大型磁谱仪的简介
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大型磁谱仪的简介. 郑志鹏 中科院高能物理所 2002.12.2. 内容简介. 探测器原理 从单个探测器到大型磁谱仪 磁谱仪的数据获取、分析和主要子探测器 大型磁谱仪举例:近期和未来 总结. 粒子. 微弱信号. 数据获取. 数据分析. 物质. 电子学. 探测器原理.

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大型磁谱仪的简介

郑志鹏

中科院高能物理所

2002.12.2


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内容简介

  • 探测器原理

  • 从单个探测器到大型磁谱仪

  • 磁谱仪的数据获取、分析和主要子探测器

  • 大型磁谱仪举例:近期和未来

  • 总结


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粒子

微弱信号

数据获取

数据分析

物质

电子学

探测器原理

基本粒子的尺度: 10 -17 — 10-13 cm,而目前最大倍数的电子显微镜的分辨率为 10-8 cm,因此距离肉眼观察至少还差10万倍。(实际上)我们对基本粒子的研究只能借助于“间接观察”手段。


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带电粒子与物质相互作用形式:

  • 电离以及其它效应, 如:电磁簇射、强子簇射、切仑科夫辐射、穿越辐射等。

  • 电离离子的收集和放大是探测器的基本过程


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探测器的功能

  • 计数

  • 径迹→位置

  • 径迹+磁场→动量(P) P = 300H

  • 径迹→射程→能量


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中性粒子探测

  • X, 电磁量能器(NaI、CsI、BGO)

  • →2  探测

  • n (中子) → p(质子) 反冲 →带电粒子或 核反应

  • ν(中微子) 测量丢失的质量 如: → +

    仍然最终归结为电离后离子的收集


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探测器简介

近年来,探测器从静电计、盖革计数管发展成数十种不同类型的探测器以满足核物理、高能物理和宇宙线物理的需求。它们有:

  • 盖革—弥勒计数管、电离室、正比计数器、多丝正比室、漂移室、时间投影室、时间扩展室、多步雪崩室、阻性板室、阴极条室、核乳胶、固体径迹探测器、云室、泡室、火花室、流光室。

  • 闪烁计数器、半导体探测器、切仑科夫计数器、硅条探测器、穿越辐射探测器

  • 中子探测器、  谱仪、谱仪、谱仪、多粒子谱仪

    ……等等


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探测器的发展

这些探测器后面都紧跟着相应的电子学设备。纵观探测器发展史,探测器与电子学是密不可分、形影不离,犹如一对孪生兄弟。


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从单个探测器到大型磁谱仪

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有多种探测器组成的磁谱仪。


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大型磁谱仪的优点

  • 可以同时测量粒子的多种性能(如电荷、质量、自旋、宇称、衰变宽度/寿命等)。

  • 可测量粒子的多种运动学参量(如能量、动量、速度等)。

  • 具有较好的粒子分辨本领。


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粒子分辨本领

  • 末态粒子 在数百种粒子中,绝大多数寿命极短,只有少数几种寿命大于 10-8秒,如 光子、正负电子(e±)、子(±)、带电介子(  ±)和介子(  ±)、质子(p)和反质子( )等。它们在探测器尺度(米)范围内被视为稳定粒子——称为末态粒子。

