1-0粒子物理和核物理实验(1)解析

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1、粒子物理和核物理实验（1）胡涛高能物理研究所Tel：83054662email:本课主要内容n以核物理与粒子物理实验为背景，介绍各种探测器的基本概念和基础知识，包括：微观粒子与物质的相互作用和它们的探测原理。n介绍各种微观粒子探测器：气体探测器、半导体探测器、闪烁探测器、契伦柯夫探测器、气体多丝室、各种径迹探测器、粒子探测系统、各种磁谱仪（高能磁谱仪和重离子磁谱仪）等的基本结构、工作原理、主要特性、种类和应用等。n粒子探测器的统计性质和实验数据处理知识将在粒子物理和核物理实验（2）介绍学习目的和意义n培养掌握各种粒子探测技术的专门人才。n了解掌握粒子与物质相互作用的物理过程和基本规律，会使用各

2、种探测器。n掌握粒子测试系统的原理及组建。n掌握大型高能粒子探测谱仪的构成和工作原理。n会设计研发新的粒子探测器。基本要求及评分标准基本要求：n掌握核与粒子物理实验的基本概念，掌握粒子与物质相互作用的基本规律，各种粒子被探测的基本原理。n根据实验要求，会选择粒子探测器。n确定采用的探测方法和技术，设计粒子探测系统，并给出探测系统原理方框图。评分标准n平时作业 30%n期末考试（闭卷）70%参考书目和学术刊物n谢一冈等著：粒子探测器与数据获取，教育出版社，北京 2003n唐孝威主编：粒子物理实验方法，人民教育出版社，北京 1982n李金编著：现代辐射与粒子探测学讲义nNuclearInstrum

3、entsandMethodsinPhysicsResearchAn高能物理与核物理 n核电子学与探测技术“小宇宙”和“大宇宙”n人类对两个极限尺度的物质世界“小宇宙”和“大宇宙”不断认识的历史是人类文明发展史的重要组成部分。n作为物质结构的“小宇宙”，两千多年前就有了古希腊哲学家德谟克里特的朴素原子论。德谟克利特等根据有关各种自然现象的思辩性的考虑，提出了原子论的想法试图以之来阐明宇宙见形形色色的自然现象。他们认为：宇宙间存在一种或多种微小的实体，叫做“原子”（现在欧洲各国文字中的“原子”都来源于希腊文“atomos”，是“不可分割”的意思），这些原子在虚空中运动着，并可以按照各种不同的方式互

4、相结合或重新分散。虽然在这种意义上的原子论远远不是人们今天所了解的严密的科学理论，但它与现代科学的结论比较吻合。“小宇宙”和“大宇宙”n近百年来，人类的认识逐渐达到原子、原子核、核子、夸克这几个层次，对其观测的尺度已从10-8到10-15厘米。作为人类周围星体世界的大宇宙，从太阳系、银河系、直到河外系，人们观测的尺度已大到6107光年距离。在地球上观察到宇宙中存在高能基本粒子，也包括能量范围极宽的电磁辐射光子，其能量由10-4电子伏特（宇宙背景辐射）到1020 电子伏特的硬射线，而可见光光子只在大约1.6-3.2电子伏特的很小的一段范围内。宇宙本身已逐步成为研究粒子物理的实验室。人类对无限小和

5、无限大世界的研究也已经逐步有机地结合起来。客体尺度与观测手段粒子探测器 我们生活的宏观世界被大量的微观粒子所包围：n来自地球表面的各种放射性，如 40K、232Th、235Un来自宇宙（太阳、银河系）的宇宙线（、）n来自加速器和人工放射源的各种能量、不同种类的粒子和射线为了测量粒子和射线的基本性质，研究这些粒子之间的相互作用以及它们与宏观物质的相互作用为了将这些粒子与射线作为微小的探针来研究微观和亚微观结构，如：晶体结构、物质的表面结构、分子原子及核结构等为了通过这些粒子或射线来研究我们达不到的各种天体，如地球的深处、太阳的内部、月亮或银河以外、更遥远的天体为了使粒子和射线在工业、农业、矿山、

6、地质、医疗、环保、航天等领域被广泛地应用，不可替代地获得对宏观物质的形态、结构、成分的测量和研究 发明和发展了各种辐射和粒子探测器，并由此产生了新的学科、新的技术、新的产业。粒子物理实验粒子物理实验n粒子物理实验包括：粒子物理实验包括：1.粒子源（加速器粒子源（加速器/对撞机，宇宙线）对撞机，宇宙线）2.探测器探测器探测器本体探测器本体（前端、后端）电子学（前端、后端）电子学3.数据分析数据分析粒子探测器的发展史粒子探测器的发展史 n高能物理实验研究需要粒子加速器和探测器及其它设备。加速器高能物理实验研究需要粒子加速器和探测器及其它设备。加速器将微小带电粒子加速到非常高的能量，速度接近光速，然

