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1、时间投影室时间投影室 TPCTPC (Time Projection Chamber) TPC (Time Projection Chamber) 一、结构和工作原理一、结构和工作原理一、结构和工作原理一、结构和工作原理n E和和B方向平行且与阳极丝垂直方向平行且与阳极丝垂直Lorentz力为力为0；电离的径迹会因电子漂移中电离的径迹会因电子漂移中的横向扩散而变宽，不过很的横向扩散而变宽，不过很强的磁场会减小这种影响。强的磁场会减小这种影响。n 栅丝、阳极丝、场丝栅丝、阳极丝、场丝 n 栅丝的作用是使漂移场的电力线形栅丝的作用是使漂移场的电力线形成一个漏斗形，将电离电子聚集到灵成一个漏斗形，将
2、电离电子聚集到灵敏丝上敏丝上n 阳极丝测阳极丝测dE/dXn 部分阳极丝（空间丝）下面有部分阳极丝（空间丝）下面有由感应片组成的阴极感应条。由感应片组成的阴极感应条。 空间丝上带电粒子的径迹坐标就由丝上雪崩在空间丝上带电粒子的径迹坐标就由丝上雪崩在空间丝上带电粒子的径迹坐标就由丝上雪崩在空间丝上带电粒子的径迹坐标就由丝上雪崩在感应片上感应信号的重心所决定。感应片上感应信号的重心所决定。感应片上感应信号的重心所决定。感应片上感应信号的重心所决定。（100100 mm） 漂移时间给出漂移时间给出漂移时间给出漂移时间给出z z向的位置。向的位置。向的位置。向的位置。 （300300 mm） 两者结合
3、，给出带电粒子的三维坐标。两者结合，给出带电粒子的三维坐标。两者结合，给出带电粒子的三维坐标。两者结合，给出带电粒子的三维坐标。二、二、二、二、PEP-4PEP-4的高压的高压的高压的高压TPCTPCn n圆柱半径圆柱半径圆柱半径圆柱半径1m1m，长，长，长，长2m2m。n n圆柱中央有一加负高压圆柱中央有一加负高压圆柱中央有一加负高压圆柱中央有一加负高压 （-150kV-150kV）的电极将圆柱）的电极将圆柱）的电极将圆柱）的电极将圆柱分为左右对称的两半。分为左右对称的两半。分为左右对称的两半。分为左右对称的两半。n n圆柱的两端面是栅丝平面、圆柱的两端面是栅丝平面、圆柱的两端面是栅丝平面、
4、圆柱的两端面是栅丝平面、阳极丝平面（包括灵敏丝和阳极丝平面（包括灵敏丝和阳极丝平面（包括灵敏丝和阳极丝平面（包括灵敏丝和场丝）和阴极感应平面。场丝）和阴极感应平面。场丝）和阴极感应平面。场丝）和阴极感应平面。n n磁场磁场磁场磁场B=1.5TB=1.5T，与电场平行，与电场平行，与电场平行，与电场平行，测动量，减小漂移电子的横测动量，减小漂移电子的横测动量，减小漂移电子的横测动量，减小漂移电子的横向扩散。向扩散。向扩散。向扩散。 每个端面分每个端面分6个扇区，每个扇区有个扇区，每个扇区有183根灵根灵敏丝，彼此平行且与半径方向垂直，丝距敏丝，彼此平行且与半径方向垂直，丝距4mm。其中。其中15
5、根丝彼此距离相等，下面有根丝彼此距离相等，下面有7.5x7.5mm的感应片。的感应片。 灵敏丝直径为灵敏丝直径为20 m，栅丝和场丝，栅丝和场丝76 mn nArAr（80%80%）+ CH+ CH4 4（20%20%）。）。）。）。n nPEP-4PEP-4的的的的TPCTPC侧重于粒子鉴别，故充以高气压（侧重于粒子鉴别，故充以高气压（侧重于粒子鉴别，故充以高气压（侧重于粒子鉴别，故充以高气压（8.58.5个大气压），有利于个大气压），有利于个大气压），有利于个大气压），有利于dE/dXdE/dX的测量。的测量。的测量。的测量。 dE/dX dE/dX 的能量分辨的能量分辨的能量分辨的能量分
6、辨 3%3%n n空间分辨空间分辨空间分辨空间分辨其中，其中，L 为漂移距离，为漂移距离，LM=1m 为最大漂移距离；为最大漂移距离； 为带电粒子径迹与灵敏丝平面垂直方向的夹角；为带电粒子径迹与灵敏丝平面垂直方向的夹角； 为电子的俘获率；为电子的俘获率； A 为电子学等效应引起的本征空间分辨率；为电子学等效应引起的本征空间分辨率； B、 C 分别为分别为L、 函数项的系数函数项的系数当当L=0， =0 时，时， xy=160 m 最小值最小值Z向空间分辨为向空间分辨为 z =340 m n n1 1个大气压个大气压个大气压个大气压 ArAr（80%80%）+ + CH4CH4（20%20%）。
7、）。）。）。n n圆柱长圆柱长圆柱长圆柱长2.66m2.66m。n n圆柱中央有一加负高压圆柱中央有一加负高压圆柱中央有一加负高压圆柱中央有一加负高压 （-20kV-20kV）的电极将圆柱分）的电极将圆柱分）的电极将圆柱分）的电极将圆柱分为左右对称的两半。为左右对称的两半。为左右对称的两半。为左右对称的两半。n n与电场平行磁场与电场平行磁场与电场平行磁场与电场平行磁场B=1.2TB=1.2Tn n每个端面分每个端面分每个端面分每个端面分6 6个扇区，每个个扇区，每个个扇区，每个个扇区，每个扇区有扇区有扇区有扇区有192192根灵敏丝，根灵敏丝，根灵敏丝，根灵敏丝，n n阴极板有阴极板有阴极板
8、有阴极板有1616圈感应片圈感应片圈感应片圈感应片，每圈，每圈，每圈，每圈相距相距相距相距4.5cm4.5cm。每片面积为。每片面积为。每片面积为。每片面积为52.5mm52.5mm2 2 ，每圈的片数从，每圈的片数从，每圈的片数从，每圈的片数从1616到到到到144144片不等，但为片不等，但为片不等，但为片不等，但为1616的倍数。宽度不同的倍数。宽度不同的倍数。宽度不同的倍数。宽度不同三、三、DELPHI的常压的常压TPCn nL=4.2m, D=4mL=4.2m, D=4mn n内外扇区阴极片尺寸不一样内外扇区阴极片尺寸不一样内外扇区阴极片尺寸不一样内外扇区阴极片尺寸不一样 四、四、S
