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摘受 摘要 h m s ( a l p h am a g n e t i cs p e c t r o m e t e r ) 实验是由- j 肇中教授领导的一个人型空间物理实 验，该实验将研制一个工作于国际空间站上的、能精密测量高能量带电原子核和粒子的磁谱 仪，用于寻找反物质、探索暗物质和测量宁南射线。a i s ( a n t i m a t t e ri n v e s t m e n ts y s t e m ) 系统是a m s 一0 2 的一个重要组成部分，它由探测器、电子系统和地面控制系统三个部分组成， 是a m s 0 2 探测器的仿真、故障重现和诊断、升级及测试的重要平台。而硅微条探测器t r a c k e r 是a i s 系统中最主要的探测器，读出通道较多，其数据量也比较人。由丁可以比较精确地测 量经过粒子的轨迹，因此对于t r a c k e r 的数据处理也显得非常的重要。 本文首先介绍了a m s 的结构，然后分析了各部分探测器的功能。其次，同顾了探测器的 发展历史与现状，介绍了双边读出硅微条探测器的结构与原理。详细介绍了t r a c k e r 的结构 以及a i s 系统中t r a c k e r 的设计。由于a m s 实验是一个由多个国家和地区的研究机构参与的 项目，资料的保存非常分散，因此给a i s 的t r a c k e r 数据的解读、分析研究带来了很人的难 度。本文首先整理出了舢i s - 0 1 的数据格式，然后在此基础上对比a i s 系统获取的人督的实 际数据，对a i s 系统的t r a c k e r 的数据的解读、处理和分析进行了细致的研究，最后得剑了 比较完整的a i s 系统t r a c k e r 的数据格式和相应的解读方法。最后，通过整合、分析资料， 编写程序对数据进行处理，对一些粒子的轨迹以及对微条的性能、相关性等进行了研究，为 今后对h m s 0 2 得到的大量数据进行处理打下了基础。 关键字：h m s 实验，硅微条探测器，数据分析，统计处理，微条性能 东南人学颂i ：学位论文 a b s t r a c t t h ea m s ( a l p h am a g n e t i cs p e c t r o m e t e r ) p r o j e c ti sal a r g es p a c ep h y s i c a l e x p e r i m e n tl e a d e db ys a m u e lc h a oc h u n gt i n g i tw i1 1d e v e l o pap r e c i s i o nm a g n e t i s m i n s t r u m e n tw h i c hw o r k so nt h ei s s ( i n t e r n a t i o n a ls p a c es t a t i o n ) i ti sd e s i g n e dt o s e a r c hd a r k ，a n t i - m a t t e ra n dm e a s u r eu n i v e r s er a d i a l si ns p a c e a i s ( a n t i m a t t e r i n v e s t m e n ts y s t e m ) i sa ni m p o r t a n tp a r to fa m s 一0 2 i tc o n s is t so fd e t e c t o r s ， e l e c t r o ns y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e m i tc a nb eu s e da sap l a t f o r mt od ot h es i m u l a t i o n ， t r o u b l e s h o o t i n g ，d i a g n o s t i c s ，u p g r a d ea n dt e s to f t h ea m s 一0 2s y s t e m t h et r a c k e r i st h em o s ti m p o r t a n tp a r ti na i s ，i th a sal a r g en u m b e ro fr e a d o u tc h a i n s ，s ot h e d a t ao ft h et r a c k e ri sv e r yh u g e f o ri tc a nm e a s u r et h et r a c eo f t h ep a r t i c l e a c c u r a t e l y ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt od e a lw i t ht h ed a t ao f t h et r a c k e r