7、后打到将微小带电粒子加速到非常高的能量，速度接近光速，然后打到固定的靶上或彼此对撞，以研究物质深层次的结构。探测器用来固定的靶上或彼此对撞，以研究物质深层次的结构。探测器用来探测碰撞产生的微小粒子，记录各种信息，如粒子径迹、衰变产探测碰撞产生的微小粒子，记录各种信息，如粒子径迹、衰变产物、飞行时间、粒子动量、能量、质量等。粒子探测器的发展史物、飞行时间、粒子动量、能量、质量等。粒子探测器的发展史正是人类对物质世界的认识不断深化和实验同理论不断相互促进正是人类对物质世界的认识不断深化和实验同理论不断相互促进的历史。的历史。n1590年和年和1609年先后出现的年先后出现的显微镜显微镜和和望远镜望

8、远镜使人们得以在两个使人们得以在两个尺度方面超出了肉眼范围，尺度方面超出了肉眼范围，它们正是人类首先使用的可见光探它们正是人类首先使用的可见光探测器，它们开始使人类对测器，它们开始使人类对“小宇宙小宇宙”和大宇宙的探索逐步走上现和大宇宙的探索逐步走上现代实验科学的轨道。代实验科学的轨道。n1895年德国物理学家伦琴在无可见光条件下发现胶片感光从而年德国物理学家伦琴在无可见光条件下发现胶片感光从而发现发现X射线和射线和1896年法国物理学家贝克勒尔由钾铀硫酸盐使感光年法国物理学家贝克勒尔由钾铀硫酸盐使感光片变黑的现象发现了片变黑的现象发现了射线可以作为粒子探测器历史的开端。射线可以作为粒子探测器

9、历史的开端。粒子探测器的发展史粒子探测器的发展史 n1911年英籍新西兰物理学家卢瑟福借助显微镜观察到单个年英籍新西兰物理学家卢瑟福借助显微镜观察到单个粒子在硫化粒子在硫化锌上引起发光。这正是闪烁计数器的雏形。锌上引起发光。这正是闪烁计数器的雏形。1919年他用类似的荧光屏年他用类似的荧光屏探测器第一次观察到用探测器第一次观察到用粒子轰击氮产生氧和质子的人工核反应，由此粒子轰击氮产生氧和质子的人工核反应，由此核物理迅速发展起来。核物理迅速发展起来。n核物理和宇宙线的发展反过来又带动了各种探测器的发展。本世纪二十核物理和宇宙线的发展反过来又带动了各种探测器的发展。本世纪二十年代到六十年代出现了年

10、代到六十年代出现了核乳胶核乳胶，云雾室云雾室，火花室，流光室等径迹探测器，火花室，流光室等径迹探测器以及电离室，正比与以及电离室，正比与盖格计数管盖格计数管和和闪烁计数器闪烁计数器等电子学探测器。新粒子等电子学探测器。新粒子的发现往往借助于当时的新型探测器，例如的发现往往借助于当时的新型探测器，例如1932年和年和1936年用云雾室年用云雾室先后发现了正电子和先后发现了正电子和介子，介子，1939年用电离室发现核裂变现象，年用电离室发现核裂变现象，1954年用年用气泡室气泡室发现发现0超子，超子，1961年用火花室发现年用火花室发现中微子等。值得提出的中微子等。值得提出的是以我国科学家为主于是

11、以我国科学家为主于20世纪世纪50年代利用气泡室发现了反年代利用气泡室发现了反-超子。超子。n20世纪世纪50年代以来，由于研究进入核子夸克层次，要求轰击粒子的能量更高，年代以来，由于研究进入核子夸克层次，要求轰击粒子的能量更高，这时期逐渐从原子核物理发展出高能物理这时期逐渐从原子核物理发展出高能物理(粒子物理粒子物理)，它也包括不用加速器，它也包括不用加速器的宇宙线物理。利用高能量和高粒子束流强度的加速器（或对撞机），高能的宇宙线物理。利用高能量和高粒子束流强度的加速器（或对撞机），高能物理实验要求快速地记录愈来愈复杂的高事例率事例。由于径迹探测器记录物理实验要求快速地记录愈来愈复杂的高事例

12、率事例。由于径迹探测器记录事例速度慢且后处理需要大量人工，例如用云雾室记录一次需要几分钟，而事例速度慢且后处理需要大量人工，例如用云雾室记录一次需要几分钟，而电子学探测器如有机闪烁体计数器单粒子计数率可高达电子学探测器如有机闪烁体计数器单粒子计数率可高达109次次/秒，这样，在秒，这样，在粒子发现史上起过重要作用的径迹探测器就逐渐让位于电子学探测器。粒子发现史上起过重要作用的径迹探测器就逐渐让位于电子学探测器。n60年代末至年代末至80年代初，同多路电子学配合使用的年代初，同多路电子学配合使用的多丝正比室多丝正比室、漂移室漂移室、多种、多种电磁和强子量能器电磁和强子量能器和标准快电子学插件和标