9、TAR上的上的TPC60 cm190 cmOuter sectorOuter sector6.2 6.2 19.5 mm pads19.5 mm pads3940 pads3940 padsInner sectorInner sector2.85 2.85 11.5 mm pads11.5 mm pads1750 pads1750 padsn n24 sectors 24 sectors (12 on a side)(12 on a side)n nLarge pads Large pads good dE/dx good dE/dx resolution in resolution in t
10、he Outer the Outer sectorsectorn nSmall pads Small pads for good two for good two track track resolution in resolution in the inner the inner sectorsector70 Millions readout Channels70 Millions readout ChannelsOuter and Inner Sectors of the Pad Plane4mmanodegated gridV=150V0 Vn 增加增加增加增加“ “门门门门” ”丝丝丝
11、丝以减小高计数率下的空以减小高计数率下的空以减小高计数率下的空以减小高计数率下的空间电荷效应，加快正离间电荷效应，加快正离间电荷效应，加快正离间电荷效应，加快正离子收集子收集子收集子收集n 由与在由与在由与在由与在TPCTPC中心发生中心发生中心发生中心发生对撞时间有关的外加脉对撞时间有关的外加脉对撞时间有关的外加脉对撞时间有关的外加脉冲触发冲触发冲触发冲触发n n用于重离子固定靶实验。用于重离子固定靶实验。用于重离子固定靶实验。用于重离子固定靶实验。 规模较小；由于重离子碰撞中产生的很高的粒子径迹密度，规模较小；由于重离子碰撞中产生的很高的粒子径迹密度，规模较小；由于重离子碰撞中产生的很高的
12、粒子径迹密度，规模较小；由于重离子碰撞中产生的很高的粒子径迹密度，因此侧重点在双径迹分辨及次级顶点的重建。因此侧重点在双径迹分辨及次级顶点的重建。因此侧重点在双径迹分辨及次级顶点的重建。因此侧重点在双径迹分辨及次级顶点的重建。 密布的短丝（密布的短丝（密布的短丝（密布的短丝（NA36NA36，BNL810BNL810，无感应条读出），无感应条读出），无感应条读出），无感应条读出） 将阴极感应条平面分成大量的感应片（将阴极感应条平面分成大量的感应片（将阴极感应条平面分成大量的感应片（将阴极感应条平面分成大量的感应片（NA35NA35，HISSHISS，无信号丝读出），无信号丝读出），无信号丝读出
13、），无信号丝读出） e e+e e- -对撞机的实验中的对撞机的实验中的对撞机的实验中的对撞机的实验中的TPCTPC有好的动量分辨及粒子鉴有好的动量分辨及粒子鉴有好的动量分辨及粒子鉴有好的动量分辨及粒子鉴别，双径迹分辨较差；别，双径迹分辨较差；别，双径迹分辨较差；别，双径迹分辨较差； 重离子实验中的重离子实验中的重离子实验中的重离子实验中的TPCTPC有好的双径迹分辨，一般也有好的有好的双径迹分辨，一般也有好的有好的双径迹分辨，一般也有好的有好的双径迹分辨，一般也有好的动量分辨，但粒子鉴别能力较差动量分辨，但粒子鉴别能力较差动量分辨，但粒子鉴别能力较差动量分辨，但粒子鉴别能力较差五、其它气体五
14、、其它气体TPCn n用液体代替气体作为带电粒子的探测介质有许多用液体代替气体作为带电粒子的探测介质有许多用液体代替气体作为带电粒子的探测介质有许多用液体代替气体作为带电粒子的探测介质有许多优点。优点。优点。优点。气泡室、液氩电磁量能器气泡室、液氩电磁量能器气泡室、液氩电磁量能器气泡室、液氩电磁量能器n n液体液体液体液体TPCTPC具有良好的能量与空间分辨，像气泡室具有良好的能量与空间分辨，像气泡室具有良好的能量与空间分辨，像气泡室具有良好的能量与空间分辨，像气泡室一样，能给出电离径迹的三维成像。特别适合高一样，能给出电离径迹的三维成像。特别适合高一样，能给出电离径迹的三维成像。特别适合高一
15、样，能给出电离径迹的三维成像。特别适合高精度、大质量的应用与寻找稀有事例的实验中，精度、大质量的应用与寻找稀有事例的实验中，精度、大质量的应用与寻找稀有事例的实验中，精度、大质量的应用与寻找稀有事例的实验中，例如太阳中微子、质子衰变及双例如太阳中微子、质子衰变及双例如太阳中微子、质子衰变及双例如太阳中微子、质子衰变及双 衰变等。衰变等。衰变等。衰变等。n n常用液氩常用液氩常用液氩常用液氩(LAr)(LAr)六、液体六、液体TPCn n屏蔽栅屏蔽栅屏蔽栅屏蔽栅(Y)(Y)n n感应平面感应平面感应平面感应平面(Y)(Y)由灵敏由灵敏由灵敏由灵敏丝（丝（丝（丝（2 2根一组，相距根一组，相距根一
16、组，相距根一组，相距0.6mm0.6mm）、屏蔽丝）、屏蔽丝）、屏蔽丝）、屏蔽丝构成构成构成构成n n收集平面收集平面收集平面收集平面(X)(X)给出另给出另给出另给出另一维坐标一维坐标一维坐标一维坐标n n屏蔽栅的存在，使得屏蔽栅的存在，使得屏蔽栅的存在，使得屏蔽栅的存在，使得在漂移电子未穿过栅在漂移电子未穿过栅在漂移电子未穿过栅在漂移电子未穿过栅丝之前，不会在灵敏丝之前，不会在灵敏丝之前，不会在灵敏丝之前，不会在灵敏丝上产生感应信号。丝上产生感应信号。丝上产生感应信号。丝上产生感应信号。屏蔽栅平面对漂移电子屏蔽栅平面对漂移电子100%透明的条件透明的条件 E2/E11.4 E3/E13电场
