大型磁谱仪的简介课件

大型磁谱仪的简介大型磁谱仪的简介大型磁谱仪的简介大型磁谱仪的简介 郑志鹏郑志鹏 中科院高能物理所中科院高能物理所 2002.12.25/25/20241大型磁谱仪的简介 郑志鹏8/内容简介内容简介内容简介内容简介探测器原理探测器原理从单个探测器到大型磁谱仪从单个探测器到大型磁谱仪磁谱仪的数据获取、分析和主要子探测磁谱仪的数据获取、分析和主要子探测器器大型磁谱仪举例：近期和未来大型磁谱仪举例：近期和未来总结总结5/25/20242内容简介探测器原理8/4/20232探测器原理探测器原理 基本粒子的尺度：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，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，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万倍。（实际上）我们对基本粒子的研究只能借助于“间接观察间接观察”手段。手段。粒子物质微弱信号电子学数据获取数据分析5/25/20243探测器原理 基本粒子的尺度：10-17 10-带电粒子与物质相互作用形式：带电粒子与物质相互作用形式：电离以及其它效应，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。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电离离子的收集和放大是探测器的基本过程5/25/20244带电粒子与物质相互作用形式：电离以及其它效应，如：电磁簇射探测器的功能探测器的功能计数计数径迹径迹位置位置径迹径迹+磁场磁场动量动量（）（）=300H 径迹径迹射程射程能量能量5/25/20245探测器的功能计数8/4/20235中性粒子探测中性粒子探测X，电磁量能器（电磁量能器（NaI、CsI、BGO）2 探测探测 n（中子）（中子）p（质子）（质子）反冲反冲 带电粒子或带电粒子或 核反应核反应（中微子）中微子）测量丢失的质量测量丢失的质量 如：如：+仍然最终归结为电离后离子的收集仍然最终归结为电离后离子的收集5/25/20246中性粒子探测X，电磁量能器（NaI、CsI探测器简介探测器简介 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：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。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、中子探测器、谱仪、谱仪、谱仪、谱仪、谱仪、多粒子谱仪谱仪、多粒子谱仪 等等等等 5/25/20247探测器简介 近年来，探测器从静电计、盖革探测器的发展探测器的发展 这些探测器后面都紧跟着相应的电子学设备。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。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。5/25/20248探测器的发展 这些探测器后面都紧跟着相从单个探测器到大型磁谱仪从单个探测器到大型磁谱仪 随着加速器能量的增长，产生的随着加速器能量的增长，产生的粒子数目粒子数目越来越多越来越多.随着粒子物理的发展，需要测量随着粒子物理的发展，需要测量粒子的参数粒子的参数越来越多。越来越多。因而单个探测器满足不了这些需要，于是在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。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。5/25/20249从单个探测器到大型磁谱仪 随着加速器能量大型磁谱仪的优点大型磁谱仪的优点可以同时测量粒子的多种性能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（如电荷、质量、自旋、宇称、衰变宽度/寿命等）。寿命等）。可测量粒子的多种运动学参量可测量粒子的多种运动学参量（如能量、动量、速度等）。（如能量、动量、速度等）。具有较好的粒子分辨本领具有较好的粒子分辨本领。5/25/202410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、自粒子分辨本领粒子分辨本领末态粒子末态粒子 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，如秒，如 光子、正负电子（光子、正负电子（e）、）、子（子（）、带电）、带电 介子（介子（）和）和 介子（介子（）、质子（）、质子（p）和反质子）和反质子()等。它们在探测器尺度（米）范围内被视为稳定粒子等。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。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，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因此在谱仪中，对末态粒子的分辨是至关重要的。5/25/202411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，只对末态粒子的分辨方法对末态粒子的分辨方法I.测量粒子固有的静止质量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（通常是测量能量（）、动量（）、速度（）、洛仑兹因子（），电离能损（）等几个参量中的两个而求出），电离能损（）等几个参量中的两个而求出m0。5/25/202412对末态粒子的分辨方法测量粒子固有的静止质量m0通常是测对末态粒子的分辨方法对末态粒子的分辨方法II.不同种类粒子有不同的与物质作用效应不同种类粒子有不同的与物质作用效应电磁簇射电磁簇射强子簇射强子簇射强穿透力强穿透力（大射程）（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。磁谱仪的粒子分辨是由各子探测器和磁场联合实现的。