13、准快电子学插件NIM系统及系统及CAMAC总线系统迅速发展总线系统迅速发展起来。加以电子学技术和计算机的飞速发展，数据获取和事例重建和显示的起来。加以电子学技术和计算机的飞速发展，数据获取和事例重建和显示的速度大大提高，出现了各种用于固定靶和对撞机的大型综合多粒子谱仪及非速度大大提高，出现了各种用于固定靶和对撞机的大型综合多粒子谱仪及非加速器宇宙线实验的大型电子学探测器阵列。许多新粒子和新现象的发现都加速器宇宙线实验的大型电子学探测器阵列。许多新粒子和新现象的发现都是利用它们得到的。例如，是利用它们得到的。例如，1974年发现的年发现的J/粒子和粒子和1976年发现的年发现的粒子以粒子以及及1

14、983年发现的中间玻色子年发现的中间玻色子W和和Z0等。等。n这些年来在这一领域有这些年来在这一领域有多位科学家获得了诺贝尔奖多位科学家获得了诺贝尔奖，有力地说明了粒子探测，有力地说明了粒子探测器对科学发展所起的重要作用以及理论的发展基于实验这一基本观点。器对科学发展所起的重要作用以及理论的发展基于实验这一基本观点。粒子探测器的发展史粒子探测器的发展史 六位获诺贝尔奖的粒子探测器大师六位获诺贝尔奖的粒子探测器大师nC.T.R.Wilson发明云室，一种观测带电粒子径迹的方发明云室，一种观测带电粒子径迹的方法和技术（法和技术（1927年）年）nP.M.S.Blackett发展发展Wilson云室

15、技术，在核物理与云室技术，在核物理与宇宙线研究中做出贡献（宇宙线研究中做出贡献（1948年）年）nC.F.Powell发明乳胶技术，在宇宙线中发明乳胶技术，在宇宙线中介子（介子（1950年）年）nD.A.Glaser发明气泡室（发明气泡室（1960年）年）nL.W.Alvarez发展气泡室及数据处理技术，发现大量发展气泡室及数据处理技术，发现大量共振态（共振态（1968年）年）nG.Charpak发明多丝正比室并发展气体丝室技术发明多丝正比室并发展气体丝室技术（1992年）年）粒子探测器大家族粒子探测器大家族n粒子探测器是核物理、粒子物理研究及辐射应用中不可粒子探测器是核物理、粒子物理研究及辐

16、射应用中不可缺少的工具和手段。当粒子和探测器内的物质相互作用缺少的工具和手段。当粒子和探测器内的物质相互作用而产生某种信息（如电、光脉冲或材料结构的变化），而产生某种信息（如电、光脉冲或材料结构的变化），经放大后被记录、分析，以确定粒子的数目、位置、能经放大后被记录、分析，以确定粒子的数目、位置、能量、动量、飞行时间、速度、质量等物理量。量、动量、飞行时间、速度、质量等物理量。n按照记录方式，粒子探测器大体上分为按照记录方式，粒子探测器大体上分为计数器类：以电脉冲的形式记录、分析辐射产生的某种信息。计数器类：以电脉冲的形式记录、分析辐射产生的某种信息。径迹室类：通过记录、分析辐射产生的径迹图象

17、测量核辐射。径迹室类：通过记录、分析辐射产生的径迹图象测量核辐射。计数器类探测器计数器类探测器n气体电离探测器气体电离探测器通过收集射线在气体中产生的电离电荷来测量核辐通过收集射线在气体中产生的电离电荷来测量核辐射。主要类型有射。主要类型有电离室、电离室、正比计数器正比计数器和和盖革计数器盖革计数器。它们的结构相似，。它们的结构相似，一般都是具有两个电极的圆筒状容器，充有某种气体，电极间加电压，一般都是具有两个电极的圆筒状容器，充有某种气体，电极间加电压，差别是工作电压范围不同。电离室工作电压较低，直接收集射线在气体差别是工作电压范围不同。电离室工作电压较低，直接收集射线在气体中原始产生的离子

18、对。其输出脉冲幅度较小，上升时间较快，可用于辐中原始产生的离子对。其输出脉冲幅度较小，上升时间较快，可用于辐射剂量测量和能谱测量。正比计数器的工作电压较高，能使在电场中高射剂量测量和能谱测量。正比计数器的工作电压较高，能使在电场中高速运动的原始离子产生更多的离子对，在电极上收集到比原始离子对要速运动的原始离子产生更多的离子对，在电极上收集到比原始离子对要多得多的离子对（即气体放大作用），从而得到较高的输出脉冲。脉冲多得多的离子对（即气体放大作用），从而得到较高的输出脉冲。脉冲幅度正比于入射粒子损失的能量，适于作能谱测量。盖革计数器又称盖幅度正比于入射粒子损失的能量，适于作能谱测量。盖革计数器又