f i r s t l ya ni n t r o d u c t i o no ft h es t r u c t u r eo fa m sw a sp r o p o s e d s e c o n d l y ，t h e a r t i c l er e v i e w e dt h eh i s t o r ya n da c t u a lit yo ft h ed e t e c t o ra n dt h e ni n t r o d u c e dt h e p r i n c i p l eo ft h es i li c o ns t r i pd e t e c t o r t h i r d l y ，i te x p a t i a t e dt h es t r u c t u r eo f t h et r a c k e r ，a n d r e s e a r c h e dt h ed e s i g n a t i o no ft h et r a c k e ri na i s f o ra m si sa m u l t i n a t i o n a lp r o j e c t ，t h ed o c u m e n t a t i o ni sd i s p e r s i b l e ，s oi ti sd i f f i c u l tt o u n s c r a m b l et h ed a t a t h i sp a p e rt i d i e dt h ed a t af o r m a to fa m s 0 1a tt h ef i r s t t h e n c o n t r a s t e dt h ed a t ao fa i sa n dd i dal o to fw o r ko nt h ed a t a a f f i r m e da n di n t e g r a t e d t h ed a t af o r m a to fa i s a tl a s t ，c o m p il ep r o g r a m st os i m u l a t et h ed a t a ，d i ds o m e s t u d i e si nt h et r a c eo ft h ep a r t i c l e s ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h es t r i p sa n dt h e r e l a t i v i t yb e t w e e nt h es t r i p s k e y w o r d s ：a m s ，s i l i c o ns t r i pd e t e c t o r ，d a t af o r m a t ，s t a t i s t i c ，s t r i pp e r f o r m a n c e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 垒丝盈 日期：里垒：堕翌 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生二名：埤导师签名：( 纽日期：让1 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 a m s ( a l p h am a g n e t i cs p e c t r o m e t e r ) 实验是由j 肇中教授领导的一个人型空间物理实 验，该实验将研制一个工作丁国际空间站上的、能精密测量高能鼙带电原子核和粒子的磁谱 仪，用于寻找反物质、探索暗物质和测颦宇宙射线。东南人学是中国第一所全面介入鹏 项目的高校，将重点参与并承担以下三个主要方面的课题研究：朋来测鹫到达地面的宇宙射 线的a m s - c ( a m s c h i n a ) 系统；a m s 一0 2 系统测试、故障重现与分析以及软硬件升级仿真平台 的a i s ( a n t i m a t t e ri n v e s t m e n ts y s t e m ) 系统；用丁接收、储存和处理a m s - 0 2 的测域数 据的地面计算机数据处理系统s o c 。 本文主要是对a i s 系统中最重要的t r a c k e r 的数据进行研究与处理，搜集、整合以及分 析相对比较匮乏的资料，对a i s 系统中的t r a c k e r 获得的人颦数据进行处理，并对t r a c k e r 微条的性能进行了一定程度的研究，为进一步研究a i s 系统以及以后a m s 一0 2 的数据处理打 下基础。 1 2a m s 实验概述与意义 由于能较满意地解释宇宙学的一些根本问题，宇宙人爆炸理论已经成为了现代宁宙学起 源的一个主要流派。4 0 年代美国天体物理学家伽莫大等人止式提出了宁宙人爆炸理论，该 理论作为一门发展中的理论，虽然得到了绝人多数科学家的认同，但仍有一些解释不了的问 题，需要进一步完善其理论体系，而是否具有反物质就是宁市人爆炸理论的一个重要的依据。 