5/25/202413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典型的磁谱仪子探测器的功能典型的磁谱仪子探测器的功能子探测器子探测器测量参数测量参数功能功能无损探测对撞点子计数器位置鉴别强子量能器强子鉴别电磁量能器切仑科夫计数器飞行时间计数器线圈和磁铁中心漂移室顶点探测器衰变顶点位置5/25/202414典型的磁谱仪子探测器的功能子探测器测量参数功磁谱仪的主要子探测器磁谱仪的主要子探测器I.顶点探测器顶点探测器测量寿命为测量寿命为 秒的粒子（如秒的粒子（如 介子、介子、介子）介子、介子、介子）衰变顶点的位置衰变顶点的位置。气体型的位置分辨率气体型的位置分辨率100 硅微条探测器位置分辨可达几个硅微条探测器位置分辨可达几个 II.中心径迹室中心径迹室给出带电粒子径迹，可测给出带电粒子径迹，可测dE/dx配合磁场配合磁场 可得可得 p 常见的有圆柱形（喷注常见的有圆柱形（喷注 型、小单元型）漂移室和时间投影室。型、小单元型）漂移室和时间投影室。位置分辨率位置分辨率 70 100 dE/dx分辨率分辨率 5 7%5/25/202415磁谱仪的主要子探测器顶点探测器测量寿命为 秒磁谱仪的主要子探测器磁谱仪的主要子探测器III.飞行时间计数器飞行时间计数器测量带电粒子飞行时间（测量带电粒子飞行时间（速度），与动量信息配合，速度），与动量信息配合，给出给出、p、分辨、分辨触发触发排除宇宙线排除宇宙线 通常由快发光塑料闪烁体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（的时间分辨。多间隙阻性板室（MRPC），可达到），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。的时间分辨。但长时间运行的稳定性、寿命尚欠考验。5/25/202416磁谱仪的主要子探测器飞行时间计数器8/4/202316 粒子动量与由TOFII测量的速度的关系5/25/202417 粒子动量与由TOFII测量的速度的关系8磁谱仪的主要子探测器磁谱仪的主要子探测器IV.切仑科夫计数器切仑科夫计数器 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。的分辨。常用的有：环形成像切仑科夫计数器（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（内反射切仑科夫计数器（DIRC）气凝硅胶气凝硅胶(Aerogel)为辐射体的切仑科夫为辐射体的切仑科夫 计数器计数器5/25/202418磁谱仪的主要子探测器切仑科夫计数器 探测高速（超磁谱仪的主要子探测器磁谱仪的主要子探测器V.穿越辐射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，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确定粒子运动的洛仑子因子.图图 1。穿越辐射示意图穿越辐射示意图 5/25/202419磁谱仪的主要子探测器穿越辐射探测器 测量高速磁谱仪的主要子探测器磁谱仪的主要子探测器构成构成 ：辐射体辐射体+探测器探测器，交叠式。，交叠式。辐射体：辐射体：多层有机薄膜或多层轻金属箔。多层有机薄膜或多层轻金属箔。探测器：探测器：充氙多丝正比室、稻草管充氙多丝正比室、稻草管 5/25/202420磁谱仪的主要子探测器构成 ：辐射体磁谱仪的主要子探测器磁谱仪的主要子探测器VI.电磁量能器电磁量能器 又称簇射计数器，是利用又称簇射计数器，是利用 和和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 和和e等的能量，它是等的能量，它是鉴别鉴别 和和e等电磁作用粒子与其它种类粒子的主要探测器等电磁作用粒子与其它种类粒子的主要探测器。5/25/202421磁谱仪的主要子探测器电磁量能器 又称簇射计磁谱仪的主要子探测器磁谱仪的主要子探测器分两大类：分两大类：全吸收型全吸收型：NaI、CsI、BaF2、BGO、PbWO4等无机晶体。有很好的能量分辨，如等无机晶体。有很好的能量分辨，如CsI可达可达2%（1GeV）。）。2GeV）。）。5/25/202439L3 DetectorLEP上最大的探测器。大磁场线圈（Belle Detector1.不对称，可测不对称，可测B与反与反B的时间差。的时间差。2.好的顶点探测器（硅微条）。好的顶点探测器（硅微条）。3.气凝硅胶切仑科夫计数器。气凝硅胶切仑科夫计数器。5/25/202440Belle Detector不对称，可测B与反B的时间差1.世界上最大的时间投影室（长世界上最大的时间投影室（长4.4米，米，3.6米）米）2.P/P=0.1%dE/dx分辨分辨=4.5%5/25/202441世界上最大的时间投影室（长4.4米，3.6米）8/4/2表2 预计在2006年左右运行的主要大型磁谱仪5/25/202442表2 预计在2006年左右运行的主要大型磁谱仪8/4/202ATLAS Detector1.内部内部Solenoid线圈（线圈（2 T）。）。2.外部外部toroidal 线圈（长线圈（长26米、米、20米）。米）。3.电磁量能器：液氩（氪）电离室。电磁量能器：液氩（氪）电离室。5/25/202443ATLAS Detector内部Solenoid线圈（2 CMS Detector1.有精确的有精确的、电子、光子测量、电子、光子测量2.Solenoid 线圈线圈（4 T、长、长13米，米，6米）米）3.径迹室：硅微条，微条气体室和硅象素（径迹室：硅微条，微条气体室和硅象素（pixel），位置分辨可达），位置分辨可达 15 。4.电磁量能器电磁量能器PbWO4。5/25/202444CMS Detector有精确的、电子、光子测量8/4/AMS Detector5/25/202445AMS Detector8/4/202345总结总结 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。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。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。5/25/202446总结 大型磁谱仪式由多个子探测器和磁铁线圈组