19、称盖革革-弥勒计数器或弥勒计数器或G-M计数器，它的工作电压更高，出现多次电离过程，计数器，它的工作电压更高，出现多次电离过程，因此输出脉冲的幅度很高，已不再正比于原始电离的离子对数，可以不因此输出脉冲的幅度很高，已不再正比于原始电离的离子对数，可以不经放大直接被记录。它只能测量粒子数目而不能测量能量，完成一次脉经放大直接被记录。它只能测量粒子数目而不能测量能量，完成一次脉冲计数的时间较长。冲计数的时间较长。n多丝室和漂移室多丝室和漂移室是正比计数器的变型。既有计数功能，还可以分辨带电是正比计数器的变型。既有计数功能，还可以分辨带电粒子经过的区域。多丝室有许多平行的电极丝，处于正比计数器的工作

20、状粒子经过的区域。多丝室有许多平行的电极丝，处于正比计数器的工作状态。每一根丝及其邻近空间相当于一个探测器，后面与一个记录仪器连接。态。每一根丝及其邻近空间相当于一个探测器，后面与一个记录仪器连接。因此只有当被探测的粒子进入该丝邻近的空间，与此相关的记录仪器才记因此只有当被探测的粒子进入该丝邻近的空间，与此相关的记录仪器才记录一次事件。为了减少电极丝的数目，可从测量离子漂移到丝的时间来确录一次事件。为了减少电极丝的数目，可从测量离子漂移到丝的时间来确定离子产生的部位，这就要有另一探测器给出一起始信号并大致规定了事定离子产生的部位，这就要有另一探测器给出一起始信号并大致规定了事件发生的部位，根据

21、这种原理制成的计数装置称为漂移室，它具有更好的件发生的部位，根据这种原理制成的计数装置称为漂移室，它具有更好的位置分辨率（达位置分辨率（达50微米），但允许的计数率不如多丝室高。微米），但允许的计数率不如多丝室高。n半导体探测器半导体探测器辐射在半导体中产生的载流子（电子和空穴），在反向偏辐射在半导体中产生的载流子（电子和空穴），在反向偏压电场下被收集，由产生的电脉冲信号来测量核辐射。常用硅、锗做半导压电场下被收集，由产生的电脉冲信号来测量核辐射。常用硅、锗做半导体材料。体材料。高纯锗探测器有较高的能量分辨率，对高纯锗探测器有较高的能量分辨率，对辐射探测效率高，可在室温下保存，辐射探测效率高，

22、可在室温下保存，应用广泛。砷化镓、碲化镉、碘化汞等材料也有应用。应用广泛。砷化镓、碲化镉、碘化汞等材料也有应用。计数器类探测器计数器类探测器n闪烁计数器闪烁计数器通过带电粒子打在闪烁体上，使原子（分子）电离、激通过带电粒子打在闪烁体上，使原子（分子）电离、激发，在退激过程中发光，经过光电器件（如光电倍增管）将光信号变成发，在退激过程中发光，经过光电器件（如光电倍增管）将光信号变成可测的电信号来测量核辐射。闪烁计数器分辨时间短、效率高，还可根可测的电信号来测量核辐射。闪烁计数器分辨时间短、效率高，还可根据电信号的大小测定粒子的能量。闪烁体可分为三大类：据电信号的大小测定粒子的能量。闪烁体可分为三

23、大类：n无机闪烁体，常见的有用铊无机闪烁体，常见的有用铊(Tl)激活的碘化钠激活的碘化钠NaI(Tl)和碘化铯和碘化铯CsI(Tl)晶晶体，它们对电子、体，它们对电子、辐射灵敏，发光效率高，有较好的能量分辨率，但光衰减辐射灵敏，发光效率高，有较好的能量分辨率，但光衰减时间较长；锗酸铋晶体密度大，发光效率高，因而对高能电子、时间较长；锗酸铋晶体密度大，发光效率高，因而对高能电子、辐射探测十辐射探测十分有效。其他如用银分有效。其他如用银(Ag)激活的硫化锌激活的硫化锌ZnS(Ag)主要用来探测主要用来探测粒子；玻璃粒子；玻璃闪烁体可以测量闪烁体可以测量粒子、低能粒子、低能X辐射，加入载体后可测量中

24、子；氟化钡辐射，加入载体后可测量中子；氟化钡(BaF2)密度大，有荧光成分，既适合于能量测量，又适合于时间测量。密度大，有荧光成分，既适合于能量测量，又适合于时间测量。n有机闪烁体，包括塑料、液体和晶体有机闪烁体，包括塑料、液体和晶体(如蒽、茋等如蒽、茋等)，前两种使用普遍。由于，前两种使用普遍。由于它们的光衰减时间短（它们的光衰减时间短（23纳秒，快塑料闪烁体可小于纳秒，快塑料闪烁体可小于1纳秒），常用在时纳秒），常用在时间测量中。它们对带电粒子的探测效率将近百分之百。间测量中。它们对带电粒子的探测效率将近百分之百。n气体闪烁体，包括氙、氦等惰性气体，发光效率不高，但光衰减时间较短气体闪烁体

