18中国科大汪晓莲四、化学蚀刻用强酸（HF、H2SO4、

H3PO4等）或强碱（NaOH、KOH等）进行蚀刻，使辐射损伤区由几十埃扩大几千埃，形成蚀坑或孔洞。用显微镜观测孔洞的数目可确定粒子强度和通量。把许多固体径迹探测器摞成一叠，沿粒子穿过的路径有一连串孔洞，即粒子径迹。测量孔洞的参数，可鉴别粒子。径迹孔洞的形状：在云母中：菱形和圆柱形在玻璃中：圆形在聚碳酸脂中：长形2006年9月19中国科大汪晓莲五、径迹特性和测量1.阈特性

实验发现辐射损伤密度J大于某一数值J0时，粒子径迹才能被蚀刻可见。阈值J0只与材料的性质有关，而与入射粒子的种类无关。利用阈特性可选择粒子，可确定粒子电荷数的下限Z02.最大可蚀刻长度Lmax

辐射损伤密度大于阈值的径迹长度。不同粒子在同一种材料中，由于可蚀刻出径迹的速度范围不同，电离损失不同，Lmax也不同。

Lmax与粒子电荷一一对应，测量Lmax，可确定粒子的Z0

。2006年9月20中国科大汪晓莲辐射损伤密度与各种粒子的速度及能量的关系云母中孔洞形状2006年9月21中国科大汪晓莲3.临界角c决定入射粒子径迹能否蚀刻出来的因素之一。要求入射粒子与探测器表面的夹角>c两个作用过程：沿辐射损伤方向,蚀刻速度Vt

沿垂直探测器表面方向,蚀刻速度VsVt2006年9月22中国科大汪晓莲4.蚀刻率和剩余射程蚀刻率：沿径迹方向的蚀刻速度Vt，依赖于材料和蚀刻剂，与辐射损伤密度J有关。只测径迹上一点的蚀刻率，定不出粒子的电荷，因为辐射损伤密度等于某一值有很多曲线，该径迹属于哪一条曲线不能确定。至少测量两个点，求出两点的辐射损伤密度和两点之间距离，通过射程和能量的关系可以确定该径迹属于哪条曲线，从而确定粒子电荷数Z，再从阈曲线求出粒子速度和能量。在实验里，如果粒子停在探测器中，测量径迹上任何一点的Vt和相应的剩余射程R，就可确定粒子的电荷和能量。电荷数和速度相同质量不同的粒子，他们的辐射损伤密度是相同的，但剩余射程不同。质量越大的粒子的剩余射程越长。所以通过测量径迹的蚀刻率相同位置的剩余射程，可分辨具有相同电荷数但质量不同的同位素。2006年9月23中国科大汪晓莲5、探测效率包括固体探测器被辐照时对核径迹的记录效率和化学蚀刻处理中显示径迹的效率－蚀刻效率。记录效率蚀刻效率2006年9月24中国科大汪晓莲小结固体径迹探测器核乳胶对轻粒子不灵敏对轻粒子灵敏对重粒子电荷分辨高对重粒子电荷分辨低径迹可长期保存径迹可保存几个月不用暗室就可蚀刻在暗室中处理阈特性J>J0入射角>0才能形成可蚀刻径迹一根粒子径迹上的平均颗粒密度

主要测量核裂片、重离子、宇宙线、粒子、中子等等，主要用于裂变物理中，研究核反应和核裂变的截面、通量、能谱、半衰期、角分布、新粒子新成分的寻找核测量等等。2006年9月25中国科大汪晓莲应用学科

应用举例化学 各种样品中U,Th,Pu,Li,B,N,O元素的含量和分布测定核物理 研究裂变、重离子核反应，测定复合核寿命等离子体 聚变诊断粒子物理 磁单极子的探索固体物理 中子衍射，固体缺陷的识别，沟道效应和堵塞效应的研究超流动性 研究均匀微孔中超流体的流动膜物理 流体通过微孔的运动宇宙线物理 宇宙线重粒子的识别太阳物理 太阳风的研究，太阳耀斑粒子能谱的测定天体物理 元素起源问题的研究地球物理 大西洋底扩展速度的测定，地层中氢的迁移与地震预报……2006年9月26中国科大汪晓莲§8.3

气泡室气泡室既是靶又是探测器，可拍摄极为清晰的粒子相互作用顶点的立体照片，具有作用顶点清晰，空间分辨本领高，可以选择工作液体等优点，是高能加速器实验常常使用的径迹探测器之一。在强相互作用方面，1958－1965期间，发现28种共振态，其中大多数是用气泡室发现的。如：1959年，王淦昌先生领导的小组用24升丙烷泡室发现超子；1960年美国用15英寸H气泡室发现（1385）；1961年用72英寸H气泡室发现介子。在弱相互作用方面主要研究奇异粒子的衰变性质。如超子的衰变，中微子的研究等等。电磁相互作用的研究。2006年9月27中国科大汪晓莲气泡室BubbleChamber

D.Glaser(1960NobelPrize).

