粒子探测的物理基础
粒子物理学中的基本粒子探测技术
粒子物理学中的基本粒子探测技术粒子物理学是物理学的重要分支之一，它主要研究各种基本粒子之间的相互作用、性质及其规律。
探测技术是粒子物理学中不可或缺的一个重要部分。
粒子物理学需要借助探测技术收集、测量基本粒子的性质与行为，从而推进粒子物理学的发展和进步。
本文将介绍粒子物理学中的基本粒子探测技术，包括探测器的分类、探测器的组成结构、探测原理及其应用。
一、探测器的分类探测器是粒子物理学中进行探测的主要工具。
探测器按照其原理，可以分为以下几类。
1. 材料探测器材料探测器是利用基本粒子在材料中沉积能量，经过电离过程产生载流子的原理。
最常见的材料探测器就是测量辐射的GM计数器。
同时，用于探测粒子径迹经过的凝胶、液体或气体也属于材料探测器，比如伽马射线探测器、电离室等。
2. 半导体探测器半导体探测器是利用基本粒子在半导体中放电，将芯片内的电子引入电路的原理。
半导体探测器具有极高的分辨率和精度，用于探测高能粒子的径迹和电荷。
一些常见的半导体探测器有硅器件和锗器件。
3. 闪烁体探测器闪烁体探测器是利用反应后产生的光子发出强烈的闪烁光，通过探测器探测光子的原理。
闪烁体探测器广泛用于探测中子、伽马射线、X射线、带电粒子等，如闪烁计数器、正电子探测器等。
4. 气体探测器气体探测器利用基本粒子在气体中产生电离，在电场作用下引起电流变化，从而进行探测的原理。
气体探测器通常用于探测高能粒子，如闪烁室、多丝电晕计数器等。
二、探测器的组成结构探测器是粒子物理学中进行探测的主要工具，其基本组成结构包括探测器外壳、前端电子学、计算机控制系统等。
1. 探测器外壳探测器外壳是指保护探测器内部的外部结构，具有良好的密封、隔绝和抗辐射能力。
不同的探测器具有不同的外壳材料和结构。
2. 前端电子学前端电子学是指探测器信号的处理和放大电路，包括前置放大器、信号形成器、可编程逻辑数组（FPGA）等，用于将探测器探测到的信号进行放大和处理，并输出数字信号。
粒子探测技术
第二章 粒子探测的物理基础§2-1 带电粒子和物质的相互作用 §2-2 光子和物质的相互作用 §2-3 强子和物质的强相互作用 §2-4 高能粒子和物质的作用与簇射1§2-3 强子与物质的强相互作用一、强子与物质相互作用简介 强子（例如：质子、中子、 介子、 K介子等）在通过介质时能与介质原 子的原子核发生强相互作用 p+p→p+p， n+p→n+p， +N→ +N … n+N→N*， +N→Δ→+Δ’ … 相互作用过程可分为弹性散射和非弹性散射两大类 弹性散射(elastic scattering)：参与相互作用的粒子的内 部状态始终没有改变 非弹性散射(inelastic scattering)：粒子内部状态发生了 改变，通常还伴随有次级粒子的产生2相互作用截面的简单估计 质子或中子的尺度大约在~10-13 cm。
质子/中子之间的碰撞截面则大致为~4*10-26 cm2 原子质量数为A的原子核的尺寸大致为 r0*A1/3，其中，r0为质子尺寸。
因此一个质子或中子与一个原子核之间（强）相互作用的截面大约为 4*10-26A2/3 cm2 以上只是一个非常简单和粗糙的估计，在有些条件下可能会与实际截面有很大差异。
3相互作用的特点 当能量在GeV以上量级时，质子－质子散射总截面大致在 ~ 40-50 mb。
在低能区，弹性散射和非弹性散射截面都随能量有较大的 变化（见p52图2.3.1）。
4相互作用长度 引入宏观截面 Σ=N*σ σ为反应过程截面，单位为cm2 ； N为单位体积内的原子数，单位为cm-3 ，N=NA*/A，其中，NA为阿伏加德罗常数，为介质密度，A为原子数； 因此，Σ的单位为cm-1，表征粒子在介质中穿行单位距离与介质发生相互作用的概率。
相互作用长度 =1/Σ，即平均自由程，单位为 cm。
粒子束在介质中通过一定距离x后的衰减由决定： 强子和物质相互作用的相互作用长度核碰撞长度T :T 反映总相互作用的贡献A N A totalA 核相互作用长度I : I N A非弹 反映非弹性散射的贡献cm cm由于σtotal> σinelastic， 因此I>T5常用介质的相互作用截面和相互作用长度对于Z≥6的物质，其核作用长度都比辐射长度大得多6二、中子与物质的相互作用 中子不带电，与物质相互作用主要是通过与原 子核的强相互作用进行的。
粒子物理学基础研究方法汇总表述
粒子物理学基础研究方法汇总表述粒子物理学，作为物理学的一个重要分支，研究微观世界的最基本构建块——物质的基本粒子以及它们之间的相互作用。
在粒子物理学的发展进程中，科学家们采用了多种不同的研究方法来探索微观世界的奥秘。
本文将对粒子物理学基础研究方法进行汇总表述。
1. 加速器技术：加速器是进行粒子物理学研究的重要工具之一。