25、，包括氙、氦等惰性气体，发光效率不高，但光衰减时间较短（10纳秒）。纳秒）。计数器类探测器计数器类探测器n切仑科夫计数器切仑科夫计数器高速带电粒子在透明介质中的运动速度超过光高速带电粒子在透明介质中的运动速度超过光在该介质中的运动速度时，则会产生切伦科夫辐射，其辐射角与粒在该介质中的运动速度时，则会产生切伦科夫辐射，其辐射角与粒子速度有关，因此提供了一种测量带电粒子速度的探测器。此类探子速度有关，因此提供了一种测量带电粒子速度的探测器。此类探测器常和光电倍增管配合使用；可分为阈式测器常和光电倍增管配合使用；可分为阈式(只记录大于某一速度只记录大于某一速度的粒子的粒子)和微分式（只选择某一确定速

26、度的粒子）两种。和微分式（只选择某一确定速度的粒子）两种。n穿越辐射计数器穿越辐射计数器高速带电粒子穿过两种介质的界面会产生穿越高速带电粒子穿过两种介质的界面会产生穿越辐射，其辐射能量与粒子能量成正比。在粒子速度极高，十分接近辐射，其辐射能量与粒子能量成正比。在粒子速度极高，十分接近光速时，用飞行时间和契伦科夫计数器都无法通过分辨速度来鉴别光速时，用飞行时间和契伦科夫计数器都无法通过分辨速度来鉴别粒子，而穿越辐射计数器提供了鉴别该能区高能粒子的新方法。粒子，而穿越辐射计数器提供了鉴别该能区高能粒子的新方法。计数器类探测器计数器类探测器n电磁量能器电磁量能器（或簇射计数器）（或簇射计数器）高能电

27、子或高能电子或光子在介质光子在介质中会产生电磁簇射，其次级粒子总能量损失与入射粒子总中会产生电磁簇射，其次级粒子总能量损失与入射粒子总能量成正比。因此，一旦收集到总能量损失即可确定粒子能量成正比。因此，一旦收集到总能量损失即可确定粒子的总能量。电磁量能器分为全吸收型如碘化钠（铊）、锗的总能量。电磁量能器分为全吸收型如碘化钠（铊）、锗酸铋、铅玻璃等和取样型两种。后者由取样计数器与铅板酸铋、铅玻璃等和取样型两种。后者由取样计数器与铅板交迭而成。取样计数器可以是液氩电离室、塑料闪烁计数交迭而成。取样计数器可以是液氩电离室、塑料闪烁计数器和多丝室。器和多丝室。n强子量能器强子量能器高能强子在介质中会产

28、生强子簇射。收集高能强子在介质中会产生强子簇射。收集到总电离电荷即可确定强子总能量，通常采用闪烁计数器到总电离电荷即可确定强子总能量，通常采用闪烁计数器或多丝室与铁（铀）板交迭而成。或多丝室与铁（铀）板交迭而成。n此外，还有此外，还有RPC、GEM等新型的气体探测器等新型的气体探测器计数器类探测器计数器类探测器n核乳胶核乳胶能记录带电粒子单个径迹的照相乳胶。入射粒子在乳胶中形能记录带电粒子单个径迹的照相乳胶。入射粒子在乳胶中形成潜影中心，经过化学处理后记录下粒子径迹，可在显微镜下观察。它成潜影中心，经过化学处理后记录下粒子径迹，可在显微镜下观察。它有极佳的位置分辨本领（有极佳的位置分辨本领（1

29、微米），阻止本领大，功用连续而灵敏。微米），阻止本领大，功用连续而灵敏。n云室云室和和泡室泡室使入射粒子产生的离子集团在过饱和蒸气中形成冷凝中使入射粒子产生的离子集团在过饱和蒸气中形成冷凝中心而结成液滴（云室），在过热液体中形成气化中心而变成气泡（泡室）心而结成液滴（云室），在过热液体中形成气化中心而变成气泡（泡室），用照相方法记录，使带电粒子的径迹可见。泡室有较好的位置分辨率，用照相方法记录，使带电粒子的径迹可见。泡室有较好的位置分辨率（好的可达（好的可达10微米），本身又是靶，目前常以泡室为顶点探测器配合计微米），本身又是靶，目前常以泡室为顶点探测器配合计数器一起使用。数器一起使用。n火花

30、室和流光室火花室和流光室这些装置都需要较高的电压，当粒子进入装置产生这些装置都需要较高的电压，当粒子进入装置产生电离时，离子在强电场下运动，形成多次电离，增殖很快，多次电离过电离时，离子在强电场下运动，形成多次电离，增殖很快，多次电离过程中先产生流光，后产生火花，使带电粒子的径迹成为可见。流光室具程中先产生流光，后产生火花，使带电粒子的径迹成为可见。流光室具有较好的时间特性。它们都具有较好的空间分辨率（约有较好的时间特性。它们都具有较好的空间分辨率（约200微米）。除微米）。除了可用照相记录粒子径迹外，还可记录电脉冲信号，作为计数器用。了可用照相记录粒子径迹外，还可记录电脉冲信号，作为计数器用