  • 谱仪中产生的粒子(初态粒子)可由末态粒子重建出来,因此在谱仪中,对末态粒子的分辨是至关重要的。


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对末态粒子的分辨方法

  • 测量粒子固有的静止质量m0通常是测量能量(E)、动量(P)、速度(v)、洛仑兹因子(  ),电离能损(dE/dx)等几个参量中的两个而求出m0  。


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对末态粒子的分辨方法

  • 不同种类粒子有不同的与物质作用效应——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。


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位置

鉴别

子计数器

强子量能器

电磁量能器

线圈和磁铁

强子鉴别

切仑科夫计数器

飞行时间计数器

中心漂移室

顶点探测器

无损探测

衰变顶点位置

对撞点

典型的磁谱仪子探测器的功能

子探测器测量参数功能


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磁谱仪的主要子探测器

  • 顶点探测器测量寿命为   ——   秒的粒子(如   介子、D介子、B介子)衰变顶点的位置。  气体型的位置分辨率100 硅微条探测器位置分辨可达几个

  • 中心径迹室

    • 给出带电粒子径迹,可测dE/dx

    • 配合磁场 可得 p

      常见的有圆柱形(喷注 型、小单元型)漂移室和时间投影室。 位置分辨率 70 —— 100 

      dE/dx分辨率 5 —— 7 %


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磁谱仪的主要子探测器

  • 飞行时间计数器

    • 测量带电粒子飞行时间(→速度),与动量信息配合,给出、、p、分辨

    • 触发

    • 排除宇宙线

      通常由快发光塑料闪烁体+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。但长时间运行的稳定性、寿命尚欠考验。


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粒子动量与由TOFII测量的速度的关系


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磁谱仪的主要子探测器

  • 切仑科夫计数器探测高速(超过光在同样介质的传播速度)带电粒子产生的切仑科夫辐射方向,从而确定粒子的速度:已知粒子的速度和动量信息就可以提供高动量范围的e、  、K、 p的分辨。常用的有:环形成像切仑科夫计数器(RICH) 内反射切仑科夫计数器(DIRC) 气凝硅胶(Aerogel)为辐射体的切仑科夫 计数器


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图 1。 穿越辐射示意图

磁谱仪的主要子探测器

  • 穿越辐射探测器测量高速带电粒子穿过不同介子表面产生的穿越辐射强度,确定粒子运动的洛仑子因子.


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磁谱仪的主要子探测器

构成 : 辐射体+探测器,交叠式。辐射体: 多层有机薄膜或多层轻金属箔。探测器: 充氙多丝正比室、稻草管


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磁谱仪的主要子探测器

  • 电磁量能器又称簇射计数器,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次级粒子的沉积能量,得到和e等的能量,它是鉴别和e等电磁作用粒子与其它种类粒子的主要探测器。


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磁谱仪的主要子探测器

分两大类:

  • 全吸收型:NaI、CsI、BaF2、BGO、PbWO4等无机晶体。有很好的能量分辨,如CsI可达2%(1GeV)。

  • 取样型:探测器+吸收体 交叠式探测器可以是多样的,如多丝室、自猝灭流光室、液氩或液氪电离室、塑料闪烁体、塑料光纤(光电倍增管读出)。吸收体多为铅板,也有使用钨板能量分辨 10——25% (1GeV)


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图 1 电子—光子簇射示意图

磁谱仪的主要子探测器

方向、位置的确定:用权重法测量簇射的横向分布。


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  • 图 2 取样型簇射计数器的几种单元结构

  • 簇射介质与塑料闪烁体夹层式。

  • 簇射介质与多丝室夹层式。

  • 液氩电离室型。

磁谱仪的主要子探测器


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磁谱仪的主要子探测器

纵向尺度选取:


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磁谱仪的主要子探测器

  • 强子量能器利用强子会在介质中产生强子簇射的原理,通过测量强子簇射过程(也包括少量电磁簇射如 )的次级粒子的沉积能量得到入射强子的能量。它是鉴别强子(  、K、 p)和其它种类粒子的主要探测器。它不但可以测量带电的,也可测量中性强子(如中子).


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磁谱仪的主要子探测器

由于高能强子在介质中的核作用长度较长,因此不大可能像电磁量能器那样做成全吸收型的强子量能器,通常都是取样型的,其结构与电磁量能器十分相似。

取样探测器:塑料闪烁体计数器、漂移室,流光室(管)、 阻性板室(RPC)和阴极条室(CSC)等。

吸收体:铁、铜、铅板。也有用铀板,可捕获簇射中产生的快中子而发生裂变,从而减少中子的泄漏,改善了量能器的能量响应和分辨率。


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磁谱仪的主要子探测器

能量分辨率 30 — 60 %

纵向尺寸的选取:


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磁谱仪的主要子探测器

  • 子计数器测量子的方向和位置,鉴别子和其它种类粒子的探测器。 子在物质中不会产生强子簇射,很少产生电磁簇射,主要产生电离过程(dE/dx),因而穿透能力强,通常把它放在最外层。取样量能器+吸收体 取样探测器与强子探测器的相似。 吸收体常用铁块,与磁铁轭铁合二为一。


