磁谱仪1

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1、2019/10/19,中国科大 汪晓莲,1,第十章 高能粒子谱仪,10.1 带电粒子在磁场中的运动 10.2 高能物理实验对探测器的要求 10.3 高能磁谱仪子探测器及其功能 10.4 大型磁谱仪举例,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,2,10.1 带电粒子在磁场中的运动,一、带电粒子在磁场中的运动,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,3,二、带电粒子动量测量,带电粒子电荷为Ze，速度为v，均匀磁场强度为B,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,4,Magnetic field Tracking detectors,带电粒子动量测量,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,5,对任

2、意方向运动的粒子，磁谱仪只能测量横动量。,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,6,对相对论粒子有： 测得粒子的动量分布N(p)dp， 可转换为能量分布N(E)dE， 非相对论情况，上式简化为：,四、能量动量关系,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,7,10.2 高能物理实验对探测器的要求,一、高能物理实验规模越来越大 随着加速器能量的增长，产生的粒子数目越来越多。 随着粒子物理的发展，需要测量粒子的参数越来越多。 因而单个探测器满足不了这些需要，于是在20 世纪六十年代末，在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磁谱仪。,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,8,固定靶实

3、验： 高能粒子束引到实验大厅轰击静止靶，各种次级粒子主要是与入射束成小角度方向飞出。 探测器安排在入射粒子前方，如单臂谱仪、双臂谱仪等。,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,9,对撞机实验： 两团高能粒子束互相对头碰撞，实验区就设在碰撞点周围。一般对撞机上都有多个碰撞点，可同时进行多个物理实验。 对撞机实验，质心系和实验室系一致，次级粒子分布在整个4立体角内。,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,10,二、多种技术的交叉和综合应用 加速器技术：能量越来越高，固定靶实验， 对撞机实验。 粒子探测器：时间响应快，位置分辨高，能量分辨好。 读出电子学：快速记录海量的复杂事例； 标准快电子学插

4、件的NIM系统； CAMAC、VME总线系统。 计算机技术：在线实验数据获取、离线数据分析、事例重建、显示、处理、传输。 大型综合多粒子高能磁谱仪：通过测量粒子的电荷、能量、动量、径迹、飞行时间，进而鉴别粒子，测量粒子不变质量谱，发现新粒子。 国际合作：十几个国家和地区，几十个科研机构和大学，几百上千个科学家、工程师合作。,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,11,1、大接受度 随着对撞粒子质心系能量的增加，次级粒子数目迅速增加。探测器安排在对撞点周围，要探测所有次级带电粒子，必须增大探测器的接收立体角。 探测器探测到所有次级带电粒子的几率：,三、高能物理实验对探测器的要求,2019/10

5、/19,中国科大 汪晓莲,12,有些反应过程的截面在小角度时上升，如Bhabha散射中两个次级电子和双光子过程中两个标记电子的产生截面在小角度内迅速增加。 ee束团从两个相反的方向进入对撞区，束流管道影响探测器不可能覆盖4立体角。 所以除了中心区的中心探测器和桶部的探测器以外，还要在两个束流入射方向上有端盖探测器（ENDCAP），在靠近束流管道的很小角度内增加小角度探测器。,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,13,2、高精度测量多参数测量,可以测量高能带电粒子径迹，要求探测器把高能带电粒子在探测器中通过的路径细致地记录下来。粒子径迹是立体图象要求记录的图象畸变小。如果有两根或多根很靠近的

6、径迹，探测器空间分辨率好，定位精度高，就可以把它们分辨开来这样磁谱仪的动量分辨率就高。 可以测量高能粒子发生的时间，要求探测器测量时间的精确度高，时间分辨率好，把两个或多个在时间上很靠近的粒子分辨开来。还要求在记录一次事例后紧接着就能记录第二次事例。整个探测系统的死时间小，适于高亮度实验。 具有较好的粒子分辨本领和较强的排除本底的能力。可以测量高能粒子的多种运动学参量，如能量、动量或速度等并有高的精确度。这样就能鉴别粒子。还能利用总能量和动量守恒关系，给出一些难于探测的中性粒子的信息。 可以测量多粒子事例，能同时记录几种不同种类的高能粒子(例如电子、子和各种强子)，要求探测器能够把它们确定地分