a m s ( a l p h am a g n e t i cs p e c t r o m e t e r ) 全称阿尔法磁谱仪，是由丁肇中博士领导的由美、 俄、德、法、中等1 6 个国家和地区共3 0 0 多名科学家参加的人型国际合作项目，集中了一 批世界著名的高校和专家学者，包括美国麻省理工学院、瑞十日内瓦人学和意人利佩鲁贾人 学等知名人学，得剑了各参加国和地区的高度重视。a m s 实验是国际空间站上唯一人型物理 实验，是人类第一次在太空中精密地测量高能最带l u 原子利拉r 的实验，其目的是为寻找由 反物质所组成的宇宙利暗物质的米源以及测量宇宙线的米源。 目前在美国麻省理工学院和欧洲核子研究所( c e r n ) jl ：作的- j 肇中博+ 是一位实验物理 学家，1 9 7 6 年，他冈发现j p s i 粒子而获诺贝尔物理奖。 宇宙线是由原子核和带电粒子组成的射束，它们来臼四面八方。地球附近的宇南线人多 来自太阳，其次来自我们银河系中的爆炸星球的残体，但其中最高能的粒子来n 银河系外的 不明天体。小个多世纪之前，科学家就开始了对宁市线的研究。不过地面探测只能抓捕到所 谓二次粒子，那是宇宙线跟地球大气中的原子核发生碰撞后产生的粒子碎片，从它们身上只 能揭示出原始宁市线的能埘，却己看不到它的本米面貌；以后利川气球进行高空探测，义嫌 时间太短，仅儿个小口f 。j 罐c p l 0 | 认为如此短艄的实验只有在1 万个宁甫线粒子中有 1 个反原r 梭的情况r 才能捕捉刘反物质的踪迹。事实上米臼本星系群之外的宁市线 这个比例小剑】0 0 亿对1 。川这样的实验来确认戏排除反物质的存在，那是根本不可信的。 j 搏十认为ra x s 成功的可能性镁人，闪为太空实验没有地而、高空( 气球) 探测所俐有的 缺点。 m s 能把原始宁市线和人气碰撞之前即行抓扶。从而能见到其庐山真面貌。蚓时，它 x 能常期滞留在空问一作人草的筛选，战科学界对肇中博十小组的探测寄予厚望。 k g s 实验分成两个阶段进行，第阶段m s 一0 l 是证明m s 实验的可行性。1 9 9 8 年6 月 茭国“发现青”号航 e 机将a 憾一叭带八太空e 打1 0 大，发现了报多近地球轨道宇市射线 的新发现。1 ，从而证明了埘s 实验的可行性。第一个阶段 m s 一0 2 将y - 2 0 0 8 年进 国际空间 站进行k 然3 5 年的数据采集i 作。”。 a g s 一叭由水磁体、上r 并两层j 闪烁体、山装的6 层砘微条探测器、反符合计数器和】 契伦科丈探测器等组成，总重3 吨多( 包括点撑、定它的机械结构) 。1 9 9 8 年6 月2 日( 美 国球部时间) 随着美国发现号航火t 机再次升空，拉开，a 船实验首期i 。程的序幂“1 。蚓 卜1 是从太空中拍摄的m s 一0 i 在航尤e 机上的示意幽。 幽1 一lk s o l 在航天e 机上的示意图 首期科中，a m s 一0 l 不仅检验了探测器的荐项性能，j 正观测到了原初宇宙线粒子包 括质f 、符种原子核也看剑r 反质子为f 1 l = 纪初人类进入国际空同站开展相芙实验奠定 了基础升积桀了经验。 与a m s o l 相比n , i s 一0 2 的最人压别在于采h j 了超导磁体l 改代永磁体磁场强度提高r 6 倍。柚s0 2 将在 j ! 运行3 5 f f ，冈此对系统的要求更高”。此次a m s 一0 2 登天的首要i t 标是寻找宁市中的反氰核。这是田为氧核在物质中，_ 有2 4 左右，故反氰核也麻占有如此高 的比例，而可能比较女r 找。只要m s 发现一个反氧棱，将能推断宁市中存在反星系。 t 6 t s0 2 在l ：怍的时候可能会出现战障或对需要对系统进行升级及测试等情况，而在太 空中进行这些操作非常困难，田此实验需要在地面进行空问模拟试验a i s ( a n t i m a t t e r 蚺一市绪论 i n v e s t m e n ts y s t e m ) 系统是在地面仿真a m s 一0 2 空间运行状态的吐备是 惦0 2 探测器的 仿真、故障重现和诊断、系统升级及测试的重要平台。m s 系统由探测器、电子系统乖1 地面 控制系统三个部分组成。其中探测器部分采坩了原圳s 一们实验中使用过的探测器，包括e 行时间探测器t o f 和硅微条探测器t r a c k e r 等a 惜0 2 太宅运行系统中的核心部分，可以实现 m s0 2 系统中的芙键探捌i 功能，且体的结构如圈i 一2 所示。a i s 系统的电子系统完成探测数 据的采集和处理工作，而地面控制系统则川丁仿真n a s a 控制中心的拄制计算机，模拟实现 n a s a 地面系统对国际空间站上的a 雌一0 2 系统的控制。 a 性a m s - 0 2 a m i m a f f er5 j m u l a l o r f a a s ) a i s ：e l e c t i o n j 凸s y s t e m “：篇黧黜然芸裂鲁 幽卜2a i s 系统的构成凹 a i s 系统的探i 部分由a m sc ( a 晒一c h i n a ) 完成，a m s - c 系统是一个地面高能带电粒子 探测器，町蚍探测井记录到达地面宁市带电粒子厘次级带电粒子的信息。