科学家们通过使用不同类型的加速器，如环形加速器、线性加速器等，将粒子加速到高速并进行碰撞实验。
通过观察碰撞后产生的粒子，研究人员可以了解到更多有关基本粒子性质和相互作用的信息。
2. 探测器技术：探测器是用于捕获和测量粒子的装置。
不同类型的探测器被设计用于探测和测量不同类型的粒子，如带电粒子、中性粒子等。
通过分析探测器收集到的数据，科学家们可以了解到粒子的能量、动量、轨迹以及其他重要参数，从而推断粒子的性质和相互作用。
3. 数据分析与模拟：对于大量的实验数据，科学家们使用统计学和数据分析技术来处理和分析。
通过应用各种统计方法，研究人员可以从数据中提取出有用的信息，以验证或推翻某一理论。
此外，科学家还使用计算机模拟方法来模拟和研究各种粒子物理过程，以进一步理解和预测实验结果。
4. 标准模型：标准模型是目前对粒子物理学最基本粒子和相互作用的最全面和准确的理论描述。
科学家们利用标准模型的基础上的计算方法和理论预测，可以与实验结果进行比较，验证标准模型的正确性，并且寻找标准模型的不足之处，以便于进一步的研究和推进。
5. 协同研究：粒子物理学的研究需要多个实验室和大型国际合作组织之间的合作。
通过共享研究设备、数据和知识，科学家们能够增加实验的规模和精度，以及加快新发现的速度。
例如，欧洲核子中心（CERN）就是一个重要的粒子物理学研究中心，聚集了来自世界各地的科学家和工程师。
6. 实验和理论相结合：粒子物理学研究中，实验和理论密切结合，相互促进。
实验结果提供了对理论模型的验证或证伪。
而理论模型提供了对实验结果的解释和预测。
物理学中的粒子加速器与探测知识点
物理学中的粒子加速器与探测知识点粒子加速器与探测是物理学中重要的研究工具，它们不仅推动了基础科学的发展，也对人类社会产生了深远的影响。
本文将介绍粒子加速器的工作原理、分类以及应用，同时探讨探测器在物理实验中的重要性和功能。
一、粒子加速器的工作原理与分类粒子加速器是用来使带电粒子以极高的速度进行加速的装置。
其工作原理基于电磁学的法则，通过电场和磁场的作用，加速器能够为粒子提供动能，使其达到很高的速度。
常见的粒子加速器主要分为线性加速器和环形加速器两种。
1. 线性加速器（Linear Accelerator，简称LINAC）是将带电粒子沿直线加速的装置。
它由一系列加速模块组成，每个模块内部设有电场和磁场，通过不断切换电场的方向，实现对粒子的加速。
线性加速器在医学影像学中被广泛应用，用于产生高能X射线，用于癌症治疗和诊断。
2. 环形加速器（Cyclotron）是将带电粒子加速到一定能量后沿着闭合轨道运动的装置。
环形加速器由磁场和电场共同驱动粒子做匀速圆周运动，直到达到所需的能量。
环形加速器在粒子物理学实验中起到关键作用，例如欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）就是一种巨大的环形加速器。
二、粒子加速器的应用领域粒子加速器在各个领域都有广泛的应用，其中包括：1. 粒子物理研究：粒子加速器是研究基本粒子物理的重要工具。
通过加速和碰撞粒子，科学家可以深入研究元素粒子的性质、相互作用以及宇宙的演化过程。
LHC的发现了希格斯玻色子（Higgs boson）等重大科学成果，为粒子物理学做出了巨大贡献。
2. 核能研究：粒子加速器在核能研究中也发挥着重要作用。
通过控制粒子的能量和强度，科学家可以模拟核反应和核裂变，用于核能的发展和应用。
加速器驱动次临界核反应堆（ADS）被认为是下一代核能系统的重要选择。
3. 辐射治疗：粒子加速器在医学领域的辐射治疗中起着重要作用。
高能粒子的束流可以精确瞄准病变组织，实现对癌细胞的杀伤，同时最小化对周围正常组织的伤害。
粒子探测技术
已知自变量x1, x2 ,
xn的标准误差 x1 , x2
，可以证明
xn
多元函数f (x1, x2 , xn )的标准误差为：
2
2
2 f
f x1
2 x1
f x2
2 x2
2
f xn
2 xn
(N1 N2 ) N1＋N2
N0
E W
漂移，扩散，吸附，复合
• 外电场对电离粒子运动的影响
探测器收集到的电子离子对数随外加电压的变化曲线
• 工作气体
负电性气体
猝灭气体
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粒子探测
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2. 电离室
• 脉冲电离室 • 电流电离室
3. 正比计数器
• 气体放大现象，电子雪崩 • 工作特性：输出脉冲波形
能量线性和能量分辨率 • 类型：BF3慢中子正比计数器
各种粒子探测的基本原理
1. 微观粒子：
