Cerenkov探测器解析.ppt

第六章切伦科夫探测器,6-1切伦科夫辐射的原理6-2切伦科夫辐射的产生和收集6-3切伦科夫探测器的分类和应用,2020/6/1,中国科大汪晓莲,2,6-1切伦科夫辐射的原理,一、切伦科夫辐射的描述CherenkovRadiation：匀速带电粒子穿过均匀透明介质，当其速度超过光在该介质中的相速度c/n时，粒子将发射辐射，称为Cherenkov辐射。Cherenkov辐射的阈特性、方向性是和入射粒子的速度密切相关的。产生和记录Cherenkov辐射的装置称为Cherenkov探测器。产生机理：,介质原子或分子的极化与退极化；电磁辐射的相干叠加，在一定方向得到加强。,2020/6/1,中国科大汪晓莲,3,二、切伦科夫辐射产生的条件,（1）快速带电粒子做匀速运动，且（2）均匀透明的介质（3）满足在与粒子运动方向成角的方向上电磁辐射相干加强，才能观测到。,2020/6/1,中国科大汪晓莲,4,三、切伦科夫辐射的特点,1)Cherenkov辐射的阈速度和方向性：,切伦科夫辐射与粒子运动方向成角，形成以粒子运动轨迹为轴的光锥，其张角为2，测定，已知n，即可求得。,2020/6/1,中国科大汪晓莲,5,不同折射率辐射角与粒子速度的关系,2020/6/1,中国科大汪晓莲,6,2）粒子携带的信息,若已知粒子质量m，则有：若已知粒子动量p，可根据粒子速度确定粒子质量，即分辨粒子。对粒子的分辨能力为：对动量相同质量不同的粒子的速度差（1）为：,2020/6/1,中国科大汪晓莲,7,3）切伦科夫辐射光谱及光子密度分布,弗兰克（Frank）和塔姆（Tamm）理论计算，电荷为z的带电粒子在单位长度的介质中产生切伦科夫辐射的能量为：=2c/是辐射频率，是波长，n1是产生切伦科夫辐射的条件。因为cos=1/n，所以,设在单位长度辐射体上辐射出波长在1和2之间的光子数为N，假设在该波段范围内折射率与波长无关,2020/6/1,中国科大汪晓莲,8,因为估算：如果z=1，取1=7000，2=4000，则光产额为：对一个大气压的空气，n=1.00029，入射粒子的速度1，代入上式，N=0.28光子/cm。若介质是n=1.5的有机玻璃，入射粒子的速度1，代入上式也才有272光子/cm。只考虑可见光部分，设光子的平均波长为5000,则平均能量为2.5eV,与N相对应的粒子在单位长度介质中所辐射的能量为2722.5eV=680eV/cm。切伦科夫辐射对粒子能损而言是不重要的，例如，对速度1的单电荷粒子，在气凝硅胶（Aeroge1）中的切伦科夫辐射能损为0.3KeV/cm（而粒子的电离能损为400KeV/cm）。对有机玻璃辐射介质，切伦科夫辐射能损为4KeV/cm（而电离能损为2300KeV/cm）。,01，所以,2020/6/1,中国科大汪晓莲,9,切伦科夫辐射产生的光子数很少，而且紫外光子数目较多（根据公式，把灵敏波长从4000延伸到2500，则N可以增加约2.4倍），所以切伦科夫探测器设计中要提高光的传输和收集效率，光子探测器的响应尽可能的移向紫外。增加辐射介质的长度，可以增加产生的光子数。必须指出，由于介质色散的影响，扩大测量波长范围将会由于色散而导致切伦科夫辐射角dd增大，从而限制探测器分辨率的提高。,2020/6/1,中国科大汪晓莲,10,不同折射率辐射强度与粒子速度的关系,2020/6/1,中国科大汪晓莲,11,切伦科夫辐射的特点,（1）切伦科夫辐射角（2）阈速度（3）阈动能（4）最大辐射角（5）辐射光谱是从紫外光到可见光的连续谱。（6）发光时间短1091011秒。（7）平面偏振光。