作为一个独立的探 测系统- a m s - c 一方面可以川干研究空间探测的芙键技术，另一方面还可以在地面探测宇宙 射线到达地面的情况，这对于发展空间探测技术、空问环境的预测预报、探测高能粒子到达 地面和在地面发现新的粒子等现象具有极为积极的意义。 a m s c 的软硬f l ：均与栅s o l 相同，利州 i s 一0 l 的磁铁以及a m s 一0 1 的硅微条探测器和 t o f ( t i m eo ff li g h t ) 探测器，m 新建造一个在地面的宁市射线碰谱仪探洲器所使h 的组 什均符合太空规格，建造雨l 测试也都依据a m s0 1 的稗序。也是川s 一0 2 的地碗版本。由意大利 佩鲁贾大学和瑞d = _ l t 内瓦大学提供硅微条探捌器，建造探测器的结构体，f _ 进行探目4 器安装、 测试及校正利h j a 雌一o l 的电r 系统，以读取数据升宴时进行数据处理。 l 3 论文的主要内容及安排 本文以a m s 实验为背景t 介绍了粒子探测器尤其是烈边读出硅微条探铷i 器的结构与。r 作 原理。从结构、l 作原理以及数据格式辞方面对a i s 中c r a c k e r 进行了全面的介州。外利川 东南人学顾l ：学位论文 m a t l a b 对数据进行仿真以及结果分析。 本论文共分为五个部分： 第l 章，绪论，介绍了a m s 实验的背景知识以及意义，引出并详细介绍了a i s 系统。 第2 章，介绍了a m s 实验的相关物理背景，探测器的结构以及各部分的功能。 第3 章，进一步介绍了硅微条探测器，包括硅微条探测器的发展、结构、工作原理以及 应用等。详细介纠了a m s 实验中t r a c k e r 的内部结构、1 ：作原理。通过整理a m s - c 实验室的 资料，得剑了a i s 系统中t r a c k e r 的没计结构。 第4 章，通过搜集、整合和分析一些关于数据格式方面的文献以及a i s 实验室留下的一 些相关资料，再对a i s 系统采集到的人量的实际测量数据进行分析、对比，全面、深入地剖 析了a m s 中的数据格式尤其是a i s 系统中t r a c k e r 的数据存储格式以及数据解析、分析算法。 第5 章，在上一章的研究基础上，结合a i s 系统t r a c k e r 获得的大量数据，编写程序对 其进行处理，得剑粒子轨迹方面的一些信息，对结果进行分析，为今后的轨迹分析打下基础。 并对噪声以及微条的性能进行了一定的研究。 4 第一二章a m s 系统中的箨探测器 第二章a m s 系统中的各探测器 2 1a m s 相关的物理背景 2 1 1 反物质 科学家们认为，宇宙是人爆炸的结果。根据目前公认的人爆炸学说，宇宙是由人约1 5 0 亿年前的一次人爆炸形成的( 原米空间只有混浊的气体，没有天体，更无星系) ，宇宙间的 所有物质都是在人爆炸后产生的，人量的天文学观察和天体物理实验结果均支持了这一理 论。当代粒子理论物理学认为，人爆炸产生了多少物质，就虑同时产生多少反物质，而且它 们的外观是一样的。 反物质假说最早是由英国人狄拉克提出的，他冈此f1 9 3 3 年获得诺贝尔物理奖。所谓 反物质就是其所含的粒子的电性与物质中粒子的电性相反。例如，反原子是由带负电荷的原 子核和带- 止电荷的核外电子组成，而其原子核义是由带负电的反质子和不带电的反中子组 成。1 9 9 6 年，c e r n 制造出9 颗反氢原子，成为轰动全球的科技人新闻，科学家们已在实验 室造出了反质子、反中子、反电子乃至十儿个反氢原子( 存在时间一般只有几十万分之一秒) 。 这使人联想剑，我们的宇宙是否存在反物质世界。 根据这一假说，如果宇宙中存在人块反物质，那么在遥远的地方应该有一个“反地球”、 “反太障j ，甚至反天体和反星系。但是，目前在自然界中还没有找到任何反物质。对此有 各种说法：有人认为，宇宙中的物质和反物质可能被分离在不同的空间，因而现在还没法发 现反物质；有人则假想，大爆炸时产生的物质和反物质并非绝对对称，物质比反物质多一点 点，由r 丁物质和反物质相碰时会同! i l 于尽而潭灭( 湮灭并不是物质消灭，而是产生没有质量 的其它的正负粒子对，同时将释放出巨人的能量) ，所以在大湮灭后只剩下多余的物质；更 多的人是这样考虑的：目前人类都是用光学方法来观测宇宙，但物质和反物质的光谱是一样 的，故靠光学方法是分辨不山物质与反物质有什么不一样。 对丁上述后一种观点，科学家仃j 采用一种叫磁谱仪的设备米区分形形色色的粒子。a m s 系统就是这样一种磁谱仪。对j 肇中领导的小组米说，他们最人的希望是能发现反h e 核， 冈为h e 核或反h e 核只有恒星或反恒星才能产生，这样才能寻找剑在自然条件下产生的反 物质，从而验证宇宙人爆炸理论是否成立。 2 1 2 暗物质 a m s 的第二项使命是寻找暗物质。暗物质本身既不发光，义不与光发生作用，所以用光 学方法看不到，但它存在万有引力。人类所能观察到的宇宙只是很小的部分，因此看不到 的部分就叫做暗物质。