31、。n固体径迹探测器固体径迹探测器重带电粒子打在诸如云母、塑料一类材料上，沿路重带电粒子打在诸如云母、塑料一类材料上，沿路径产生损伤，经过化学处理（蚀刻）后，将损伤扩大成可在显微镜下观径产生损伤，经过化学处理（蚀刻）后，将损伤扩大成可在显微镜下观察的空洞，适于探测重核。察的空洞，适于探测重核。径迹室类探测器径迹室类探测器粒子探测器的发展前景粒子探测器的发展前景 n大型磁谱仪大型磁谱仪随着加速器能量的增长，产生的粒子数目越来越多，随着粒子物理研随着加速器能量的增长，产生的粒子数目越来越多，随着粒子物理研究的发展，需要测量粒子的参数也越来越多，单个探测器已经无法满究的发展，需要测量粒子的参数也越来越

32、多，单个探测器已经无法满足这些需要。足这些需要。20世纪世纪60年代末，固定靶实验和对撞机实验相继出现了年代末，固定靶实验和对撞机实验相继出现了由多种探测器组成的大型磁谱仪。由多种探测器组成的大型磁谱仪。大型磁谱仪可以同时测量粒子的多种性能（如电荷、质量、自旋、宇大型磁谱仪可以同时测量粒子的多种性能（如电荷、质量、自旋、宇称、衰变宽度称、衰变宽度/寿命等）；可测量粒子的多种运动学参量（如能量、动寿命等）；可测量粒子的多种运动学参量（如能量、动量、速度等）；具有较好的粒子分辨本领。量、速度等）；具有较好的粒子分辨本领。大型磁谱仪一般由顶点探测器、中心径迹室、飞行时间计数器、切仑大型磁谱仪一般由顶

33、点探测器、中心径迹室、飞行时间计数器、切仑科夫计数器、穿越辐射探测器、电磁量能器、强子量能器、科夫计数器、穿越辐射探测器、电磁量能器、强子量能器、子计数器、子计数器、亮度监测器、常规及超导磁铁等子探测器构成。亮度监测器、常规及超导磁铁等子探测器构成。n在探测器方面出现了在探测器方面出现了新型探测器新型探测器如闪烁光纤、自猝灭流光管、阻性板探如闪烁光纤、自猝灭流光管、阻性板探测器、时间投影室、平行板雪崩室、硅微条探测器、微条气体室等。测器、时间投影室、平行板雪崩室、硅微条探测器、微条气体室等。n粒子探测器的粒子探测器的电子学及数据获取电子学及数据获取方面也有了很大发展，以适应更高能量方面也有了很

34、大发展，以适应更高能量的更复杂的事例测量，如高精度的位置和能量分辨、快时间响应的探测的更复杂的事例测量，如高精度的位置和能量分辨、快时间响应的探测器；高集成度、快响应电子学；快速大规模数据处理系统。器；高集成度、快响应电子学；快速大规模数据处理系统。n先后出现了智能和集成度高的先后出现了智能和集成度高的VME总线和快总线（总线和快总线（FASTBUS），专用），专用集成电路器件（集成电路器件（ASIC），硅条探测器同前级电子学组合在一起的集成系），硅条探测器同前级电子学组合在一起的集成系统，高速模拟统，高速模拟-数字转换插件（数字转换插件（FlashADC）,无死时间的时间无死时间的时间-数字

35、转换数字转换(TDC)电路，大群微处理器组成的前级信号采集处理系统，流水线及在线电路，大群微处理器组成的前级信号采集处理系统，流水线及在线事例过滤机群事例过滤机群FARM，智能触发逻辑系统以及，智能触发逻辑系统以及1010秒快时间响应电路秒快时间响应电路等。等。粒子探测器的发展前景粒子探测器的发展前景 大型磁谱仪大型磁谱仪n大型磁谱仪自诞生那一天起，在粒子物理探测方面就显示出综合性能的大型磁谱仪自诞生那一天起，在粒子物理探测方面就显示出综合性能的优势，且规模越来越大，精度越来越高，三十年来做出了许多重要的高优势，且规模越来越大，精度越来越高，三十年来做出了许多重要的高能物理实验成果。如：一些重

36、要粒子的发现（能物理实验成果。如：一些重要粒子的发现（J/、Y、W、Z和顶夸和顶夸克等），电弱统一模型的精确测定以及量子色动力学（克等），电弱统一模型的精确测定以及量子色动力学（QCD）模型的检）模型的检验等。可以预言，新世纪中它的技术会得到进一步发展，以适应高能物验等。可以预言，新世纪中它的技术会得到进一步发展，以适应高能物理研究发展的需要。理研究发展的需要。n欧洲核子研究中心欧洲核子研究中心CERN于于1989年建成的年建成的90-200GeV正负电子对撞机正负电子对撞机LEP的周长为的周长为27公里。其上的四个大型实验装置的三维尺度大约都在公里。其上的四个大型实验装置的三维尺度大约都在1

