最新核与粒子物理实验方法4-1气体探测器教学讲义ppt.ppt

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1、核与粒子物理实验方法4-1气体探测器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R＋VC0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。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

2、于初电离数。在此区间气体放大倍数约104－105。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<1010，因空间电荷效应，雪崩数达到饱和，完全失去对原初电离的记忆，并形成自激放电，输出信号大。火花放电区：由激发分子退激发所发射的大量光子会引起新的雪崩，在工作区内形成正离子通道而造成连续放电。流光室、火花室等探测器均工作在此区域。雪崩区极间电压与被收集粒子数间的关系曲线屏栅电离室为了解决，V(t)与初始电

3、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R＋VC0入射粒子＋–＋–＋–0x0Frisch栅CathodeAnodeFrischgridE1E2ER另外，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

4、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1m处放置时张角为22，张角为7，深度为800mm。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。0V100V350V100V0V100V35

5、0V100V0V+Vexaa举例2有效面积100mm×100mm。在100mb的P10工作气体下，坪区长度为700V。对244Cm粒子，在第4片阳极对应的灵敏区域，能量损失为～1.30MeV，能量分辨～41.1keV(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/(cm·torr)，国际单位为V/(cm·Pa)。1torr=133.322Pa1mbar=100Pa1torr=1mmHg1mbar=0.7

6、5mmHg1torr=1.33322mbar1mbar=0.75torr1大气压=101325Pa=760torr=760mmHg气体电离室通常工作在约化场强为(0.1~10)V/(cm·torr)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，

7、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

8、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(300－500)V/(cm·torr)，当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