• 带电粒子：e、α、p、高能带电粒子 • 中性粒子：n • 电磁辐射：x、
2. 带电粒子和物质的相互作用：
• 电离激发效应 • Cerenkov效应 • 轫致辐射 • 多次散射 • 穿越辐射
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粒子探测
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• 有关概念：电离激发，特征x射线，俄歇效应，电子多次散射，
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考试安排
• 时间：2011.12.26 下午2:30-4:30 • 地点：
– 东区（物理学院）：1102教室 – 西区（核学院）： 3110、3111教室
• 可以带：计算器、尺子
量子力学的三大原理
量子力学的三大原理量子力学是研究微观粒子行为的一门物理学科，它的发展已经超过了一个世纪。
量子力学的三大原理是不确定性原理、波粒二象性原理和叠加原理。
这三个原理是量子力学的基础，对于我们理解微观世界非常重要。
一、不确定性原理不确定性原理是量子力学最重要的基本原理之一，也是最为广为人知的一个。
它由德国物理学家海森堡在1927年提出。
不确定性原理表明，对于微观粒子，我们无法同时准确地测量它们的位置和速度。
具体来说，如果我们想要测量一个粒子的位置，我们需要用一些工具来探测它，比如说光子或电子等。
然而这些工具会影响到粒子本身的运动状态，从而使得我们无法同时准确地知道它的位置和速度。
不确定性原理可以用数学公式来表示：ΔxΔp≥h/4π。
其中Δx代表位置误差，Δp代表动量误差，h代表普朗克常数。
这个公式告诉我们，在任何情况下都存在着一种限制关系，即当我们尝试准确地测量粒子的位置时，就会失去对它的动量的精确测量，反之亦然。
二、波粒二象性原理波粒二象性原理是量子力学中另一个重要的基本原理。
它表明微观粒子既可以表现出波动性质，也可以表现出粒子性质。
这个原理最早由法国物理学家路易·德布罗意在1924年提出。
具体来说，如果我们用电子束照射到一块双缝上，我们会发现电子在经过双缝后会形成干涉条纹。
这个实验显示了电子既有波动性质又有粒子性质。
如果我们用光线进行同样的实验，我们也会得到干涉条纹。
波粒二象性原理告诉我们，在微观世界中，所有物质都具有波动和粒子两种不同的本质属性。
这种属性的选择取决于我们对它们进行什么样的实验或观察。
三、叠加原理叠加原理是量子力学中第三个基本原理。
它指出，在某些情况下，微观粒子可以同时处于多种不同状态之间，并以一定概率出现在这些状态中的任意一个。
具体来说，如果我们用电子束照射到一块双缝上，电子就会同时通过两个缝隙，并在屏幕上形成干涉条纹。
这个实验表明，电子可以同时处于两种不同的状态之间，并以一定概率出现在它们中的任意一个。
粒子探测技术-USTC
– 光子与物质的相互作用：机制、特点
• 光电效应（核外电子） • 康普顿散射（核外电子） • 电子对产生（原子核）
– 中子与物质的相互作用（原子核）
• 散射和吸收：弹性散射、辐射俘获、带电粒子发射… • 探测方法：核反冲法、核反应法 …
• 高能粒子在物质中的簇射效应（原子核）
– 位置测量原理 – 基本结构和特点、电场分布
• 探测器常见的性能，及其在不同探测器之间的相互 比较（不限于气体探测器，对所有类型探测器）
– 探测效率、能量分辨、时间分辨、空间分辨、分辨时间
– 横向：莫里哀半径
x
轫致辐射能损 E E0e X0 光子产生电子对的平均自由程 ~ 9/7*X0 ~ X0
平均通过1个X0的距 离发生一次级联效应
这种级联过程一直持续到E(t)<Ec， 此时产生的次级粒子数最多，解
E(tmax)=E0/2tmax=Ec，可得 tmax= ln(E0/Ec)/ln2，相应有Nmax~E0/Ec
• 光子与物质的相互作用是单次随机事件，因而对单个光子 无射程的概念。光子束通过介质，其强度服从指数衰减规 律，相应地引入衰减系数μ
I I0ex
NA A
i
i
粒子探测技术
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电磁簇射
• 电磁簇射由两种过程支配：轫致辐射+电子对产生
• 决定电磁簇射发展的重要参数
– 纵向：辐射长度X0，相当于电磁簇射中发生一次级联效应在介质 中平均通过的距离。
粒子探测技术
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第四章：气体探测器
• 气体探测器的基本工作原理
– 气体电离→电荷漂移→气体放大→电荷收集和信号感应
N0
E W
u
粒子探测绪论讲解
中国科大 汪晓莲