37、5米左右，而对撞点周围的顶点探测器的位置精度达十微米左右。米左右，而对撞点周围的顶点探测器的位置精度达十微米左右。每个装每个装置参加实验的科学家规模都达到置参加实验的科学家规模都达到500人左右。人左右。B介子工厂介子工厂n目前运行的几个粒子工厂如目前运行的几个粒子工厂如B粒子工厂属粒子工厂属高亮度加速器，亮度都达高亮度加速器，亮度都达L1034cm-2s-1，比同能区一般对撞机的亮度高，比同能区一般对撞机的亮度高100倍以倍以上。上。n美国美国3.1-9GeV正负电子对撞机正负电子对撞机PEPII/BABARn日本日本3.5-8GeV正负电子对撞机正负电子对撞机KEKB/BELLE对上述对上

38、述B工厂的探测器主要要求包括高计工厂的探测器主要要求包括高计数率、高分辨率、高抗辐射强度等。数率、高分辨率、高抗辐射强度等。CERN正在建造的正在建造的LHC nCERN正在建造的新一代质子正在建造的新一代质子-质子对撞机质子对撞机LHC属于高能量加速属于高能量加速器，其能量高达器，其能量高达820TeV/束，亮度约为束，亮度约为10331034cm-2s-1。LHC有很高的多束团束流对撞频率（即束团周期小到有很高的多束团束流对撞频率（即束团周期小到25ns）和）和很大的很大的P-P强作用截面（强作用截面（100mb）。这些都对粒子探测技术）。这些都对粒子探测技术提出了极具挑战性的的要求，提出

39、了极具挑战性的的要求，LHC的探测器有以下特点：的探测器有以下特点：n具有足够快的时间响应以提供严格触发与避免事例堆积；具有足够快的时间响应以提供严格触发与避免事例堆积；n具有极高的空间分辨率、多徑迹分辨率与粒子识别能力；具有极高的空间分辨率、多徑迹分辨率与粒子识别能力；具有庞具有庞大的体积以便对大能量范围的粒子进行精密测量和有很强的磁场以大的体积以便对大能量范围的粒子进行精密测量和有很强的磁场以便进行高动量测量。其典型的尺寸为直径便进行高动量测量。其典型的尺寸为直径15-20米，长米，长20-40米米,读出电子学道数以读出电子学道数以107108计。数据获取率高达计。数据获取率高达1011字

40、节字节/秒秒（Byte/s）；）；n具有接受粒子的密封性，即探测器尽可能覆盖具有接受粒子的密封性，即探测器尽可能覆盖4立体角；立体角；n具有极高的抗辐射能力。具有极高的抗辐射能力。可能的长远规划项目可能的长远规划项目n极高能强子对撞机（极高能强子对撞机（VLHC）n电子直线对撞机（电子直线对撞机（ILC）nmuon对撞机对撞机n中微子工厂中微子工厂大型非加速器物理大型非加速器物理n在寻找新物理的大型非加速器物理（粒在寻找新物理的大型非加速器物理（粒子天体物理）实验前沿方面子天体物理）实验前沿方面,其探测器其探测器体积均在数千至数万吨之间体积均在数千至数万吨之间,以高灵敏以高灵敏度、低本底与低噪

41、声的特点探测低事例度、低本底与低噪声的特点探测低事例率的物理现象，如宇宙线或天体过程中率的物理现象，如宇宙线或天体过程中的中微子、宇宙暗物质粒子等。测量精的中微子、宇宙暗物质粒子等。测量精度也由较粗放转向精密。度也由较粗放转向精密。n日本日本Superkamiokande实验用了实验用了5万万吨水切伦科夫计数器（图示为水切伦科吨水切伦科夫计数器（图示为水切伦科夫计数器内部）。夫计数器内部）。n意大利意大利GranSasso实验室的实验室的MACRO实验用了一千吨液体闪烁体，一万吨径实验用了一千吨液体闪烁体，一万吨径迹探测器。设在该实验室的迹探测器。设在该实验室的ICARUS实实验计划使用近万吨

42、全新探测器验计划使用近万吨全新探测器-液氩时液氩时间投影室（间投影室（LArTPC）。）。中国在粒子探测器领域中国在粒子探测器领域的成果的成果 n20世纪世纪50年代以来低能核物理和高能宇宙线研究年代以来低能核物理和高能宇宙线研究:如在云南高山站建成当时世界上规模最大的云室组之一如在云南高山站建成当时世界上规模最大的云室组之一n70年代到年代到80年代初研制成功一系列粒子探测器，如小型多丝正比室、年代初研制成功一系列粒子探测器，如小型多丝正比室、漂移室、阈式切伦科夫计数器、闪烁计数器描迹仪、流光室等及与其相漂移室、阈式切伦科夫计数器、闪烁计数器描迹仪、流光室等及与其相配合的电子学系统与配合的电

