粒子探测技术

粒子探测技术期末总复习2011.122020/1/19粒子探测2第一章粒子简介•原子、原子核、核子、电子、夸克的大小•基本粒子图–强子–轻子–场粒子–四种相互作用力•常见粒子：电子、重带电粒子、γ和ｘ射线、中子、重离子•粒子寿命•核衰变2020/1/19粒子探测3第二章粒子探测的物理基础重点：各种粒子与物质相互作用的基本规律各种粒子探测的基本原理1.微观粒子：•带电粒子：e、α、p、高能带电粒子•中性粒子：n•电磁辐射：x、2.带电粒子和物质的相互作用：•电离激发效应•Cerenkov效应•轫致辐射•多次散射•穿越辐射2020/1/19粒子探测4•有关概念：电离激发，特征x射线，俄歇效应，电子多次散射，电离损失，轫致辐射，同步辐射，穿越辐射，Cerenkov辐射，临界能量，最小电离粒子，电子，电磁簇射，强子簇射，辐射长度x0，核作用长度lI，α衰变，衰变（+，-，EC），射程•有关公式：Bethe-bloch公式辐射长度X0核作用长度lI3.射线的探测:•光电效应：•Compton效应：选Z高探测器•电子对效应：2424dEzeNZBdxmv001xxIEEelN52phceZZZ2020/1/19粒子探测5•正电子湮灭效应：•衰变，内转换电子(光电子，俄歇电子)•射线吸收指数衰减规律吸收系数质量吸收系数4.中子探测•核反应法•核反冲法•核裂变法•活化法5.放射源活度与射线强度2ee0xIIeN00ttNNeNeln20.6930.69311T半衰期平均寿命衰变常数2020/1/19粒子探测6第三章粒子探测中的统计规律1.泊松分布2.高斯分布3.N±的物理意义4.统计误差标准误差相对误差计数率的误差M次测量平均计数的误差110116NNNNNN1NNnntNNm2020/1/19粒子探测75.误差演算121212121212121212121122()((111111nnNNNNnnttNNnnNNnnNNntnt＋））12121212222222212,,,(,,)nnnxxxnfxxxnxxxfxxxfffxxx已知自变量的标准误差，可以证明多元函数的标准误差为：2020/1/19粒子探测8第四章气体探测器1.气体探测器的工作原理•气体的电离原初电离，次级电离，总电离•电子和离子在气体中的运动漂移，扩散，吸附，复合•外电场对电离粒子运动的影响探测器收集到的电子离子对数随外加电压的变化曲线•工作气体负电性气体猝灭气体WEN02020/1/19粒子探测92.电离室•脉冲电离室•电流电离室3.正比计数器•气体放大现象，电子雪崩•工作特性：输出脉冲波形能量线性和能量分辨率•类型：BF3慢中子正比计数器x和低能射线正比计数器流气式正比计数器4.G-M计数器•工作原理：雪崩再生，正离子鞘，猝灭•工作特性：计数率坪曲线，坪长，坪斜分辨时间，死时间，漏计数0000011111nnnnnnnnnn2020/1/19粒子探测105、MWPC工作原理•静电场分布•气体放大电子雪崩•工作特性和测量方法探测效率位置分辨时间分辨能量分辨6、漂移室工作原理•基本结构•定位原理2020/1/19粒子探测117、时间投影室工作原理、结构8、平行板电极气体探测器火花室，流光室，电阻板室，MRPC•流光放电机制•工作特性：记忆时间、时间分辨，空间分辨，探测效率9、微电极气体探测器•微条气体室工作原理和特性•微网格气体室工作原理和特性•气体电子倍增器工作原理和特性2020/1/19粒子探测12第五章半导体探测器1.工作原理•灵敏区的形成•载流子的形成，在外电场中的运动2.主要参数•窗厚，灵敏区厚度，结电容，噪声与能量分辨率，正反向电流特性3.类型•PN结型：扩散型，面垒型，离子注入型•锂漂移型•化合物型1csV2020/1/19粒子探测134.主要优缺点•能量分辨率好，能量响应线性，时间分辨好•灵敏体积小，信号小，抗辐照性能差5.电荷灵敏放大器6、径迹测量的半导体探测器•硅微条探测器工作原理•电荷耦合器件•硅像素探测器•硅漂移探测器工作原理2020/1/19粒子探测14第六章闪烁探测器1.工作原理和基本组成部分2.闪烁体的基本特性发光效率（光产额），发射光谱，发光衰减时间，发光衰减长度，能量分辨率3.主要闪烁体：NaI，CsI，PWO，BGO，蒽晶体，塑料闪烁体，液体闪烁体4.GDB的基本构造与工作原理及主要特性•光阴极，打拿极，阳极•光阴极灵敏度和光谱响应，量子效率，放大倍数，暗电流和噪声，能量分辨率，渡越时间和渡越时间分散2020/1/19粒子探测155.GDB的信号取出和高压供电•负载电阻对输出脉冲的影响6.闪烁光的收集和传播反射层、光耦合剂、光导7.闪烁探测器的主要应用•射线的能量测量•飞行时间探测器•望远镜系统•电磁量能器22222112212122122mmmmLLttcpcp2020/1/19粒子探测16第七章Cerenkov探测器1、什么叫Cerenkov辐射？产生的机制和条件2、特性阈特性、方向性、微弱、可见光到紫外光3、Cerenkov辐射体4、C辐射光的传播、收集和光子探测元件5、主要应用•高能电子和射线全吸收切伦科夫电磁簇射探测器•粒子鉴别探测器（速度选择器）：阈式C探测器微分式C探测器2020/1/19粒子探测177、公式•辐射角•阈速度•阈动能•最大辐射角•速度分辨率1cosn1n01/2211TnEEn1max1cosn22122tan2mmddp2020/1/19粒子探测18第八章粒子探测系统1、粒子探测系统•脉冲计数系统•幅度分析系统•时间测量系统•效率测量系统2、探测器输出回路•RC成形回路•三种前置放大器的使用条件，为什么？2020/1/19粒子探测19•探测效率•坪特性：三种坪曲线•探测器分辨时间对计数率线性的影响•探测器的选择11220ddIeI边3、脉冲计数测量几边物电001dIIeI物为三种效应的总吸收系数22/12241)(121cos121hrrhh几2020/1/19粒子探测204、能量测量•能谱仪的能量线性和刻度•影响能量分辨率的因素•掌握137Cs，60Co，24Na的能谱，为什么全能峰能量精确等于射线能量？解释各种峰的形成，并会计算各种峰的能量。•探测器的选择'21111cos11coseeEEEEEmc2020/1/19粒子探测215、磁谱仪•带电粒子在磁场中的运动带电粒子垂直磁场入射，其动量p(GeV/c)=0.3B(T)(m)•高能磁谱仪固定靶实验对撞机实验高能磁谱仪的特点和对探测器的要求各子探测器的功能和要求及选择2020/1/19粒子探测222020/1/19粒子探测23TransverseslicethroughCMSdetectorClickonaparticletypetovisualisethatparticleinCMSPress“escape”toexit考试安排•时间：2011.12.26下午2:30-4:30•地点：–东区（物理学院）：1102教室–西区（核学院）：3110、3111教室•可以带：计算器、尺子2020/1/19粒子探测24