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多丝正比室

发布时间:2020-01-15 20:54    点击次数:188次   

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  多丝正比室是指工作在气体特性曲线的正比区,且具有多丝结构的一种新型粒子探测器。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。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。

  多丝正比室的断面图如下所示。由两块作负电极的平行金属网中间夹有作正电极的平行排列的金属丝平面构成一个单元,固定在绝缘框架上,室中充以氩和甲烷或二氧化碳等混合气体(Ar(90 % )+CH

  (10%))。阳极通过电阻接地, 并由阳极引出信号。阴极上加负高压,使室内产生很强的电场。电极间加直流高压,电压处在正比区。当高能带电粒子穿过多丝正比室,使路径上的气体原子电离,电离产生的电子在附近某一金属丝的电场中形成雪崩式的电离增殖,其放电的总电量正比于初始电离中的电子数目,放电形成的负脉冲正比于该粒子的电离损失。利用专门的电子线路可确定入射粒子穿过室的位置,进一步由多个单元定出粒子的径迹。室的上下二端用高强度的薄膜密封成为探测器窗口。

  当带电粒子通过多丝正比室时, 原电离产生的初始电子, 在电场作用下向邻近的阳极丝漂移, 并从电场中获得足够的能量与气体分子碰撞引起离子增殖产生脉冲信号。设阳极丝半径为a, 丝距为s, 阳极丝到阴极的距离为s, 则在a远小于s的条件下, 阳极丝附近的电场的分布可近似地认为按

  为求得空间任意点的场,将阳极丝面和阴极视为无穷大, 于是可简化为平面问题即二维问题。选取上图所示的复平面坐标, 则在

  在气体特性曲线的正比区(见气体电离探测器),且具有多丝结构的一种新型粒子探测器。1968年G.夏帕克等在深入研究正比计数器原理的基础上在欧洲核子中心(CERN)制成第一个可供使用的多丝正比室。正比计数器是由一根阳极丝和一个构成阴极的管子所组成。丝置于管子中心,工作在正比区。原理是:通过加较高电压而获得较大电场强度,粒子在管内电离产生的电子将在二次碰撞间受电场加速获得足够能量,从而再电离其他气体分子,最后收集到的电离数(输出脉冲)将比初始电离大许多,但又正比于初始电离。早在20世纪30年代,正比计数管就已获得广泛应用。但由于管子外壳限制,难以制成空间定位精度高的大面积探测器。1949~1956年有不少人想试制具有多根阳极丝,公用同一阴极,装在同一室壳内的“多丝正比计数器”。但都没有成功。夏帕克指出多丝构造的机制是:在电场和一定气体条件下,入射粒子在阳极丝附近由电离而引起气体放大,产生“雪崩”式的电离增殖,在该丝上建立一个负脉冲,而相邻之阳极丝及阴极丝平面感应出相反极性的正脉冲,至于电容耦合的同极性脉冲通常小于1/10,且可改变电容使之更小。因此,使用只对负极性脉冲灵敏的放大器,就可使每根阳极丝像一个正比计数器一样独立地对入射粒子计数和定位,其定位区域以二根阳极丝距离之半为界,即某丝上有脉冲输出,就表明有一粒子入射在该丝的1/2丝距区域内。

  多丝正比室有方形、长方形、圆筒形等。常见的方形室见结构示意图,小的面积仅几十平方毫米,大的达十几平方米。阳极丝常用20μm、40μm直径的镀金钨丝,阴极丝通常用 100μm左右的铍铜丝、镀金钨丝或不锈钢丝。最常见的室框架为玻璃纤维板,窗为涤纶薄膜。气体常用流通式,最有名的是体积之比为75.0%氩+24.5%异丁烷 +0.5%氟里昂13B1构成的“魔异气体”。各丝均接有放大器,并连接计算机进行精确的定位测量和在线分析。

  目前多丝室已广泛应用于粒子物理实验,成为高能物理实验的主要探测器之一,许多实验已达到使用几千甚至几万根阳极丝的规模。此外,它还广泛应用于核物理、天文学及宇宙线物理中,并正在逐步应用于医学、生物学等领域,如X 射线、正电子、质子或中子的照相诊断。

  多丝正比室获得广泛应用的原因是:定位精度高(几百微米)、时间分辨好 (约20纳秒)、允许高计数率(每秒丝)、直流高压下自触发工作、连续灵敏、能同时计数和定位、易加工成各种形状和尺寸、能在高磁场中工作、有较好的能量分辨本领,并可从一个室单元中同时读出x、y两维坐标。

  研究基本粒子间的反应,可以提供粒子性质和粒子间作用力的知识。这些反应通常非常复杂——有时在一个反应中会产生几百个粒子。为了解释这些反应,科学家往往需要记录每个粒子的轨迹。直到1970年,这类记录常用的方法是各种照相法,图片要靠特殊的测量器具进行分析,工作过程缓慢而又劳累。夏帕克发明的多丝正比室很好地解决了上述困难。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。


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