17、线将在感应平面的灵敏丝之间通过而电场线将在感应平面的灵敏丝之间通过而到达收集平面的灵敏丝到达收集平面的灵敏丝n n三维成像三维成像三维成像三维成像每个事例每个事例每个事例每个事例2 2个二维平面成像：个二维平面成像：个二维平面成像：个二维平面成像：漂移时间漂移时间漂移时间漂移时间- -感应丝、漂移时间感应丝、漂移时间感应丝、漂移时间感应丝、漂移时间- -收集丝收集丝收集丝收集丝n n被取样采集的电荷值表示为像素的黑度，越黑表示电荷值越高被取样采集的电荷值表示为像素的黑度，越黑表示电荷值越高被取样采集的电荷值表示为像素的黑度，越黑表示电荷值越高被取样采集的电荷值表示为像素的黑度，越黑表示电荷值越
18、高宇宙线引起的簇射在收集面的成像宇宙线引起的簇射在收集面的成像包含电磁簇射和强子簇射包含电磁簇射和强子簇射小黑点由小黑点由1MeV的的 光子形成光子形成气体探测器的新发展气体探测器的新发展多漂移单元模块多漂移单元模块MDM 顶点探测器位于最内部，维修难。不仅要求定位精度高和计数率限高，还顶点探测器位于最内部，维修难。不仅要求定位精度高和计数率限高，还顶点探测器位于最内部，维修难。不仅要求定位精度高和计数率限高，还顶点探测器位于最内部，维修难。不仅要求定位精度高和计数率限高，还要求高可靠性、抗辐射性能强。要求高可靠性、抗辐射性能强。要求高可靠性、抗辐射性能强。要求高可靠性、抗辐射性能强。MDM
19、(Multidrift Module) MDM (Multidrift Module) 一、一、结构结构结构结构 单元：半径 1.5mm 1+6； 31m的不锈钢丝性能最好 模块：70个单元包在30mm的六角形碳纤维管内。管子作为机械支撑、气体密封。 每根径迹30次取样二、性能二、性能 M=10M=106 6 空间分辨率：空间分辨率：空间分辨率：空间分辨率：6565 mm 双径迹分辨双径迹分辨双径迹分辨双径迹分辨 500-1000 500-1000 mm 纵向（沿丝）分辨率纵向（沿丝）分辨率纵向（沿丝）分辨率纵向（沿丝）分辨率 0.9%0.9%丝长丝长丝长丝长 计数率限计数率限计数率限计数率限
20、 10106 6mm2 2s s1 1 抗辐照性能好：抗辐照性能好：抗辐照性能好：抗辐照性能好：0.5-1.0 0.5-1.0 A/cmA/cm，比通常，比通常，比通常，比通常的的的的MWPCMWPC好好好好2020倍倍倍倍 单元死时间单元死时间单元死时间单元死时间30-40ns30-40ns一、一、结构结构结构结构n n由由由由4-6mm4-6mm的圆柱形连续的圆柱形连续的圆柱形连续的圆柱形连续阴极面代替几根阴极丝限阴极面代替几根阴极丝限阴极面代替几根阴极丝限阴极面代替几根阴极丝限定的小单元。定的小单元。定的小单元。定的小单元。n n阴极是铝化的阴极是铝化的阴极是铝化的阴极是铝化的Mylar
21、Mylar或或或或LexanLexan膜，厚度膜，厚度膜，厚度膜，厚度3030 mm，并不引进更多的散射和，并不引进更多的散射和，并不引进更多的散射和，并不引进更多的散射和吸收吸收吸收吸收n n当丝断裂时可以起到很好当丝断裂时可以起到很好当丝断裂时可以起到很好当丝断裂时可以起到很好的隔离作用，也可较好地的隔离作用，也可较好地的隔离作用，也可较好地的隔离作用，也可较好地消除噪声消除噪声消除噪声消除噪声n n长度可达几米，需中间加长度可达几米，需中间加长度可达几米，需中间加长度可达几米，需中间加支撑。支撑。支撑。支撑。稻草管室稻草管室STCSTC (Straw Tube Chamber) STC
22、(Straw Tube Chamber) 二、性能二、性能 空间分辨率：空间分辨率：空间分辨率：空间分辨率：100100 mm 双径迹分辨：双径迹分辨：双径迹分辨：双径迹分辨： 4mm4mm，由管径决定，由管径决定，由管径决定，由管径决定 单元死时间：单元死时间：单元死时间：单元死时间： 40ns40ns 机械性能好，不怕断丝机械性能好，不怕断丝机械性能好，不怕断丝机械性能好，不怕断丝 进一步减小管子的直径、增加长度是对制作工进一步减小管子的直径、增加长度是对制作工进一步减小管子的直径、增加长度是对制作工进一步减小管子的直径、增加长度是对制作工艺的挑战。艺的挑战。艺的挑战。艺的挑战。n nMW
23、PCMWPC和漂移室是具有代表性的气体探测器。和漂移室是具有代表性的气体探测器。和漂移室是具有代表性的气体探测器。和漂移室是具有代表性的气体探测器。不仅在不仅在不仅在不仅在粒子物理实验中得到广泛的应用，且在粒子物理实验中得到广泛的应用，且在粒子物理实验中得到广泛的应用，且在粒子物理实验中得到广泛的应用，且在XX射线晶体学、射线晶体学、射线晶体学、射线晶体学、生物医学和天体物理等领域发挥重要作用。生物医学和天体物理等领域发挥重要作用。生物医学和天体物理等领域发挥重要作用。生物医学和天体物理等领域发挥重要作用。n nMWPCMWPC的局限性：的局限性：的局限性：的局限性： 垂直阳极丝方向，空间分辨
24、率有丝距（垂直阳极丝方向，空间分辨率有丝距（垂直阳极丝方向，空间分辨率有丝距（垂直阳极丝方向，空间分辨率有丝距（2mm2mm）决定。）决定。）决定。）决定。 由于正离子收集时间长，计数率受到限制。由于正离子收集时间长，计数率受到限制。由于正离子收集时间长，计数率受到限制。由于正离子收集时间长，计数率受到限制。 解决方法：解决方法：解决方法：解决方法： 减小丝距减小丝距减小丝距减小丝距: :改进空间分辨率，减小每根丝承受的粒子通量。改进空间分辨率，减小每根丝承受的粒子通量。改进空间分辨率，减小每根丝承受的粒子通量。改进空间分辨率，减小每根丝承受的粒子通量。 减小阳极和阴极间的气隙：缩短离子收集时