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Tevatron Collider
Fermilab Tevatron Collider
是目前世界上在运行的最高能量的对撞机 质子，反质子束流加速到900 GeV ，有两 个相互作用对撞点 (CDF and DØ)
95年发现 Top夸克
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中国科大 汪晓莲
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欧洲粒子物理研究中心
中国科大 汪晓莲
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Basic Concepts: Energy
2019/5/30
中国科大 汪晓莲
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Basic Concepts: Energy
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中国科大 汪晓莲
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electron
(energy U)
U= 1 eV = 1.6x10-19J
(speed at positive plate 18 000 km/s)
世界上第一台对撞加速器
1960年意大利科学家陶歇克(B.Touschek)首次提出并在意大利的Frascati国家实验室
20建19/成5/3了0 直径约1米的AdA对撞机，验证了中国原科大理汪，晓从莲 此开辟了加速器发展的新纪元。
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美国BNL 的3.3GeV Cosmotron
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中国科大 汪晓莲
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建立夸克模型的关键实验:电子轰击质子(1972)
质子并不是一个几何点。它有大小，其半径10-13cm，电荷就分布在这
样一个小空间范围
e
质子内部分布着大量的点电荷
定量分析表明,质子是由三个夸克组成
e
1974年——丁肇中，B. Richter 发现 J/ 粒子
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中子常用探测方法
探测中子的本质是探测中子与原子核的相互作用 中产生的次级带电粒子。为此必须要有能与中子 发生相互作用并产生次级带电粒子的物质，称为 辐射体。常用的中子探测方法有：
核反冲法 核反应法 核裂变法 核活化法
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1、核反冲法
核反冲法是记录中子与原子核弹性散射后的反冲核。在 弹性散射过程中，中子运动方向改变，能量减少。损失 的能量传递给原子核，使原子核以一定的速度运动，该 核称作反冲核。反冲核具有电荷，可以作为带电粒子记 录。记录了反冲核，就探测到了中子。 该方法主要用于探测快中子。 由能动量守恒，在弹性散射中，反冲核获得的动能
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2、核反应法
中子与原子核反应所产生的带电粒子与反应截面和中子通 量(单位时间通过单位面积的中子数)成正比，通过测量带 电粒子数可以得到中子通量，这种方法称为核反应法。 原子核反应用方程式表示
a(入射粒子)+A(靶核)b(出射粒子)+B(剩余核)+Q，或简写成 A （ a， b） B 箭头两边的总电荷数Z和总质量数A必须相等；反应前后体系的总 能量（静止能量和动能之和）不变，总动量不变。 Q值>0的反应，放热反应； Q值<0的反应，吸热反应。
由于σtotal> σinelastic， 因此I>T
5
核相互作用长度I :
I
A N A 非弹
cm
反映非弹性散射的贡献
常用介质的相互作用截面和相互作用长度
对于Z≥6的物质，其核作用长度都比辐射长度大得多（辐射长度见p29，表2.1.4）
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二、中子与物质的相互作用
பைடு நூலகம்
中子不带电，与物质相互作用主要是通过与原 子核的强相互作用进行的。具体相互作用机制 有两大类：