通过计算天体间的引力可知，宁南中的暗物质l i 物质总量人约9 0 ， 5 东南人学砸i 学位论立 不过它是由什么组成的至今还不了解。a 吣测量太空中的反质子、止电子或光子的能量分 布，彳可能控到暗物质弹灭时留f 的一些蛛丝马迹，因为暗物质潭灭时可能在反质子、l e 电 子或光子的能谱中形成独立的分布。 如能测封山质f 和反质子相碰潭灭时，粒千团2 间存在微弱的相互作用，就可间接地证 明暗物质的存在，即把探删到的再种粒子的能谱与预言的进行比较分析能推测出宇市中是 否存在皓物质。 2 2a m s 一0 2 子探测器的结构和功能 a m s 0 2 的基本结构 a m s - 0 2 结构如刨2 1 所示，主要包括： 穿越辐射探测器t r d ( t r a n s i t i o n r a d i a t i o n d e c t 0 订 t 微条探测器1 协k 胃( s i l i c o n m i c m s a l p d e t e c t o r s ) 磁铁( m a g n e t ) 环形成缘切伦科丈计数器r i c h ( r i n g l m a g i a g c e r e n k o v d e t e c t o r ) e 行时间系统t o f ( t i m e o f f l i g h ts y s t e m ) 反符台闪烁体计数器a c c ( a a f i c o i a e i d e n e es c i n t i l l a t o rc o u t l r _ s ) l b 越城能计e c a l ( e l e c t r o m a g n e t i cc a l o r i m e t e r ) 热满：“ 攀琶蠹萝? 图2 - 1删s 基本结构 二、各探测器的功能 r 面简要介绍各个探测器的功能： i 、t r a c k e r 第一二章a m s 系统中的备探测器 t r a c k e r 即碎微条探测器。a m s 中的硅微条探测器用于对粒子的刚度、带电性质、所带 电量绝对值( 与t o f 系统配合) 进行高精度测量。当带电粒子穿过探测器时，在磁场的作用 下发生偏转，在粒子穿过每一层时都会被电子装置读出其具体位置，形成一个穿越轨迹。带 电性质不同偏转方向就不同，粒子的动量不同，轨迹的偏转曲率就不一样。 硅微条探测器是地面上的粒子物理实验常用的组件，可以精确地测量带电粒子的轨迹。 a m s 是第一个将硅微条探测器放在太空中使删的实验，技术上需要以下重要的突破： a )硅微条探测器的主要结构体必须是轻质的、坚同的，才能在不增加质量的前提 下，让硅微条探测器承受发射时的强人震动，同时不失其准确度。 b )硅微条探测器运行中产生的热量，必须有效地传导至外界。b t s 将制造一套复 杂的主动导热系统，维持探测器的温度在规格范围内。 c )全新的高密度前端放人器，能在太空的严酷环境中k 时间使用。 本文的主要研究对象就是a i s 系统中的t r a c k e r ，关tt r a c k e r 的结构等详细内容将在下 一章中进行介纠。 2 、t r d 的结构和功能 t r d ( t r a n s i t i o nr a d i a t i o nd e t e c t o r ) h p 穿越辐射探测器。它是基于穿越辐射效应研制的高 能粒子探测器。所谓穿越辐射效虑就是：高能带电粒子穿过两个不同介电常数的介质交界 面时所发生的电磁辐射。产生穿越辐射的机制是：在不同的介质中带电粒子所建立的电磁 场是不同的。当它快速地穿过不同介质的交界面时，由于来不及调整其所建立的场，从而 使其部分能量以电磁辐射形式发射出米。穿越辐射具有以下一些特性：l 、穿越辐射的总 能鼙与带电粒子洛伦兹冈子y 成比例。2 、穿越辐射的能谱是连续谱，辐射主要集中在x 射线能区。根据这一特性，制成了穿越辐射探测器( t r d ) 。 穿越辐射探测器r 作原理参见图2 - 2 。穿越辐射探测器由两部分组成：辐射层( 产生 穿越辐射x 射线) 、探测层( 探测穿越辐射) 。辐射层一般由原子数较少的物质组成，这 样就可以减少对x 射线的吸收。通常采用锂箔、镀铝的聚酯薄膜与铍片等。穿越辐射光 子产额较少，因此需要使h 多个薄片作为辐射层，这些薄片彼此靠近安放形成多个界面， 增加辐射效果，提高探测器性能。相反探测层需要由能有效吸收x 射线的物质构成，如 氙气及其与其它气体的混合气体等。这些气体的参数很人程度决定了探测器的精度，丁 是t r d 系统中就必须存在一个气体系统，川米对探测气体进行控制。有关t r d 气体系统 的内容将在下面做具体介绍。 7 东商 学颂t 学位论文 图2 - 2 穿越辐射示意图 埘s 一0 2 上的穿越辐射探测器包括4 8 层辐射体其中3 2 层在顶部，1 6 层在底部。辐 射层的厚度为3 c m 由聚丙烯制成。a m s0 2 采用4 ：1 的氙气和_ 二氧化碳的混台气体充填由 漂移管构成探幄。具体参见瞄2 - 3 。 t _ u s - 0 2t r d 系统 幽2 - 3 州st r o 系统 这样，由丁穿越辐射探测器能够测定粒子的洛伦兹因子y 它与磁谱仪配合可卧分辨 山不同种类的高能粒子。