25、间，减小空间电荷减小阳极和阴极间的气隙：缩短离子收集时间，减小空间电荷减小阳极和阴极间的气隙：缩短离子收集时间，减小空间电荷减小阳极和阴极间的气隙：缩短离子收集时间，减小空间电荷效应效应效应效应 但这两种方法都会减小输出幅度（但这两种方法都会减小输出幅度（但这两种方法都会减小输出幅度（但这两种方法都会减小输出幅度（MM、电离数），机械加工精、电离数），机械加工精、电离数），机械加工精、电离数），机械加工精度的限制（度的限制（度的限制（度的限制（S1mm,L2mmS1mm,L2mm）时，丝室工作不稳定）时，丝室工作不稳定）时，丝室工作不稳定）时，丝室工作不稳定n n漂移室漂移室漂移室漂移室以其大
26、单元、高分辨及结构和制作相对简单得到以其大单元、高分辨及结构和制作相对简单得到以其大单元、高分辨及结构和制作相对简单得到以其大单元、高分辨及结构和制作相对简单得到更广泛的应用。更广泛的应用。更广泛的应用。更广泛的应用。 但不能工作在高计数率下，多径迹分辨差但不能工作在高计数率下，多径迹分辨差但不能工作在高计数率下，多径迹分辨差但不能工作在高计数率下，多径迹分辨差n n近年来，各种高强度，高能量的加速器的建造给探测器也近年来，各种高强度，高能量的加速器的建造给探测器也近年来，各种高强度，高能量的加速器的建造给探测器也近年来，各种高强度，高能量的加速器的建造给探测器也提出了新的更高的要求。提出了新
27、的更高的要求。提出了新的更高的要求。提出了新的更高的要求。 极快的时间响应极快的时间响应极快的时间响应极快的时间响应。强子对撞机。强子对撞机。强子对撞机。强子对撞机LHCLHC的对撞间隔是的对撞间隔是的对撞间隔是的对撞间隔是25ns, 25ns, HERA-BHERA-B的时间间隔是的时间间隔是的时间间隔是的时间间隔是96ns96ns，所以，探测器的时间响，所以，探测器的时间响，所以，探测器的时间响，所以，探测器的时间响应不能大于应不能大于应不能大于应不能大于100ns100ns。 高精度高精度高精度高精度，在高计数的前提下要有，在高计数的前提下要有，在高计数的前提下要有，在高计数的前提下要有
28、5050 m m 的带电粒子的带电粒子的带电粒子的带电粒子的径迹分辨。的径迹分辨。的径迹分辨。的径迹分辨。 因为所测量的粒子是最小电离粒子，探测器还必须有因为所测量的粒子是最小电离粒子，探测器还必须有因为所测量的粒子是最小电离粒子，探测器还必须有因为所测量的粒子是最小电离粒子，探测器还必须有高高高高增益增益增益增益才能有较高的探测效率。才能有较高的探测效率。才能有较高的探测效率。才能有较高的探测效率。n n近期出现的几种新型气体位置灵敏探测器。从技术上讲，近期出现的几种新型气体位置灵敏探测器。从技术上讲，近期出现的几种新型气体位置灵敏探测器。从技术上讲，近期出现的几种新型气体位置灵敏探测器。从
29、技术上讲，这些新的探测器大都建立在现代先进的微电子技术、光刻这些新的探测器大都建立在现代先进的微电子技术、光刻这些新的探测器大都建立在现代先进的微电子技术、光刻这些新的探测器大都建立在现代先进的微电子技术、光刻技术、多层板技术的基础之上。技术、多层板技术的基础之上。技术、多层板技术的基础之上。技术、多层板技术的基础之上。 n n各种类型的无丝位置灵敏探测器的发展，使气体探测器的各种类型的无丝位置灵敏探测器的发展，使气体探测器的各种类型的无丝位置灵敏探测器的发展，使气体探测器的各种类型的无丝位置灵敏探测器的发展，使气体探测器的技术进入一个崭新蓬勃发展的新时期。技术进入一个崭新蓬勃发展的新时期。技
30、术进入一个崭新蓬勃发展的新时期。技术进入一个崭新蓬勃发展的新时期。微条气体室微条气体室MSGCMSGC (MicroStrip Gas Chamber) MSGC (MicroStrip Gas Chamber) 一、一、结构和工作原理结构和工作原理结构和工作原理结构和工作原理n 在绝缘或半绝缘基质板在绝缘或半绝缘基质板在绝缘或半绝缘基质板在绝缘或半绝缘基质板上通过蚀刻而成的两组细上通过蚀刻而成的两组细上通过蚀刻而成的两组细上通过蚀刻而成的两组细金属条金属条金属条金属条: : 阳极条（阳极条（阳极条（阳极条（5-105-10 mm），），），），电场条（电场条（电场条（电场条（50-100 5
31、0-100 mm）n n 产生雪崩倍增的阳极和产生雪崩倍增的阳极和产生雪崩倍增的阳极和产生雪崩倍增的阳极和阴极之间的距离大大缩短阴极之间的距离大大缩短阴极之间的距离大大缩短阴极之间的距离大大缩短二、性能二、性能n 空间分辨空间分辨: 30 m，双径迹分辨，双径迹分辨400 m。n 能量分辨能量分辨 11%（55Fe）n 时间响应时间响应 上升时间上升时间 35ns,下降时间也只有下降时间也只有60nsn 高计数率限高计数率限 106mm2s1 由于由于MSGC好的能量、位置分辨，快的时间响应和快的计好的能量、位置分辨，快的时间响应和快的计数率能力，而得到人们广泛的关注。数率能力，而得到人们广泛
32、的关注。CMS采用其作为内层采用其作为内层的径迹探测器。的径迹探测器。n M103n 放大倍数稳定性不好放大倍数稳定性不好主要原因是在垫板上的电荷堆积和放电问题。在气体，主要原因是在垫板上的电荷堆积和放电问题。在气体，电极的材料，垫板的材料和表面处理等方面找到了比较电极的材料，垫板的材料和表面处理等方面找到了比较好的解决方案。好的解决方案。 电极易老化，影响寿命电极易老化，影响寿命气体电子倍增器气体电子倍增器GEMGEM (Gas Electron Multiplier) GEM (Gas Electron Multiplier) 一、结构和工作原理一、结构和工作原理一、结构和工作原理一、结构