4mn M 2 E反冲 En cos 2 (mn M )
M原子核质量 反冲角
En’ 散射中子 En 入射中子 E反冲 反冲核
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若以质量数代替质量，则mn=1, M=A
E反冲 4A 2 2 E cos E cos n n 2 ( A 1)
由此可见，反冲核越小获得的能量越大。当＝0， A＝1时，E反冲＝En，最大。
2
相互作用过程可分为弹性散射和非弹性散射两大类
相互作用截面的简单估计
质子或中子的尺度大约在~10-13 cm。 质子/中子之间的碰撞截面则大致为~4*10-26 cm2
原子质量数为A的原子核的尺寸大致为 r0*A1/3，其 中，r0为质子尺寸。
因此一个质子或中子与一个原子核之间（强）相互作 用的截面大约为 4*10-26A2/3 cm2 以上只是一个非常简单和粗糙的估计，在有些条件下 可能会与实际截面有很大差异。
辐射俘获、带电粒子发射和重核裂变三种过程总的效果是造 成中子被吸收，这些反应截面之和称为吸收截面；弹性和非 弹性散射中，中子没有被吸收，而是作为末态粒子存在，相 应的反应总截面称之为总散射截面。 弹性散射和中子辐射俘获是中子与原子核最普遍的反应过程。
对于轻核和中等核，弹性散射是主要的核反应过程； 非弹性散射过程通常在快中子与中、重核作用时发生； 慢中子与重核的相互作用中，中子辐射俘获是一个主要过程。
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中子与原子核作用的分类
中子与原子核的作用具体可细分为：弹性散射、非弹性散射 （此处的非弹性散射中，中子始终存在）、辐射俘获、带电 粒子发射和重核的裂变等过程。
辐射俘获：原子核吸收中子形成处于激发态的复合核，复合核通过发射γ 光子退激； 带电粒子发射：复合核发射α,p,d等重带电粒子； 重核裂变：复合核发生裂变反应。
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相互作用的特点
当能量在GeV以上量级时，质子－质子散射总截面大致在 ~ 40-50 mb。 在低能区，弹性散射和非弹性散射截面都随能量有较大的 变化（见p52图2.3.1）。
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相互作用长度
引入宏观截面 Σ=N*σ
σ为反应过程截面，单位为cm2 ；
N为单位体积内的原子数，单位为cm-3 ，N=NA*/A，其中，NA为 阿伏加德罗常数，为介质密度，A为原子数；
第二章 粒子探测的物理基础
§2-1 带电粒子和物质的相互作用
§2-2 光子和物质的相互作用
§2-3 强子和物质的强相互作用 §2-4 高能粒子和物质的作用与簇射
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§2-3 强子与物质的强相互作用
一、强子与物质相互作用简介
强子（例如：质子、中子、 介子、 K介子等）在通过介质时能与介质原 子的原子核发生强相互作用
p+p→p+p， n+p→n+p， +N→ +N … n+N→N*， +N→Δ→+Δ’ …
弹性散射(elastic scattering)：参与相互作用的粒子的内 部状态始终没有改变 非弹性散射(inelastic scattering)：粒子内部状态发生了 改变，通常还伴随有次级粒子的产生
因此，Σ的单位为cm-1，表征粒子在介质中穿行单位距离与介质发 生相互作用的概率。
相互作用长度 =1/Σ，即平均自由程，单位为 cm。 粒子束在介质中通过一定距离x后的衰减由决定： 强子和物质相互作用的相互作用长度
核碰撞长度T :
T
A N A total
cm
反映总相互作用的贡献
反冲质子: 选用含氢物质做辐射体，此时反冲核就是质子。 实际中常用石蜡、水等含氢物质作为中子慢化剂。 核反冲法探测中子时应选择轻核物质做辐射体。如氢、甲 烷等气体，有机玻璃、有机晶体、塑料等固体。
核反冲法可以测量快中子能量。当一定时， E反冲正比于 En。实际中测量沿入射中子束方向小张角内（如±10度） 的反冲质子，此时探测器接收到的反冲质子较多，反冲质 子的能量很接近入射中子能量。
吸收：中子进入介质中的原子核内，发生核反应，原 子核被激发，处于激发态的原子核通过放出γ射线或 产生次级重带电粒子而退激 散射：中子与原子核发生碰撞，出射中子的能量和方 向发生变化，原子核类型不变，受到反冲或被激发。
次级重带电粒子和反冲原子核均为带电粒子， 它们通过电离损失在介质中损失能量。 对中子的探测通常就是通过探测这些次级带电 粒子实现的（间接探测）。