43、子学系统与NIM、CAMAC插件等。插件等。n1988建成的北京正负电子对撞机（建成的北京正负电子对撞机（BEPC）上的北京谱仪（）上的北京谱仪（BES）它的建造成功标志着中国的粒子探测器技术已达到国际水平。十几年来，它的建造成功标志着中国的粒子探测器技术已达到国际水平。十几年来，通过通过BES运行获得了以运行获得了以轻子质量精确测量为代表的系列国际瞩目的轻子质量精确测量为代表的系列国际瞩目的-粲物理成果，实现了邓小平同志的粲物理成果，实现了邓小平同志的“中国必须在世界高科技领域占有中国必须在世界高科技领域占有一席之地一席之地”的号召。的号召。n在宇宙线天体物理实验方面合作建成了用于研究在宇宙

44、线天体物理实验方面合作建成了用于研究天文的西藏羊八井大天文的西藏羊八井大面积广延大气簇射阵列面积广延大气簇射阵列ARGO及球载空间硬及球载空间硬X射线望远镜等。射线望远镜等。n正在建造正在建造BESIII将大大提高探测器的分辨率和粒子识别能力，减少系统误差，与将大大提高探测器的分辨率和粒子识别能力，减少系统误差，与BEPCII的高亮度提供的高统计精度相匹配，同时还增加接收度，的高亮度提供的高统计精度相匹配，同时还增加接收度，并并适应适应BEPCII高计数率的要求。它的主要建设内容是新建高计数率的要求。它的主要建设内容是新建1Tesla的超的超导磁铁，采用导磁铁，采用CsI晶体电磁量能器、小单元

45、氦基气体主漂移室、飞行时晶体电磁量能器、小单元氦基气体主漂移室、飞行时间计数器等，同时更新读出电子学系统、触发判选和数据获取系统，间计数器等，同时更新读出电子学系统、触发判选和数据获取系统，以适应在以适应在BEPCII多束团和高亮度条件下的运行要求多束团和高亮度条件下的运行要求中国在粒子探测器中国在粒子探测器领域的成果领域的成果 n我国先后参加了多项国际高能物理的合作实验，并在探测器方面作出了相应我国先后参加了多项国际高能物理的合作实验，并在探测器方面作出了相应贡献，如德国贡献，如德国DESY的的MARKJ、欧洲核子研究中心（、欧洲核子研究中心（CERN）正负电子对撞）正负电子对撞机机LEP上

46、的上的L3和和ALEPH、意大利、意大利GranSasso实验室的实验室的LVD和和ICARUS以及以及Frascati实验室的实验室的KLOE、美国、美国SLAC的的B介子工厂介子工厂BABAR、费米实验室、费米实验室FNAL的的DO、E745、E761、E781、日本、日本KEK的的AMY和和BELLE，以及目前，以及目前参加的参加的CERN的的LHC上的上的CMS和和ATLAS以及宇航方面的以及宇航方面的AMS等。等。粒子探测器技术的广泛应用粒子探测器技术的广泛应用 n粒子探测器技术对基础学科粒子探测器技术对基础学科-物质结构的研究有着极大的促进物质结构的研究有着极大的促进作用，在国计民

47、生方面的应用也是极其广泛的。作用，在国计民生方面的应用也是极其广泛的。早在早在1897年汤姆生发现电子用的称为年汤姆生发现电子用的称为“亚原子微粒子探测器亚原子微粒子探测器”装置和电视机显象管极其相似。装置和电视机显象管极其相似。1939年利用电离室探测器发现的核裂变年利用电离室探测器发现的核裂变同步辐射实验站同步辐射实验站近年来人工放射性和粒子束流在工农医等方面的应用也离不开粒近年来人工放射性和粒子束流在工农医等方面的应用也离不开粒子探测技术和数据获取。如工业探伤、海关集装箱检测、石油探子探测技术和数据获取。如工业探伤、海关集装箱检测、石油探井、无接触测量（核子秤，测厚议等）、食品保鲜、种子变异、井、无接触测量（核子秤，测厚议等）、食品保鲜、种子变异、用于诊断和治疗癌症的用于诊断和治疗癌症的、X射线断层照相（射线断层照相（CT）、正电子断层）、正电子断层照相照相PET和和刀、质子治癌等。刀、质子治癌等。n近年来发展迅速的粒子探测器和数据获取技术，将进一步促进近年来发展迅速的粒子探测器和数据获取技术，将进一步促进粒子物理实验和理论的发展，也将进一步得到多方面应用，并粒子物理实验和理论的发展，也将进一步得到多方面应用，并与相关学科相互促进。与相关学科相互促进。X光工业光工业CT与与PET