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多丝正比室的多丝正比室的发明

发布时间:2020-01-15 20:54    点击次数:61次   

  多丝正比室技术起源于正比计数管,但夏帕克对其作了重大改革。经典的正比计数器如盖革-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大约是1cm,即计数管本身的尺码。

  现在的粒子物理实验要求记录粒子径迹能够做到高精度和大面积覆盖,用一层层这样的老式正比计数管复盖大的面积是不现实的,也不可能达到需要的空间精度。突破来自夏帕克发明的多丝正比室。图92-1示意性地表明了多丝正比室的结构原理。这种装置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。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。夏帕克则与人们普遍的想法相反,1968年提出,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者更小些。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,在当时这已是异常的高速率了。同时,多丝正比室结构易于做成大面积,并能以模块方式组成所需的各种体积和形状,适于进行不同规模和特点的实验。

  多丝正比室的每根丝都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,这样就使建造数万以致数十万的电子读出系统成为可能。这样的装置还有一个非常重要的好处:能够用计算机记录信号,并处理大量数据。同过去以照相为主的记录带电粒子径迹方法相比,新探测器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望研究的事例,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。 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。其中一项就是漂移室。漂移室的结构和多丝室基本相同,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0.1mm,同时保持多丝正比室的优点。这一设想由夏帕克和他的合作者以多种形式实现,进一步推动了实验粒子物理学的发展。

  夏帕克1968年的发现带动了不同类型丝室的大规模发展。目前,粒子物理学每一项实验都要用到某种类型的径迹探测器,这些探测器都是从夏帕克最初的发明发展而来的。夏帕克本人一直处在这一发展的中心地位,数以千计的科学家,包括在欧洲核子研究中心和在其它地方工作的科学家,都得益于这一发展。里希特和丁肇中于1974年发现粲夸克,并由此获1976年诺贝尔物理学奖,在他们的工作中就使用了几种多丝正比室。1983年,欧洲核子研究中心发现中间玻色子,也用到了多丝室。从80年代中期开始,夏帕克积极地从事把多丝正比室这一系列探测器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。在他的指导和参与下,这一技术已经有效地运用到几乎所有成像和精确显微的领域里,特别是在生物学和医学方面。在日内瓦大学医学中心和法国一些医疗中心,上述仪器已成功地应用于X射线和β射线的成像诊断中。由多丝正比室引发的一系列新探测器在实际应用方面取得的成就越来越引人注目,这门新技术显示出了广阔的前景。


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