33、和工作原理n GEM是用很薄的两面都是附有极薄的是用很薄的两面都是附有极薄的铜箔的有机聚合薄箔制成；在有机聚合铜箔的有机聚合薄箔制成；在有机聚合薄箔上用光刻技术打有高密度的小孔薄箔上用光刻技术打有高密度的小孔n 电子由上面转换区飘进小孔，放大后，电子由上面转换区飘进小孔，放大后，继续飘进过渡区到达下面的电极进行收继续飘进过渡区到达下面的电极进行收集集二、性能二、性能二、性能二、性能 空间分辨空间分辨空间分辨空间分辨: 40 : 40 mm 时间响应时间响应时间响应时间响应信号纯粹由电子产生，信号纯粹由电子产生，信号纯粹由电子产生，信号纯粹由电子产生，无离子尾巴，速度很快无离子尾巴，速度很快无离
34、子尾巴，速度很快无离子尾巴，速度很快 GEMGEM的放大倍数与孔的的放大倍数与孔的的放大倍数与孔的的放大倍数与孔的大小，膜的厚度有关，大小，膜的厚度有关，大小，膜的厚度有关，大小，膜的厚度有关，当然是电压的函数。当当然是电压的函数。当当然是电压的函数。当当然是电压的函数。当选取优化的参数在选取优化的参数在选取优化的参数在选取优化的参数在Ar-Ar-COCO2 2(70:30)(70:30)的气体中，的气体中，的气体中，的气体中，放大倍数可达放大倍数可达放大倍数可达放大倍数可达10104 4 几个倍增结构级联使用几个倍增结构级联使用几个倍增结构级联使用几个倍增结构级联使用 必须对每个必须对每个必
35、须对每个必须对每个GEMGEM上的上的上的上的电压，漂移极的电压，电压，漂移极的电压，电压，漂移极的电压，电压，漂移极的电压，工作气体等各种因素进工作气体等各种因素进工作气体等各种因素进工作气体等各种因素进行优化行优化行优化行优化。 GEM+MSGC两级两级GEM三、应用三、应用n n粒子物理实验粒子物理实验粒子物理实验粒子物理实验COMPASSCOMPASS双双双双GEMGEMn nXX成像，医疗诊断成像，医疗诊断成像，医疗诊断成像，医疗诊断微网平面气体探测器微网平面气体探测器MicromegasMicromegas (Micro Mesh Gaseous Structure)一、一、一、一
36、、结构和工作原理结构和工作原理用很薄很细的金属网代替阴极丝用很薄很细的金属网代替阴极丝平面，用刻有微条的板作为阳极平面，用刻有微条的板作为阳极平面，两平面之间的间隔小于平面，两平面之间的间隔小于100 m。这一小间隙可以用耐。这一小间隙可以用耐压好的石英丝或尼龙丝做垫片来压好的石英丝或尼龙丝做垫片来保证。保证。二、性能二、性能n n 空间分辨空间分辨空间分辨空间分辨: 60 : 60 mmn n 时间响应时间响应时间响应时间响应与放大间隙有关，当雪崩间隙由与放大间隙有关，当雪崩间隙由与放大间隙有关，当雪崩间隙由与放大间隙有关，当雪崩间隙由100100 mm下降到下降到下降到下降到5050 mm
37、时，信号的上升时间会减少时，信号的上升时间会减少时，信号的上升时间会减少时，信号的上升时间会减少2 2倍，当间隙为倍，当间隙为倍，当间隙为倍，当间隙为5050 mm时，时，时，时，30ns30ns的时间可以收集到整个信号的时间可以收集到整个信号的时间可以收集到整个信号的时间可以收集到整个信号n n 高计数率限高计数率限高计数率限高计数率限 10109 9mmmm2 2s s1 1 ，基本无饱和现象，基本无饱和现象，基本无饱和现象，基本无饱和现象n n M3x10M3x105 5 （Ar+CAr+C2 2HH6 6+CF+CF4 4）n n在探测器的均匀性，工作稳定性和长时间的可靠的实验中，在探
38、测器的均匀性，工作稳定性和长时间的可靠的实验中，在探测器的均匀性，工作稳定性和长时间的可靠的实验中，在探测器的均匀性，工作稳定性和长时间的可靠的实验中，均没有发现异常问题。均没有发现异常问题。均没有发现异常问题。均没有发现异常问题。 微网平面气体探测器（微网平面气体探测器（微网平面气体探测器（微网平面气体探测器（MicromegasMicromegas）不仅可以做高能不仅可以做高能不仅可以做高能不仅可以做高能物理实验的径迹探测器，还有可能做顶点探测器，同时可物理实验的径迹探测器，还有可能做顶点探测器，同时可物理实验的径迹探测器，还有可能做顶点探测器，同时可物理实验的径迹探测器，还有可能做顶点探
39、测器，同时可以应用在其它高计数率的领域。以应用在其它高计数率的领域。以应用在其它高计数率的领域。以应用在其它高计数率的领域。微隙室微隙室MGCMGC (Micro Gap Chamber) MGC (Micro Gap Chamber) 一、结构和工作原理一、结构和工作原理一、结构和工作原理一、结构和工作原理n Al膜（阴极）膜（阴极）+ 绝缘条绝缘条 + Al膜（阳极）膜（阳极）绝缘条的厚度（绝缘条的厚度（2 m）决定了阳决定了阳极阴极间的距离，也决定了电场。极阴极间的距离，也决定了电场。气体的放大与阳极的间隙无关气体的放大与阳极的间隙无关二、性能二、性能二、性能二、性能n n 收集正离子的
40、速度仅为收集正离子的速度仅为收集正离子的速度仅为收集正离子的速度仅为10ns10ns，这个速度几乎与固体探测器一样这个速度几乎与固体探测器一样这个速度几乎与固体探测器一样这个速度几乎与固体探测器一样 n n 高计数率限高计数率限高计数率限高计数率限 5x5x10106 6mmmm2 2s s1 1n n 增益增益增益增益比比比比MSGCMSGC高一个量高一个量高一个量高一个量级级 n 二维读出好，阴阳极几乎一样二维读出好，阴阳极几乎一样二维读出好，阴阳极几乎一样二维读出好，阴阳极几乎一样微槽气体探测器微槽气体探测器MGD一、一、一、一、结构和工作原理结构和工作原理结构和工作原理结构和工作原理n