1968,AlvarezwonNobelforusingH2bubblechamberdiscoverresonanses.2006年9月28中国科大汪晓莲一、气泡室的工作原理在容器内充以一定温度和压力的某种液体，使容器突然膨胀，降低压力，液体就处于过热状态。如这时有带电粒子穿过液体，在粒子经过的路径上，就会引起液体电离。邻近的离子汇聚到一起形成离子集团，成为汽化中心。围绕这些汽化中心逐渐形成一串胚胎气泡，在适当的过热条件下，胚胎气泡增长到肉眼可见的大小，拍照记录。粒子径迹是由一串气泡组成，这就是气泡室名称的由来。产生径迹的条件：工作液体处于过热状态两个过程：液体电离形成胚胎气泡胚胎气泡长大到肉眼可见2006年9月29中国科大汪晓莲二、气泡室工作过程使用绝热膨胀法得到过热液体将充了液体的气泡室加热或冷却（H泡室）到工作温度T0,T0>Tb(液体沸点温度）。推动活塞或橡皮膜压缩气体，使室内气相部分完全消失，液体压力为工作压力P0,P0>P(饱和蒸汽压力）。活塞突然膨胀，液体压力由P0降到Pe(膨胀压力）液体达到过热状态。Pe<P,P-Pe表示液体的过热程度，称为过热度。带电粒子入射，液体原子电离——离子团——汽化中心——胚胎气泡——气泡长大——长大到可见大小——闪光照相。卷过一张底片，活塞重新压缩液体到初始状态，准备下一次循环。2006年9月30中国科大汪晓莲气泡在液体中平衡饱和蒸汽压力膨胀压力表面张力2006年9月31中国科大汪晓莲三、气泡室的特性1.灵敏度：当液体处于过热状态，带电粒子穿过并能形成径迹，则称该气泡室对该粒子是灵敏的。用单位长度上气泡的数目，即粒子径迹的电离密度来表示气泡室的灵敏度。灵敏度要求选取合适。太灵敏了，粒子没有通过就出现雾状本底，即寄生气泡；太不灵敏，粒子通过也形成不了径迹。取决于液体的过热度。2.灵敏时间t：能使带电粒子形成径迹的时间。金属室为ms量级，玻璃室为1分钟。除与室的清洁度、光洁度和液体的纯度有关以外，还与工作温度和膨胀压力有关。适当选择T0和Pe，可以提供室的灵敏度。

2006年9月32中国科大汪晓莲三、气泡室的特性3.气泡成长时间：

一般在0.5-4ms之间，取决于气泡成长速度，即取决于液体过热度。由热传导理论求得：

=r2，这里是与过热度、热传导率、汽化热等有关的系数

通常把气泡成长时间当作带电粒子进入气泡室形成可见径迹，闪光拍照所需要的时间，即闪光延迟时间。4.工作循环时间T：

几百ms-几秒，快循环室几十ms。指气泡室从膨胀开始到恢复至膨胀前状态所需要的时间。与膨胀速度、充气速度、室的结构大小等因素有关。2006年9月33中国科大汪晓莲四、气泡室工作条件的选择1、工作温度T0：

Tb<

T0<Tc

Tb沸点温度，

Tc：临界温度。实验表明温度接近Tb时很难实现过热状态；而接近Tc时过热状态不稳定，很容易汽化，膨胀后产生大量雾状气泡。实际工作温度只能选择在灵敏区的平均部位。活塞膨胀P0Pe，液体过热；Ps=P

-Pe

过热压力；Ts=T0–Te过热温度，表示液体的过热度。过热度越大，径迹气泡密度越大，实际上压力必须降到超过曲线B，才能使粒子穿过液体产生气泡。B为临界过热曲线，在一定T0下只有P

-Pe

落在灵敏区内才能形成径迹。

2006年9月34中国科大汪晓莲四、气泡室工作条件的选择2、工作压力P0：由工作循环时间T要求决定。P0大，T小。P0大，加快压缩过程，使径迹气泡、寄生气泡很快被消灭。C3H8气泡室 P0比P大5－15个大气压H2气泡室 P0比P大1.5－2个大气压3、膨胀压力Pe

：由灵敏度要求而定。Pe大对快速的相对论粒子不灵敏。C3H8气泡室 Pe比P小5－15个大气压H2气泡室 Pe比P小1.5－2个大气压2006年9月35中国科大汪晓莲四、气泡室工作条件的选择4、膨胀时间te：压力从P0降到Pe所需的时间，由灵敏时间和压力传递时间决定。考虑减小寄生沸腾，te应越小越好，灵敏时间决定了te的上限。考虑压力传递需要一定的时间，它决定了te的下限。一般取te比压力传递时间大若干倍，以保证整个室的液体具有均匀的过热度和避免由于膨胀过快造成液体湍动。如H2泡室te<2倍灵敏时间~20ms(上限)，室深度为40cm压力从活塞面到玻璃窗面的传递时间约0.4ms，下限取10倍，即4ms左右。2006年9月36中国科大汪晓莲四、气泡室工作条件的选择5、膨胀比：