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磁谱仪的主要子探测器

  • 亮度监测器 工作在对撞机磁谱仪上测量对撞亮度的 探测器。 在 对撞机上,布置在靠近束流管的小角度位置上,通常由四组对称探测器(闪烁+电磁量能器)组成,测量巴巴散射事例数而推算出亮度。


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磁谱仪的主要子探测器

  • 线圈和磁铁提供大体积的均匀磁场,使带电粒子在磁场下偏转,通过中心径迹室对径迹的测量,得到粒子的轨道偏转半径,从而求出粒子动量p。 常用螺旋管线圈,磁力线与束流方向平行,也有用偶极或环形磁场。20世纪七、八十年代开始使用超导磁场代替常规磁场,磁场强度为1—2 T 。


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数据获取和分析

  • 电子学系统 将探测器输出的信号(电脉冲形式)进行放大、成型及各种逻辑处理并进行数字化,将信息暂存并作数据预处理。 为了适应越来越大的待处理信息量,电子学需要:快、精、大(规模)。20世纪90年代电子学道数 ,本世纪初达到 。

  • 触发判选:选择满足物理条件的好事例,过滤压缩本底事例。要求:快,通常分几级进行。


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数据获取和分析

  • 数据获取和在线分析数据获取—对电子学来的信号进行快速处理,以数字信息形式记录下来。在线分析—给出反应探测器性能的各种统计图形以及所获事例的分类统计图形,实现对探测器与电子学工作状态的监测 一些新的技术:多数据缓冲,并行处理,总线高速读出,网络传输等。


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数据获取和分析

  • 离线数据分析将在线机上记录下来的数据在离线机上进行分析和处理,把数据还原为粒子种类、能量、动量等物理量。包括:M.C.模拟、事例重建、显示和物理分析。 随着粒子能量的增加,产生次级粒子的数量,能量也增加,数据信息是大大增加了。LHC(大型强子对撞机)将拥有1千台KS195中央处理机能力,磁带处理能力 字节。WWG网络提供了更方便的计算机共享机会。


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大型磁谱仪举例,近期和未来

  • 作用: 大型磁谱仪自它诞生的那一天起,在粒子物理探测方面就显示出综合性能的优势,因而得到不断发展。三十年来,在其基础上做出了许多重要的高能物理实验成果。 如:一些重要粒子的发现(J/ 、 、 、 和顶夸克等),电弱统一模型的精确测定以及量子色动力学(QCD)模型的检验等。

  • 应用:AMS (阿尔法磁谱仪)寻找宇宙中反物质和暗物质


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表1 近期曾经运行或正在运行的主要大型磁谱仪


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BES Detector


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L3 Detector


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L3 Detector

  • LEP上最大的探测器。大磁场线圈(长11.9米、  6米)。

  • 好的动量分辨: P/P=0.04%。

  • 电磁量能器BGO: E/E=1% (E > 2GeV)。


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Belle Detector

  • 不对称,可测B与反B的时间差。

  • 好的顶点探测器(硅微条)。

  • 气凝硅胶切仑科夫计数器。


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  • 世界上最大的时间投影室(长4.4米, 3.6米)

  • P/P=0.1% dE/dx分辨=4.5%


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表2 预计在2006年左右运行的主要大型磁谱仪


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ATLAS Detector

  • 内部Solenoid线圈(2 T)。

  • 外部toroidal 线圈(长26米、 20米)。

  • 电磁量能器:液氩(氪)电离室。


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CMS Detector

  • 有精确的、电子、光子测量

  • Solenoid 线圈 (4 T、长13米, 6米)

  • 径迹室:硅微条,微条气体室和硅象素(pixel),位置分辨可达 15 。

  • 电磁量能器PbWO4。


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AMS Detector


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总结

大型磁谱仪式由多个子探测器和磁铁线圈组成,具有综合优势,在粒子物理研究中起到了举足轻重的作用。 三十年来,随着粒子能量的增长和粒子物理发展的需求,磁谱仪的规模越来越大,精度越来越高。可以预言,在新的世纪中,它的技术会得到进一步发展,以适应高能物理研究的需要。


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