41、 基于基于基于基于PCBPCB制作技术在两面制作技术在两面制作技术在两面制作技术在两面都有镀金铜箔的都有镀金铜箔的都有镀金铜箔的都有镀金铜箔的KaptonKapton膜膜膜膜刻上微槽而制成。上、下两刻上微槽而制成。上、下两刻上微槽而制成。上、下两刻上微槽而制成。上、下两层的金属微条分别是微槽的层的金属微条分别是微槽的层的金属微条分别是微槽的层的金属微条分别是微槽的阴阳两极，其气体放大是在阴阳两极，其气体放大是在阴阳两极，其气体放大是在阴阳两极，其气体放大是在KaptonKapton膜的微槽内。膜的微槽内。膜的微槽内。膜的微槽内。 n 微槽厚微槽厚微槽厚微槽厚5050 mm，镀金铜箔镀金铜箔镀金
42、铜箔镀金铜箔厚厚厚厚5 5 mm，阳极宽，阳极宽，阳极宽，阳极宽30-40 30-40 mm。二、性能二、性能二、性能二、性能n n阳极，阴极同时得到大小几乎一样的信号，只是极性不一样，有利于阳极，阴极同时得到大小几乎一样的信号，只是极性不一样，有利于阳极，阴极同时得到大小几乎一样的信号，只是极性不一样，有利于阳极，阴极同时得到大小几乎一样的信号，只是极性不一样，有利于二维读出二维读出二维读出二维读出n nM=1.510M=1.5104 4 ，增益的均匀性受，增益的均匀性受，增益的均匀性受，增益的均匀性受kaptonkapton膜的厚度均匀性的影响。膜的厚度均匀性的影响。膜的厚度均匀性的影响。
43、膜的厚度均匀性的影响。沿着槽方向的在沿着槽方向的在沿着槽方向的在沿着槽方向的在5 5以内，而垂直于槽的方向为以内，而垂直于槽的方向为以内，而垂直于槽的方向为以内，而垂直于槽的方向为1010左右。左右。左右。左右。短期稳定性：在高增益的情况下，当计数率较高时，开始工作的几十短期稳定性：在高增益的情况下，当计数率较高时，开始工作的几十短期稳定性：在高增益的情况下，当计数率较高时，开始工作的几十短期稳定性：在高增益的情况下，当计数率较高时，开始工作的几十秒内会出现气体增益的下降，而且下降较快，在以后时间里则下降缓秒内会出现气体增益的下降，而且下降较快，在以后时间里则下降缓秒内会出现气体增益的下降，而
44、且下降较快，在以后时间里则下降缓秒内会出现气体增益的下降，而且下降较快，在以后时间里则下降缓慢。与慢。与慢。与慢。与MSGCMSGC相类似，由于电荷堆积等效应而导致电场发生变化。相类似，由于电荷堆积等效应而导致电场发生变化。相类似，由于电荷堆积等效应而导致电场发生变化。相类似，由于电荷堆积等效应而导致电场发生变化。MGDMGD恢复快。恢复快。恢复快。恢复快。 n n高计数率限：高计数率限：高计数率限：高计数率限：10106 6mmmm-2-2s s-1-1n n能量分辨能量分辨能量分辨能量分辨 22% 22% 由于漂移电场会影响电荷的收集由于漂移电场会影响电荷的收集由于漂移电场会影响电荷的收集
45、由于漂移电场会影响电荷的收集 ，所以也会影响能量分辨。，所以也会影响能量分辨。，所以也会影响能量分辨。，所以也会影响能量分辨。 n n最快的信号是最快的信号是最快的信号是最快的信号是MGCMGC，其次是，其次是，其次是，其次是MSGCMSGC，而最慢的是，而最慢的是，而最慢的是，而最慢的是MGDMGD的信号。的信号。的信号。的信号。n n长期稳定性好长期稳定性好长期稳定性好长期稳定性好n nMGDMGD可以看成是一种改进型的微间隙探测器可以看成是一种改进型的微间隙探测器可以看成是一种改进型的微间隙探测器可以看成是一种改进型的微间隙探测器MGCMGC。 两电极的间隙增加到两电极的间隙增加到两电极
46、的间隙增加到两电极的间隙增加到50 50 mm，从而导致有较大的气体放大倍数，从而导致有较大的气体放大倍数，从而导致有较大的气体放大倍数，从而导致有较大的气体放大倍数 。 阳极的尺寸也增大了不少，电极的横截面增大约阳极的尺寸也增大了不少，电极的横截面增大约阳极的尺寸也增大了不少，电极的横截面增大约阳极的尺寸也增大了不少，电极的横截面增大约5050倍，从而使探测器坚倍，从而使探测器坚倍，从而使探测器坚倍，从而使探测器坚固，耐用。固，耐用。固，耐用。固，耐用。 MGDMGD探测器除时间响应稍差之外，保持了像探测器除时间响应稍差之外，保持了像探测器除时间响应稍差之外，保持了像探测器除时间响应稍差之外
47、，保持了像MSGCMSGC或或或或MGCMGC的优点的优点的优点的优点: :单一单一单一单一的气隙，单极的放大，简单的结构，简单的电压供给，高的收集效率等，的气隙，单极的放大，简单的结构，简单的电压供给，高的收集效率等，的气隙，单极的放大，简单的结构，简单的电压供给，高的收集效率等，的气隙，单极的放大，简单的结构，简单的电压供给，高的收集效率等，而且还有自己独特的优势，例如很好的二维读出，较大的规模，牢靠，而且还有自己独特的优势，例如很好的二维读出，较大的规模，牢靠，而且还有自己独特的优势，例如很好的二维读出，较大的规模，牢靠，而且还有自己独特的优势，例如很好的二维读出，较大的规模，牢靠，坚固
48、，工艺较简单（不需专门的微电子技术）等。坚固，工艺较简单（不需专门的微电子技术）等。坚固，工艺较简单（不需专门的微电子技术）等。坚固，工艺较简单（不需专门的微电子技术）等。大面积气体室大面积气体室 随着高能粒子物理实验的发展，粒子的能动随着高能粒子物理实验的发展，粒子的能动随着高能粒子物理实验的发展，粒子的能动随着高能粒子物理实验的发展，粒子的能动量越来越大，对带电粒子动量测量的分辨率要求量越来越大，对带电粒子动量测量的分辨率要求量越来越大，对带电粒子动量测量的分辨率要求量越来越大，对带电粒子动量测量的分辨率要求也越来越高。除了提高磁场强度外，需要粒子的也越来越高。除了提高磁场强度外，需要粒子
