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正比计数器-多丝正比室-漂移室
2010-04-14 | 浏览次数:|【

波兰籍法国物理学家夏帕克(Georges Charpak,1924-)1992年被授予诺贝尔物理奖,以表彰他对高能物理探测器,特别是多丝正比室(multiwire proportional chamber)的发明和发展。

夏帕克从1959年起到欧洲核子研究中心工作,参加了μ子磁矩的精确测量、利用π介子进行核结构等一些重要物理实验研究。基本粒子间的反应复杂,有时在一个反应中会产生几百个粒子。为了说明这些反应,科学家往往需要记录每个粒子的轨迹。在多丝正比室发明以前,这类记录常用的是各种照相法,所获图片要靠特殊的测量器具进行分析,工作过程缓慢。夏帕克十分注重对新型粒子探测器的探索。

 
 盖革-缪勒管

  

经典的正比计数器(Proportional Counter)如盖革-缪勒管,是由一根细丝装在直径约为1cm的管子中央构成的。在细丝和管壁间加几千伏的高压。带电粒子穿过充气的管子,会使气体电离。在这个过程中,气体的中性原子会释放带负电的电子,而变成带正电的离子。在电场的作用下,电子向管心的细丝(即阳极)运动。接近细丝的地方电场非常强,电子大大加速,于是就有足够的能量使气体游离,因而有更多的电子被释放,这些电子又被加速,这样就形成了电子和正离子的雪崩。正是由于电子和离子的运动,引起了阳极丝产生一电信号,给出带电粒子通过的信息。正比计数管确定粒子位置的精度约1厘米,即计数管本身的尺码。 

  

夏帕克对正比计数管作了重大改革,他于1968年首次发表了他的开创性研究成果。多丝正比室由大量平行细丝组成,所有这些细丝都处于两块相距几厘米的阴极平面之间的一个平面内,阳极细线的直径约为十分之一毫米,间距约为一或几毫米(左图)。当时人们普遍认为,这类多丝结构会因相互感应等问题而不能正常工作。夏帕克认为每根丝都会像正比计数管一样地工作,并可使空间精度达到一毫米或更小。每根丝都能承担极高的粒子记录速率,可高达每秒几十万次。同时,这种结构能以模块方式组成所需的各种体积和形状,易于做成大面积探测器,适于进行不同规模和特点的实验。

  

多丝正比室的每根丝都可单独配备一个放大器。现代电子学正好可以提供能源消耗极小的密集型放大器,使建造数万以致数十万的电子读出系统成为可能。另一方面,这种装置还能用计算机记录信号,并处理大量数据。比过去以照相为主的记录带电粒子径迹方法成千倍地提高了获取实验数据的速度,并能最大程度地选择出实验者所希翼研究的事例,高效地分析那些真正揭露物质内部秘密的粒子间的相互作用。 

  

 
 漂移室(Drift Chamber)

  多丝正比室成为粒子探测器发展史上的一个里程碑,至今,粒子物理学实验所用的多种径迹探测器,都由夏帕克最初的发明发展而来。早在1968年提出多丝正比室的同时,夏帕克就致力于进一步发展多丝正比室,他注意到了通过测量初级电离电子漂移到阳极丝的时间来确定入射粒子空间位置的可能性。1969年他与美国的A.H.沃伦特(Wallent)首次提出了具有更高径迹定位精度的新探测器──漂移室(Drift Chamber)。

  

  漂移室与多丝正比室的重要区别在于﹕多丝正比室是只要某阳极丝有输出脉冲﹐就认为粒子入射在该丝的1/2丝距范围之内(丝距指二根相邻阳极丝间距离)。而漂移室将进一步测量出初始电离电子向阳极丝的漂移时间﹐由漂移时间的长短定出入射粒子离开阳极丝的准确距离﹐从而很大地提高了空间分辨本领。阳极丝距也就不再是多丝正比室那样的1mm﹑2mm等﹐而是增大到几厘米甚至几十厘米。读出电子学器件中﹐各丝除放大器等外﹐必须有时间-数学转换器等再接到计算器。 

  

漂移室的基本构造类似于多丝正比室,主要部件是两个阴极平面和一个阳极丝平面﹐内充合适的气体。预先测定电子在气体中漂移速度,通过测量从粒子通过瞬间产生原始电离到电离电子漂移到阳极丝产生电信号之间的时间间隔,由此可以确定原始电离距离阳极丝的位置。这样就可以大大提高测量径迹位置的空间分辨率,达到小于0.1毫米,同时又保持了多丝正比室的优点。漂移室的定位精度高(100μm或更好)﹐时间分辨好(可达 5ns)﹐直流高压下自触发﹐连续灵敏﹐能同时计数和定位﹐由于丝距较大﹐易制成各种形状的大面积探测器﹐丝数的减少将降低电子线路的费用﹐提高每丝的计数率(104 ~105 s-1)﹕可用于磁场中﹐但由于电子在漂移过程中会受到磁场影响而偏离无磁场轨道﹐在定位时需作一定校正。此后,按不同的需要又发展了各种类型的漂移室﹐主要有多丝漂移室﹑均匀电场漂移室和可调电场漂移室﹐以及低气压﹑高气压﹑球形﹑圆筒形等特殊类型的漂移室。
 
 漂移室的基本构造

  

 北京正负电子对撞机重大改造工程新谱仪BESIII的主漂移室

  

高性能的探测器使实验粒子物理学迅速改变了面貌,粒子物理学家能深入研究非常罕见的粒子之间的相互作用,这类相互作用往往可以揭示物质内部深层次的奥妙。漂移室与多丝正比室一样﹐在高能物理实验中起着极其重要的作用﹐已成为必不可少的探测器之一。

  

从上个世纪80年代中期开始,夏帕克等人就积极地将多丝正比室、漂移室技术推广到粒子物理学以外的领域,使高能物理的技术成果直接为人类谋福。这一技术已运用到几乎所有成像和精确显微的领域里,在核物理﹑天文学及宇宙线﹑生物﹑医学及X 射线晶体学方面显示出广阔的应用前景。

  

  

  (新葡萄娱乐在线网站科技处制作 资料来自物理参考、物之理网、中国大百科全书等)

  


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