,2020/6/1,中国科大汪晓莲,12,常用Cherenkov介质的特性,2020/6/1,中国科大汪晓莲,13,四、切伦科夫辐射与韧致辐射及荧光的差别,2020/6/1,中国科大汪晓莲,14,6-2切伦科夫辐射的产生和收集,一、辐射体可以是气体、液体和固体，应根据不同的用途选择不同的辐射体。1、全吸收簇射计数器的辐射体高能电子或射线射入介质后，发生电磁簇射。簇射纵向扩展大，横向扩展小。能量超过阈能的电子就会产生Cerenkev辐射。要求：辐射长度X0小，总尺寸小，足以包容全部簇射，LmaxLnE；没有闪烁荧光；折射率n大，平均光产额N多，能量分辨好；透明度好，特别是透紫性能好，以收集更多的光子。,2020/6/1,中国科大汪晓莲,15,2）速度选择器的辐射体速度选择器工作原理：带电粒子在介质中产生方向的Cerenkov辐射，以一定的接受角记录方向上的辐射，已知介质折射率，就可测定粒子速度。速度分辨率：能分辨两种粒子的最小速度差。,动量相同质量不同的粒子，m1m2，1,2020/6/1,中国科大汪晓莲,16,几种粒子对的速度差与粒子动量的关系,2020/6/1,中国科大汪晓莲,17,一些粒子的质量差,2020/6/1,中国科大汪晓莲,18,速度选择器对辐射体的要求,对一定速度的粒子，为了达到所要求的角。必须选择适当折射率的辐射体。固体和液体的折射率大，角大，速度分辨率差，高能粒子常选用气体。气体折射率可通过调节气压来改变要求色散小，即折射率随波长变化小，以提高速度分辨率。液体固体最小折射率和气体最大折射率之间由一段间隔，后来被气凝硅胶所填补。改变配料成分，就可调节折射率。,2020/6/1,中国科大汪晓莲,19,二、Cherebkov辐射的传播和收集,在辐射体内：一部分被吸收Cherenkov辐射非常微弱，要求辐射体透明度好，以减少吸收，并采用透紫石英窗或增强透过率的其他措施。在辐射体界面上：折射、全反射、镜反射或漫反射。1）对全吸收Cherenkov探测器，辐射体外包铝箔或镀一层铝作为反射层，使辐射在辐射体及反射体界面上多次反射，然后进入光子探测器。,2020/6/1,中国科大汪晓莲,20,2）利用Cherenkov辐射的方向性，采用各种反射镜收集，球面镜光学像差最小，采用最多。球面镜起聚焦作用。Cherenkov辐射经球面镜反射后，在球面镜焦平面上形成光环，其半径：,R为球面镜半径，f为球面镜焦距。,2020/6/1,中国科大汪晓莲,21,球面镜一般是镀铝的。因为铝对紫外光有很高的反射率。再覆盖适当厚度的MgF2保护层以增强镜面的反射率。把曲率半径较小的球面镜斜放，可在气体容器壁附近形成半径相当小的环像便于光子探测器记录。,2020/6/1,中国科大汪晓莲,22,利用Cherenkov全反射选择一定速度的粒子。全反射条件：发生全反射和不发生全反射时，透过介质的辐射强度有很大变化，在侧面记录多次全反射，即记录0的粒子。已知，对折射率n而言，发生全反射的条件：,2020/6/1,中国科大汪晓莲,23,三、Cherenkov辐射的记录,感光胶片：由光环半径r定出角，粒子由光环中心定粒子运动方向，由圆环宽度对平均半径的比值作为速度分辨率的测量。,2020/6/1,中国科大汪晓莲,24,光电倍增管：1）透紫外高灵敏低噪声的PMT；2）微通道板(MCP)型PMT；3）多阳极PMT，M106，对磁场不灵敏。,2020/6/1,中国科大汪晓莲,25,固体光子探测器CCD（Charge-CoupledDevice）电荷耦合器件PD（PhotoelectronDiode）光电二极管APD（AvalanchePhotoelectronDiode）雪崩光电二极管VLPC（VisibleLightPhotoCounter）可见光计数器,2020/6/1,中国科大汪晓莲,26,光敏气体探测器1）光电转换和电荷倍增在气体中进行。