49、的也越来越高。除了提高磁场强度外，需要粒子的也越来越高。除了提高磁场强度外，需要粒子的测量长度也越长，探测器的体积越来越庞大。外测量长度也越长，探测器的体积越来越庞大。外测量长度也越长，探测器的体积越来越庞大。外测量长度也越长，探测器的体积越来越庞大。外层的层的层的层的 探测器面积达到探测器面积达到探测器面积达到探测器面积达到10104 4mm2 2，这就需要建造既，这就需要建造既，这就需要建造既，这就需要建造既廉价又可靠的大面积探测器。廉价又可靠的大面积探测器。廉价又可靠的大面积探测器。廉价又可靠的大面积探测器。蜂巢室蜂巢室 HSCHSC (Honeycomb Strip Chamber )
50、 HSC (Honeycomb Strip Chamber ) 一、一、结构结构结构结构 室体由聚碳酸酯箔组室体由聚碳酸酯箔组室体由聚碳酸酯箔组室体由聚碳酸酯箔组成。在箔上蚀刻得到铜成。在箔上蚀刻得到铜成。在箔上蚀刻得到铜成。在箔上蚀刻得到铜条，两张折叠的条带状条，两张折叠的条带状条，两张折叠的条带状条，两张折叠的条带状箔可形成六角形的箔可形成六角形的箔可形成六角形的箔可形成六角形的“ “蜂蜂蜂蜂巢巢巢巢” ”状单元。这些单元状单元。这些单元状单元。这些单元状单元。这些单元叠在一起就形成坚挺的叠在一起就形成坚挺的叠在一起就形成坚挺的叠在一起就形成坚挺的蜂巢室。蜂巢室。蜂巢室。蜂巢室。 单元中央
51、有一根阳极单元中央有一根阳极单元中央有一根阳极单元中央有一根阳极丝，与阴极条垂直。丝，与阴极条垂直。丝，与阴极条垂直。丝，与阴极条垂直。二、性能二、性能n 较高的空间定位精度较高的空间定位精度n 沿丝方向沿丝方向65 m（3根阴极条感应信号）根阴极条感应信号）n 垂直丝方向垂直丝方向150-200 m（漂移时间）（漂移时间）n 造价比漂移室便宜造价比漂移室便宜n n阴极条读出的阴极条读出的阴极条读出的阴极条读出的MWPCMWPCn n感应电荷重心法定位置感应电荷重心法定位置感应电荷重心法定位置感应电荷重心法定位置固有固有固有固有位置分辨取决于信噪比位置分辨取决于信噪比位置分辨取决于信噪比位置分
52、辨取决于信噪比和阴极条信号读出宽度。和阴极条信号读出宽度。和阴极条信号读出宽度。和阴极条信号读出宽度。 低噪声电荷灵敏放大器可达低噪声电荷灵敏放大器可达低噪声电荷灵敏放大器可达低噪声电荷灵敏放大器可达到到到到 Q/Q1%Q/Q1%n n空间分辨空间分辨空间分辨空间分辨 100100 mmn n可实现二维读出。可实现二维读出。可实现二维读出。可实现二维读出。 阴极条室阴极条室CSCCSC (Cathode Strip Chamber) CSC (Cathode Strip Chamber) 漂移室不适于端盖，特别是前向区漂移室不适于端盖，特别是前向区漂移室不适于端盖，特别是前向区漂移室不适于端盖
53、，特别是前向区（布丝困难、高计数率）。（布丝困难、高计数率）。（布丝困难、高计数率）。（布丝困难、高计数率）。 CSCCSC既有既有既有既有MWPCMWPC的高计数率能力，的高计数率能力，的高计数率能力，的高计数率能力，又有较好的空间分辨。又有较好的空间分辨。又有较好的空间分辨。又有较好的空间分辨。平行板室平行板室PPCPPC (Parallel Plate Chamber) PPC (Parallel Plate Chamber) 一、一、结构和工作原理结构和工作原理结构和工作原理结构和工作原理n 由两个平行的平面电极组成的单由两个平行的平面电极组成的单由两个平行的平面电极组成的单由两个平行
54、的平面电极组成的单间隙气体探测器间隙气体探测器间隙气体探测器间隙气体探测器。n n 薄的金属电极粘贴到平直的玻璃薄的金属电极粘贴到平直的玻璃薄的金属电极粘贴到平直的玻璃薄的金属电极粘贴到平直的玻璃板上。电极的内表面及分割电极形板上。电极的内表面及分割电极形板上。电极的内表面及分割电极形板上。电极的内表面及分割电极形成间隙的垫片的平整度均成间隙的垫片的平整度均成间隙的垫片的平整度均成间隙的垫片的平整度均5 106mm2s1 n 因气体放大倍数与电离产生的位置有关，离阳极越远则因气体放大倍数与电离产生的位置有关，离阳极越远则越高，但总输出信号与带电粒子的总能量沉积仍近似有正越高，但总输出信号与带电
55、粒子的总能量沉积仍近似有正比关系。能量分辨一般。比关系。能量分辨一般。n M5x104n 探测效率探测效率 90% （小气隙）（小气隙）适合高粒子通量、要求能快速响应和适中的能量分辨处，适合高粒子通量、要求能快速响应和适中的能量分辨处，如对撞点的小角度区。如对撞点的小角度区。CMS的的very forward区量能器采用区量能器采用PPC。阻性板室阻性板室RPCRPC (Resistive Plate Chamber) RPC (Resistive Plate Chamber) 一、结构和工作原理一、结构和工作原理一、结构和工作原理一、结构和工作原理n 由两块平行的阻性板由两块平行的阻性板（1