7、辨开来。,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,14,3、对末态粒子分辨本领好,磁谱仪的粒子分辨是由各子探测器和磁场联合实现的，鉴别粒子的 方法主要有 ： 1）测量粒子固有的静止质量m0 通常是测量能量()、动量()、速度()、洛仑兹因子( )、电离能损(dE/dx)等几个参量中的任意两个而求出。,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,15,切伦科夫计数器可以精确测定粒子速度。有时可连用几个具有不同速度阈的阈式切仑科夫计数器，粗略确定粒子速度范围。 电离损失在相对论性上升区(例如在 102区域)的带电粒子，可测量其在介质中的电离损失来鉴别粒子，但由于电离损失约涨落大，需进行大量取样以提高测

8、量的精确度。 测量高能电子的穿越辐射来鉴别电子。,目前常用的几种鉴别粒子的方法,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,16,2）通过不同粒子不同的相互作用来鉴别粒子 电磁簇射 强子簇射 强穿透力（大射程） 磁谱仪的粒子分辨是由各子探测器和磁场联合实现的。,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,17,10.3 高能磁谱仪子探测器的功能,子探测器 测量参数 功能,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,18,一、顶点探测器和中心径迹探测器,1、主要功能： 1）确定对撞顶点； 2）测量次级粒子的衰变顶点； 3）测量所有带电粒子的径迹，在磁场中偏转的曲率半径和电荷量及电荷符号； 4）多次取样测量带

9、电粒子的dE/dx 电荷量 动量。 中心径迹室要求物质厚度尽量小，都采用气体丝室。 气体丝室的位置分辨率为100 m， 硅微条探测器位置分辨可达几个m。 给出带电粒子径迹，并可测 dE/dx 配合磁场，得到粒子动量 p,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,19,1) 气体探测器 (i) Multi-Wire Proportional Chamber (MWPC) (ii) Drift Chamber (DC) 圆柱型漂移室位置分辨率 70 100 m dE/dx分辨率 5 7 % (iii) Time Projection Chamber (TPC) 2) 硅探测器 (i) Micro-s

10、trip silicon detector (ii) Silicon drift detector 位置分辨率 几个 m,2、常用径迹探测器,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,20,二、飞行时间计数器TOF 1、主要功能： 1）测量带电粒子从对撞点到TOF探测器的飞行时间，结合径迹探测器测得的粒子动量和径迹，从而辨别粒子的种类。 2）触发。 3）排除宇宙线本底。 2、常用探测器： 通常由快发光塑料闪烁体和快光电倍增管组成。对大面积的可做到100ps的时间分辨。 多间隙阻性板室（MRPC），可达到60ps的时间分辨。,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,21,2019/10/19,中国

11、科大 汪晓莲,22,3、TOF的时间分辨率,TOF的主要物理目标是粒子鉴别，其粒子鉴别本领的大小主要由相同动量粒子的飞行时间差和TOF的时间分辨率所决定。 相同动量粒子的飞行时间差随TOF的内半径变大而增加，由几何尺寸决定。 TOF的时间分辨率由起始时间的精度和粒子打到飞行时间计数器后测量的截止时间的精度决定，其中TOF的本征时间分辨率是主要因素。,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,23,三、 电磁量能器 又称电磁簇射计数器，是利用和e等在介子中会产生电磁簇射的原理，通过测量电磁簇射的粒子的总沉积能量，得到或e的能量，同时得到或e的位置信息，它是鉴别和e等电磁作用粒子与其它种类粒子的主要