同时对于已知质鼙的高能粒子，它能定山粒子的能量，这样就可 以分辨电子与强子”。 3 、m a g n e t 的结构羊u 功能 磁体的功能是使穿越其内部的带电粒子发生偏转。来自顶部的正粒子( 如正电子、质子、 原子核) 向某个方向偏转，负粒子向相反方向偏转。它们弯曲的程度即曲率半径取跃于粒子 的月幢，而刚度x 嵌决于动量与电荷数。科学家在实验室里搜寻反物质所用磁谱仪的电碰铁 匠达数百吨，且耗l u 惊人，因此不可能将这种电磁铁运到太空去寻找白然界里的反物质，| 习 为仅所需的人功率电源就办不到：一般的天然永磁铁很难达到上千高斯( 1i 自i 斯约台1 0 1 特 斯拉) 的碰场怪度，它制造的磁谱仪根雌吒分在太空中b 行的粒r 电荷符号。在鹏_ 0 l 中，采h j 的是中科院电 所研制山一种采州钕铁硼稀土材料做成的永碰铁，它具有磁场强、 泪磁孝磁_ 二极矩几乎为零等优点，完全可以满足空间磁谱位的要求”。 永础体安装在柱形壳中，高8 0 0 l l d ，内部半径5 1 4 m ，外部半径6 0 0 1 m ，由钕铁硼稀土 材料做成的磁体块构成，重1 9 0 0 k g 。对这些磁体块的磁矢量的仔细安排可建立一个偶极子 场，在磁体内腔里的磁场强度可达到01 4 特斯拉，弄= 处均匀并与内腔乖直而在内腔外 磁场强度迅速降低小于相距磁场中心儿米处的磁场强度几个高斯。砒体阁铝质支撑结构包 住。永磁体的使朋是a l i s - o i 的一个主要的设计思想，排除了电源帛i 辅助设备的需要。 第二章? d v l s 系统中的符探测器 a m s 一0 2 相对于a m s 0 1 的一个具有挑战性的方面就是采用了超导磁体，磁场强度提高6 倍，这样也就使磁谱仪解析能力( b l 2 ) 相应提高了六倍，最大可探测刚度限延伸到1 t e v 。 4 、r i c h 的结构和功能 r i c h ( r i n gi m a g i n gc e r e n k o vd e t e c t o r ) 即环形成像切伦科丈计数器。切伦科夫计数器 是一种能记录微弱的切伦科丈辐射，又能分辨辐射的传播方向，用以确定带电粒子速度的探 测装置，带电粒子在均匀介质中诱发的切伦科大辐射的特性和带电粒子的速度密切相关。切 伦科大计数器的基本组成包括：辐射介质，光收集系统和光探测器。 当带电粒子沿着计数器的轴线掠过辐射介质，当粒子速度v c n 时，粒子诱发的切伦科 丈辐射分别以不同的? f 锥角传播，不同的? 仁锥角对应着不同的粒子速度。阈式切伦科夫计数 器的光收集系统可以把不同的半锥角的辐射会聚到光子探测器( 如光电倍增管) 上，而光子 探测器则将所收集剑的辐射转换成可观测的信号。因此，只要带电粒子的速度超过某一选定 的闽速度( 可以调 了辐射介质的折射率n ，来改变计数器的闽速度) ，计数器即输出一个计数。 在a m s 计划中， j 切伦科大计数器测量粒子速度是否高出或低于所设定的速度值，从而 分辨出不同的高能粒子1 。 通过r i c h 计数器测出的速度b 结合a m s 探测器测出的动量，r i c h 装置就能够得出穿过 硅微调探测器粒子的质鼙。通过轻同位素和宁宙射线基本组成的测量，r i c h 装置开创了天 体物理研究的新纪元。 5 、t o f 飞行时间系统 a i s 系统中的t o f 由三层闪烁体组成t r a c k e r 上面两层，下面一层。当粒子经过时， 与闪烁体相互作用，闪烁体的原子、分子电离或激发，被激发的原子、分子退激时发射光子。 利用反射物质和光导把光子尽可能多的收集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子 在光阴极上打出光电子。光电子在光电倍增管中倍增，经过倍增的电子流在阳极负载上产生 电信号，并由电子仪器放人、记录。计算粒子透过上下两对闪烁体层触发的脉冲数可以获得 粒子的飞行时间，而不同层的间隔距离已知，可以得出粒子的飞行速度i 通过测量闪烁体的 电信号强弱，可以测得粒子透过闪烁体时的能量沉积，这义提供了一种测量粒子电量的方法。 同时，可以利用儿层闪烁体获得的快速信号组成的符合事件，来表明何时有粒子穿透探测器， 这能作为探测器的所有元件触发精确数据采集的信号u “。 6 、a c c 反符合闪烁体计数器 反符合闪烁体计数器( a n t i c o i n c i d e n c es c i n t i l l a t o rc o u n t e r s ) 由闪烁体、光电倍 增管、光电及辅助电子器件等组成。1 6 个反符合闪烁体计数器像圆桶板一样排列在l 厘米 厚的圆筒壳上，紧靠在磁体内部，紧贴在内部跟踪器碳化纤维支架的外部。计数器灵活的通 过由光纤做成的光导进行数据传输，在每个计数器的每一个末端连接了一个光电倍增管 ( p m t ) 。a c c 的1 ：作原理与t o f 相似，它用于排除a m s - 0 2 接收到的未完全穿越有效t r a c k e r 层的入射粒子事件。减少无川的采集数据的开销引。 9 东南人学硕j ：学位论文 7 、e c a l 电磁鼙能器 e c a l ( e 1 e c t r o m a g n e t i cc a l o r i m e t e r ) 即电磁量能计，其主要用来对电子、正电子、 以及高能光子的能量进行精确测量。 