定义为膨胀体积与膨胀前总体积之比。不够大，气泡室不灵敏；过大，寄生气泡急剧增加。工作液体压缩率估算下限如液H泡室，实验表明，>0.9%，寄生气泡急剧增加。C3H8气泡室： ~2-3%H2气泡室： ~0.5-0.9%体积膨胀的体积2006年9月37中国科大汪晓莲五、气泡室的种类1、工作液体既是靶又是探测器，作用顶点清晰，空间分辨高。几种气泡室工作液体的主要参数名称氢氘氖氦丙烷氟利昂13氢氖混合液体分子式H2D2NeHeC3H8CF3BrH2-Ne密度(g/cm3)0.060.141.200.120.441.500.41X0(cm)9909002474512011740(cm)6833225439613449155工作温度(K)2631364.2332283012006年9月38中国科大汪晓莲2、快循环气泡室膨胀频率大于每秒钟10次的氢气泡室，提高探测效率。但其收集数据的效率只有电子学探测器的十万分之一。3、气泡室混合谱仪气泡室＋各种电子学探测器气泡室给出清晰的作用顶点电子学探测器：闪烁计数器，C计数器，MWPC、DC等，确定入射气泡室和出射气泡室的粒子的空间位置、角度、动量、速度等等。显著提高数据率。2006年9月39中国科大汪晓莲4、径迹灵敏靶室径迹灵敏靶室把充氢或氘的透明容器，放在氢氖混合气泡室内，两者可同时达到灵敏。入射粒子与质子靶作用，形成清晰的作用顶点，次级粒子0、0等中性粒子穿过容器壁衰变为光子，在氢氖混合液体中转换为正负电子对，给出其径迹。仅用氢气泡室为什么不能？因为氢的辐射长度X0=887cm，不能有效探测02过程。2006年9月40中国科大汪晓莲小结气泡室既是靶又是探测器，具有作用顶点清晰、空间分辨高、可以选择工作液体等一系列的优点，可以研究强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用，因而在高能物理实验研究中占有重要的地位。世界上许多著名的大气泡室在探索微观物质结构的征途上各显神通，新出现的变化万千的混合泡室也初露头角。混合谱仪的气泡室尺寸可以较小，但与电子学探测器混合使用却能起大型气泡室的作用，兼有径迹探测器和电子学探测器的优点。气泡室实验数据由照片上径迹得到，自动化测量扫描设备是气泡室研制的一个主要组成部分。2006年9月41中国科大汪晓莲§8.4

脉冲径迹室一、气体火花放电机制火花室、流光室和闪光管工作在放电区，放电区细分为诱导放电区和自激放电区。诱导放电区：带电粒子入射后使气体电离－雪崩－放电。自激放电区：因电压更高，气体被击穿，产生打火放电。三种探测器的气体放电机制相同，区别在于火花室把放电过程限制在火花形成阶段，流光室把放电过程限制在雪崩或流光形成阶段，这种差别通过电极间外加不同高压来控制。脉冲径迹室的电场强度E~10-20KV/cm，电子漂移很小距离就发生电子雪崩，形成雪崩锥。2006年9月42中国科大汪晓莲二、雪崩－流光－火花形成过程一个电子沿雪崩方向移动x距离后产生雪崩电子数

E大大，能产生雪崩电子数越多。雪崩锥内部空间电荷形成的电场与外电场方向相反，总电场强度降低；雪崩锥两端空间电荷电场与外电场方向一致，总电场强度增高。2006年9月43中国科大汪晓莲n~106空间电荷的影响使雪崩速度减慢；当n~108

时，EEr，E2=0，雪崩中心部位出现零电场，雪崩停止，电子和正离子复合，各向同性地放出光子。光子在雪崩锥周围的气体中打出许多光电子，在电场作用下再次引起雪崩。由于空间电荷效应雪崩锥头尾电场较高，新的雪崩在头尾迅速发展，与原雪崩锥首尾相连形成雪崩串。雪崩串发出大量的光子形成流光，雪崩串不断向两个电极发展。最后在两个电极之间形成高度电离的等离子体导电通路，电极通过通路产生火花放电。若在雪崩串使电极沟通之前就使雪崩串的发展中止，在初始电子附近形成具有一定长度的流光带。2006年9月44中国科大汪晓莲a.种子电子和正离子的产生 b.电子雪崩的形成c.雪崩发展到Er＝E的临界大小时各向同性的发射光子d.在初始雪崩的头尾光电子发展成新的雪崩e.流光形成 f.火花形成2006年9月45中国科大汪晓莲三、脉冲径迹室的结构1、火花室：分为平行板型和圆筒型，常用的是多板火花室。由若干平行金属板（Fe或Al）电极组成，电极彼此绝缘，极间距3－10mm，充以惰性气体或它们的混合气体。也可用金属丝