12、探测器。,1、原理 高于1GeV的电子和光子在物质 中的电磁相互作用主要是：轫致 辐射和电子对产生，导致“级联簇 射”过程，直到它们的能量减少到 接近临界能量Ec时为止。该过程 是一个随机过程，可用EGS程序 包模拟。,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,24,2、电磁量能器的类型,从测量原理上分为： 1）测量簇射粒子在闪烁晶体（如NaI、BGO、PWO等）中的光产额； 2）测量簇射粒子在介质（如铅玻璃）中产生的切伦科夫光； 3）测量簇射粒子在液氩电离室和气体探测器中产生的电离电量。 从能量测量上分为： 1）簇射粒子的全部能量是完全用探测器灵敏材料，如闪烁晶体来测量的称为全吸收型电磁量能器

13、； 2）由多层重金属簇射（吸收）体和探测器灵敏层交迭构成，只取样测量簇射粒子的部分能量，来确定或e在介质中沉积的总能量称为取样型电磁量能器。,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,25,3、电磁量能器的主要功能,测量、e的能量和强子的部分能量； 区分、e和强子； 同时给出或e的入射位置和簇射空间分布。 所以电磁量能器的主要指标是能量分辨率、能量线性和空间分辨率等。 要求电磁量能器有足够大的尺寸 一般取1520X0以保证95的电子、光子的能量沉积在量能器内。而同样能量的强子并不直接产生电磁簇射，只沉积部分能量跑出电磁量能器。,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,26,4、电磁簇射的纵横向分

14、布,纵向分布 电磁簇射主要向纵向发展 可以保证能量泄漏2Rm，可以保证能量泄漏5%。,在Pb中6GeV电子簇射能量沉积的 纵向和横向分布,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,27,辐射长度x0和Moliere半径Rm a) x0定义为高能电子由于轫致辐射损失能量达到原来的1/e时所穿过物质的平均厚度。 b) Rm度量电磁簇射横向发展的特性。,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,28,5、电磁量能器的结构 全吸收型 将全部能量沉积于探测器中，通常使用足够大小的多块无机晶体组成。高Z（尺寸小）、高光产额（能量分辨好）、抗辐照及低廉价格是高能物理长期追求的目标。无机晶体也能给出较好的能量分辨

15、，如CsI(Tl)为 ，但价格昂贵。 全吸收型的输出信号与能量沉积有直接的对应关系。,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,29,取样型电磁量能器 由探测器灵敏层（取样）和簇射介质（吸收）交叠组成。电磁簇射在探测器中发展，由灵敏层给出能量沉积信号，而簇射介质则不给出信号。 探测器灵敏层分类： a. 气体型 有正比室（管）、漂移室、流光管，近期用阴极感应方法读出，给出较好的位置分辨。 b. 有机闪烁体型 包括板状闪烁体和闪烁光纤 c. 液体型 常用的液氩（Ar）电离室，也有用液氪（Kr）；小体积时有用液氙（Xe）；近年来也有用在室温下工作的超纯碳氢化合物液体。 d. 此外，还有用高压气体和半导

16、体探测器为灵敏层的。,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,30,簇射介质（吸收体） 最常用的是铅，也有用钨的。 取样型电磁量能器的取样层数增加可以改善能量分辨率。 电磁量能器的能量分辨率为： 第一项第一项代表统计涨落引起的误差，常数项b 代表由于量能器的不均匀和校正刻度的不确定引起的，第三项是由于电子学噪声的影响。全吸收型电磁量能器的能量分辨率最好，其a 在1量级，而对取样量能器a 约为10。,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,31,常用介质主要特性参数,dE/dx|min为最小电离能损 I为核相互作用长度,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,32,常用的闪烁晶体的性能,2019/10/19,中国科大 汪晓莲,33,常用的闪烁晶体的性能续表,1）总的光产额（与晶体质量有关，所有波长的光都在内）。2）用bialkali光阴极测定的相对于NaI（Tl）的光产额。