量能计不仅吸收穿越其的电子、光子的能量( 电磁能量) ，产生正比于该电磁能量的信 号，通过对该信号的测量就可以精确得出粒子的能量。而且还可以通过e c a l 从质子和反质 子中辨别山所有能量的电子和正电子，这种电子和质子分离作用是由于在横向与侧面方向电 磁风暴和强子风暴的形成存在区别。 量能计中存在1 0 个闪烁纤维层，纤维层又由1 0 层1 咖厚的薄凹槽平面，平面之间是 i m m 厚的蓝色闪烁纤维。为了提供双向读出信号，各纤维层的纤维方向逐层改变。量能计中 的任一层都能够提供1 0 4 的电子和质子分离能力，这样就加强了由t r d 提供的分离能力。 不仅如此其可以以6 的精度测量极高能量的电磁能量，还可以扩展电子电荷范嗣米突破由 跟踪器动量分辨率所造成的限制。而且相对充裕的已知能量( 由e c a l 测量) 的宇市电子可 以刚米校正跟踪器制。 2 3 本章小结 本章介绍了有关a m s 实验物理背景的一些基础知识，主要介绍了a m s 实验中各个部分探测 器的结构与功能，使大家对a m s 实验有个比较全面的认识，下一章将对其中最主要的探测器 部分t r a c k e r 进行研究。 l o 第三章a i s 系统中硅微条探测器的研究 第三章a i s 系统中硅微条探测器的研究 3 1 引言 粒子探测器主要是在粒子物理实验中用丁探知粒子的存在，测量和考察其性质。粒子探 测器现在已经j 。泛应用于如核医学、天体物理、凝聚态物理和等离子体物理等领域。 粒子探测器若以粒子穿过的工作介质米区分，可分为以气体作为工作介质的气体探测 器，如正比计数器、多丝止比室、漂移室、时间投影室、时间扩展室和气体切伦科夫计数器 等，以液体作为探测介质的如液体闪烁计数器、液氩量能器、液氩时间投影室和气泡室等。 和以i 州体作为探测介质的如闪烁计数器、半导体探测器和原子核乳胶等。 现在，物理实验的规模越来越人，如果仅仅依靠某一种粒子探测器已不能完成粒子物理 实验的任务，这时就需要将多种探测器组合成为一个人的探测装置，这种大型的探测装置通 常被称为人型谱仪，有时也简称为某探测器，如北京谱仪、l 3 探测器、a t l a s 探测器等。 探测器的性能有好有坏，在粒子物理实验中一个“理想的”探测器，它应当具有以下良 好性能：能覆盖整个立体角；能探测、显示粒子径迹和识别所有粒子( 质量和电荷) ； 能测鼙粒子的动鼙雨j 能量；具有快速响应能力而无任何死时间。但是实际上，由于t 艺与 技术、经费等客观条件的限制。一个实际的粒子探测器是不太可能做到如上所描述的那么完 善和“理想”的。 3 2 硅微条粒子探测器 随着高能物理事业不断的发展，对粒子探测器的高性能要求也在不断的增加，各种粒子 探测器技术也随着在不断的发展与创新。比如气体探测器就从早期的多丝正比室( m 1 | y p c ) ， 漂移窒( d c ) ，到目前研制出了新的微条气体正比室( m s g c ) ，微条隙气体探测器( m g c ) ，微 网结构的气体探测器( m i c r om e s hg a s e o u s ) ，气体电子倍增器( g e m ) 等等。同时，各种? 导 体探测器也有了新的发展。其中。硅微条探测器s m i ) ( s i l i c o nm i c r os t r i pd e t e c t o r ) 的发 展和虑川是1 卜常突山的一个。近儿十年米，世界各高能物理实验室基本上都采川它作为顶点 探测器，曲欧中心止研制的l h c 对撞机上的两个实验a t l a s 和c m s 实验中将采用它作为探测 粒子径迹的径迹室( t r a c k e r ) 。在大体物理，g l a s t 以及本文所研究的a i s 系统中的主探测 器都是应用它去做径迹测量。硅微条探测器在核医学领域中的c t 和其他数学影像方面的应 用研究，也在快速地发展。 3 2 1 硅微条探测器的结构以及工作原理 砖微条探测器的基础是p - n 结，? | ，导体的p - n 结可以采川不同的结构形式。如果探测器 东南大学巅七学位论i 内部的结构以p - n 结的结构形式来分，一般可分为：p - n n + ：p - p p + ；n - n 一口：n - p p 四种形式。科学家们经过模拟计算以及多次实验测试，比较，目前在硅微条探测器制作中采 p * n n + 结构形式的比较多。 剧3 - i 和酗32 是从两个不同的角度展示了硅微条探测器的结构。这些砖微条探测器 都是采用p * nn 的结构形式的。 幽3 - i 是硅微条探测器的截面图，从幽上可以看出，它主要分f 面几个部分： j ) 探测器表面：有薄铝条，s i 0 2 隔离条，铝条f 边是重掺一条。 b ) 中间部分：是厚度大约为3 0 0 微米的高阻n 型f 基，作为探测器的灵敏区。 3 ) 底部：是n 型硅掺八砷形成掺杂n 层和铝薄膜组成的挥测器的背衬电极。 