56、010-1012 cm）组成）组成n 阻性板材料一般为玻璃或电阻性板材料一般为玻璃或电木板，内表面覆亚麻油或脒胺木板，内表面覆亚麻油或脒胺膜。气隙膜。气隙2mmn 当带电粒子在工作气体内雪当带电粒子在工作气体内雪崩放电时，阻性板的高阻产生崩放电时，阻性板的高阻产生瞬时的电压降，电场急剧下降，瞬时的电压降，电场急剧下降，使放电猝灭。使雪崩放电限制使放电猝灭。使雪崩放电限制在几在几mm2的范围，其余部分仍的范围，其余部分仍处于工作状态。处于工作状态。n 信号由感应条或感应片读出。信号由感应条或感应片读出。可二维读出可二维读出二、二、MRPCn n小气隙，时间快，探测效率低；小气隙，时间快，探测效率
57、低；小气隙，时间快，探测效率低；小气隙，时间快，探测效率低；大气隙，信号小，时间慢大气隙，信号小，时间慢大气隙，信号小，时间慢大气隙，信号小，时间慢 多隙多隙多隙多隙RPC RPC （MRPCMRPC）n n粒子在各间隙独立雪崩，信号等粒子在各间隙独立雪崩，信号等粒子在各间隙独立雪崩，信号等粒子在各间隙独立雪崩，信号等于各雪崩效应于各雪崩效应于各雪崩效应于各雪崩效应“ “瞬时瞬时瞬时瞬时” ”叠加。信叠加。信叠加。信叠加。信号快、探测效率高号快、探测效率高号快、探测效率高号快、探测效率高工作模式：工作模式： SQS模式：信号大；恢复慢，低计数率模式：信号大；恢复慢，低计数率 100cm2s1
58、雪崩模式：适合相对高技术率；信号小，时间特性差雪崩模式：适合相对高技术率；信号小，时间特性差效率,时间分辨与高压的关系 效率,暗电流与高压的关系 效率, 时间分辨与计数率的关系 时间晃动与高压的关系 三、性能三、性能n n时间分辨好时间分辨好时间分辨好时间分辨好 100 ps 100 psn n探测效率探测效率探测效率探测效率 98% 98% （低粒子通量）（低粒子通量）（低粒子通量）（低粒子通量）n n宜于大面积制作，造价低。宜于大面积制作，造价低。宜于大面积制作，造价低。宜于大面积制作，造价低。得到广泛应用得到广泛应用得到广泛应用得到广泛应用ARGO-YBJARGO-YBJ，“地毯地毯”：
59、每个每个RPCRPC单元：单元： 2.8m 2.8m 1.12m1.12m128m128m 128m128m 分分4444行，行，110110列列BaBarBESIII，探测器 用用用用5050 mm的膜代替亚麻油，平整度的膜代替亚麻油，平整度的膜代替亚麻油，平整度的膜代替亚麻油，平整度高且体电阻可调高且体电阻可调高且体电阻可调高且体电阻可调n n从目前的模型试验情况和批量生产情从目前的模型试验情况和批量生产情从目前的模型试验情况和批量生产情从目前的模型试验情况和批量生产情况看，性能上已处于国际领先水平。况看，性能上已处于国际领先水平。况看，性能上已处于国际领先水平。况看，性能上已处于国际领先
60、水平。小间隙室小间隙室TGCTGC (Thin Gap Chamber) TGC (Thin Gap Chamber) 一、结构和工作原理一、结构和工作原理一、结构和工作原理一、结构和工作原理n 阳极和阴极间距很小阳极和阴极间距很小（1.5mm）n 工作气体工作气体 Ar(55)+CO2(45)+n-C5H12n n 工作在高增益饱和模式。当间距工作在高增益饱和模式。当间距变化变化0.2mm时，输出脉冲无变时，输出脉冲无变化。化。二、性能二、性能二、性能二、性能 室的性能对机械变形不灵敏，利于大面积使用。室的性能对机械变形不灵敏，利于大面积使用。室的性能对机械变形不灵敏，利于大面积使用。室的性
61、能对机械变形不灵敏，利于大面积使用。 输出信号在入射角输出信号在入射角输出信号在入射角输出信号在入射角4040时，输出信号对入射角相关很小。时，输出信号对入射角相关很小。时，输出信号对入射角相关很小。时，输出信号对入射角相关很小。 间距小，减小了电离束团漂移时间，时间分辨好。间距小，减小了电离束团漂移时间，时间分辨好。间距小，减小了电离束团漂移时间，时间分辨好。间距小，减小了电离束团漂移时间，时间分辨好。探测低动量的高精度漂移室探测低动量的高精度漂移室 漂移室测量带电粒子的动量分辨由漂移室测量带电粒子的动量分辨由漂移室测量带电粒子的动量分辨由漂移室测量带电粒子的动量分辨由空间分辨空间分辨空间分
62、辨空间分辨和和和和多次散射多次散射多次散射多次散射两两两两部分组成，对低动量带电粒子，部分组成，对低动量带电粒子，部分组成，对低动量带电粒子，部分组成，对低动量带电粒子，多次散射是主要因素多次散射是主要因素多次散射是主要因素多次散射是主要因素。 多次散射主要是在多次散射主要是在多次散射主要是在多次散射主要是在丝丝丝丝和工作和工作和工作和工作气体气体气体气体中产生。中产生。中产生。中产生。 氦（氦（氦（氦（HeHe，Z=2Z=2）是可供选择的）是可供选择的）是可供选择的）是可供选择的唯一低唯一低唯一低唯一低Z Z惰性气体（惰性气体（惰性气体（惰性气体（ArAr，Z=18Z=18） 必须加入第二种
63、必须加入第二种必须加入第二种必须加入第二种猝猝猝猝灭气体灭气体灭气体灭气体 氦基工作气体的饱和漂移速度较小，为较小扩散对空间氦基工作气体的饱和漂移速度较小，为较小扩散对空间氦基工作气体的饱和漂移速度较小，为较小扩散对空间氦基工作气体的饱和漂移速度较小，为较小扩散对空间分辨率的影响，通常分辨率的影响，通常分辨率的影响，通常分辨率的影响，通常采用小单元结构采用小单元结构采用小单元结构采用小单元结构镀金钨丝作阳极丝镀金钨丝作阳极丝镀金钨丝作阳极丝镀金钨丝作阳极丝场丝一般用场丝一般用场丝一般用场丝一般用Be-CuBe-Cu合金丝，但合金丝，但合金丝，但合金丝，但Z Z较大，用镀金（较大，用镀金（较大，用镀金（较大，用镀金（BaBarBaBar，KLOEKLOE）或镀银（）或镀银（）或镀银（）或镀银（BELLEBELLE）铝丝。）铝丝。）铝丝。）铝丝。铝场丝铝场丝铝场丝铝场丝的蠕变问题需仔细对待。的蠕变问题需仔细对待。的蠕变问题需仔细对待。的蠕变问题需仔细对待。