幽3 - 2 是硅微条探测器的表面结构图，从幽中看到其表面x 分为：微条( s t r i p s ) ，保 护环( g u a r dr i n g s ) ，偏压连接带( b i a st r a c e ) ，多晶硅偏压电阻( p o l y s i i i c o nb i a s r e s i s t o r s ) ，直接接触片( d cc o n t a c tp a d ) ，变流接触片( a cc o n t s c tp a d s ) 等。 幽中，微条是探测器的信号读出条，它的宽窄和微条间的间距将影响探测器的空间分辨 率。保护环在探测器的四周，顾名思义，起到屏蔽保护作h ，它降低了探测器噪声，提高了 探4 器抗辐射的能力。多品硅偏压电阻是集成栏硅片上的，坩于保护每个微条。偏压电蛆可 以降低渊电流，逃到降低噪声的教果。偏压连接带连接偏压电源和每一个微条。直流接触片 是作直流耦合输 i ! 的接触点，交流接触片是交流耦合输 i ：的接触点一般米说信号的读山 就是通过它wj 连接到前置放大器的。 铝条 n ! 女掺杂 l u 扳 刚3 - 1 单边读出硅微条揉测器截面蚓 第三章a i s 系统中硅微条探测器的研究 r 一。一_ _ _ _ _ _ _ i 7 一_ _ _ 。l + i 一_ _ 。 图3 _ 2 单边读出的硅微条揉测器表面结构图 对硅微条探测器的结构有了一定的了解后下面再来看看它的工作原理： 前面已经提到，硅微条探测器和些相关的半导体探测器是利用p - n 结的特征研制成 的。从闰3 - 1 到凹3 - 2 探测器的结构图中可以看到，硅微条探测通过氧化及离子注入法局 部扩散法或表面位垒法及光刻等技术工艺在一个n 型硅片的表面上制作均匀平行的在表 面附有一层铝膜的重掺杂d + 微条。n 型硅片的箍个底面掺入有杂质制成n 型重掺禁一层， 在底部的展外层也附有一层铝作为欧姆接触。这样制成了表面为均匀条形的单边读出p - n 站型探测器。中间的耗尽层是探测器的灵敏区当在这些条型pn 结加上负偏压时，耗尽层 在外加电场的作j jf ，会随着电压的升高而变厚。当电压选到一定高度的时候耗尽层就几 乎扩展到了整个n 一型硅片，耗尽层基本上达到了全耗尽死层就变得非常薄。因为其内部 可移动的载流子密度很低电阻率很高，漏电流很小。而且由于多品硅的动态电阻所以外 加电压几乎全部加到耗尽区上，因此就会形成根高的电场。 当在无辐射【b 离的时候，探测器基本上不产生信号。不过当有带吨牲子穿过探测器的 灵敏m 时， ：片将产生电于空穴对在高电场的怍r ，电_ f 向正极( 底板) 漂移，空穴 向括近径迹的加负偏压的微条漂移，因为l b f 和空穴的迁移率很高，因此在这 小的区域内 收集电荷实际上只需要报短的时间。在探测器的微磊上很快就读出了这个空穴( 实为电子) 运动产生的电荷信号。读出电子学得到这个电荷信号，经过前景放大器将信号放大再经过 模拟通道，比较器。模数转换( a d c ) 后变成数字信号读人计葬机。 根据上面计算机中得到的带电粒子的的信息数据，再加上带l 粒f 在备个相关探测器上 的微条位置参量，就可咀比较准确地确定带电粒子的运动轨迹及对撞后末态粒子的次级顶点 等。然后再根据谱仪内的磁场强度咀及粒子的运动轨迹可以计算出锥个带l u 粒子的动量。 东南人学硕i ：学位论文 我们也可以根据测得的粒子穿过探测器时输出信号的大小，计算出带电粒子在探测器中 的能量损失。如果入射到探测器的粒子是一个低能粒子，那么它的能量全部都会消耗在p - n 结的耗尽层内，这样就可根据测量的电荷信号的大小米确定这个粒子的能量。 一般来说，探测器的位置分辨率越高，粒子的径迹测量就会越准确，动鲑和粒子的顶点 测量也就会越准确。在径迹测量和末态粒子的次级定点测量中，就会对探测器的位置分辨率 要求比较高。因为硅微条探测器的空间分辨率非常高，比气体探测器和闪烁探测器高很多， 所以世界各国的高能物理实验室都采用硅微条及相关的半导体探测器作为顶点探测器和径 迹室而不用气体探测器和闪烁探测器。 半导体的密度比较大，带电粒子穿过探测器时，在探测器内部要经过多次散射。如果带 电粒子的能量不高，探测器比较厚，粒子在探测器内经过很多次散射后，角度偏转比较人， 这将不利于粒子的径迹和顶点精确测量。如果探测器太薄了，虽然散射次数减少，偏转角度 小了，但探测效率降低了。因此，在设计、制作和使用探测器时需要考虑的一个重要问题是 带电粒子在探测器中的散射角度与探测器的厚度问题，一定要根据被探测粒子的能量及实验 对散射偏转角度的要求，恰当的选择探测器厚度。 3 2 2 硅微条探测器的发展 初期的硅微条探测器无论在设计和技术工艺水平方面都比较低，位置分辨率也不高。不 过，随着高能物理实验的发展要求，探测器技术及半导体各种技术上艺和光刻技术的发展， 使得硅微条及一些相关的半导体探测器都得到了快速的发展和应用。如舣边读出的硅微条探 测器，像素探测器，硅漂移室，c c d ，硅片探测器等，都有了新的发展，这些探测器现在都 用于不同的物理实验中。另外，由丁高度集成化低噪音的前端电子学的研制成功，也推动了 这些探测器的发展提高，使得这些探测器的空间分辨率等性能指标在不断的提高。不仅如此， 在多维径迹测量及多重事例测量探测器方面也有了很多发展。下面就将介绍几种探测器的结 构以及原理。 l 、双边读出的硅微条探测器 一直以来，j l