2）光电转换层是低电离电位、高量子效率的负电性蒸气。常用的有：TEA(Triethylamine)(C2H5)3N,I=7.5eVTMAE(Tetrakis-dimethylamineoethylene)(CH3)2N2C=C5H12N2,I=5.4eV3）位置灵敏探测器：MWPCMSAC、MSGC、MGC等，给出光电子二维或三维座标。,位置灵敏探测器,2020/6/1,中国科大汪晓莲,27,混合光探测器HPD1）由固体光电转换体和电子倍增器组合而成。电子倍增可以在真空器件中进行也可以在气体探测器中进行。2）CsI光电转换体，入射光子光电子。3）气体预放大区，光电子倍增，保证其良好的位置和时间特性。4）二次放大，富H混合气体，低气压或1个大气压。5）MWPC记录。6）M107,允许计数率106Hz/mm2。,2020/6/1,中国科大汪晓莲,28,影响切伦科夫辐射角测量的几个因素,粒子的慢化效应：因电离碰撞损失能量。粒子在单位路程上的电离损失与粒子质量成正比。散射：因多次库仑散射粒子偏离原方向。衍射效应：辐射体为薄片时发生电子的影响色散：c辐射是连续谱，介质对不同波长辐射的折射率不同。球差与彗差,d：反射镜直径f：反射镜焦距,2020/6/1,中国科大汪晓莲,29,6-3切伦科夫探测器的分类和应用,带电粒子的快速计数和快符合计数测定带电粒子的速度选择不同速度的带电粒子：利用阈特性分辨动量相同质量不同的粒子。测定带电粒子的电荷：利用辐射强度与Z2成正比。测定入射带电粒子方向测定电子或射线能量大面积计数,2020/6/1,中国科大汪晓莲,30,一、Cherenkov全吸收电磁簇射探测器,高速带电粒子进入辐射体后，其能量超过介质的阈能就产生C光。所有电子的总路程长度正比于入射粒子能量，产生的总光子数即辐射强度与初始能量成正比。选用阻止本领大体积大的辐射体，使电子和射线产生的级联簇射的全部能量都沉积在辐射体内。测量全部簇射电子产生的切伦科夫辐射的总强度，从而判断入射电子或射线的能量。辐射体厚度LmaxLnE0，若辐射体不够大，有一部分簇射粒子从辐射体中逃逸出去，造成谱仪非线性。,2020/6/1,中国科大汪晓莲,31,一、Cherenkov全吸收电磁簇射探测器,辐射体是整体，一般取15个X0。夹层式或取样型全吸收谱仪。辐射体用Pb和有机玻璃相间制成，级联簇射在Pb板中发展，产生大量的簇射电子，电子穿过有机玻璃发生Cherenkov辐射。用PMT收集切伦科夫辐射。PMT朝着簇射发展方向收集光。辐射体四周加反射层，包铝箔或镀铝；PMT与辐射体之间加透明有机硅胶。用途：测量高能电子和高能射线的能量；测量粒子相互作用产生的角分布和能量分布；测量高能和质子相互作用产生的Compton散射；测量高能产生电子对的截面；测量的能量分布；PP的能量；宇宙线广延大气簇射的能量流等。,2020/6/1,中国科大汪晓莲,32,二、Cherenkov粒子鉴别器,往往和其他探测器或磁谱仪配合使用。Cherenkov探测器鉴别入射粒子种类，其他探测器测定粒子运动方向、能量等等。鉴别粒子的探测器要求速度分辨率足够好。1、阈式切伦科夫探测器探测速度大于阈速度的粒子,2020/6/1,中国科大汪晓莲,33,辐射体的阈动能（5893A，0，760mmHg）,2020/6/1,中国科大汪晓莲,34,阈式Cherenkov探测器的应用实例,常用于从动量相同的混合粒子束中选出某一种粒子。例：从和电子混合束中选出电子或。实验安排：所用Cherenkov探测器的阈速度仅对电子灵敏。,日本KEKB工厂采用抗水性气凝硅胶辐射体阈式Cherenkov计数器鉴别粒子。在n=1的两条曲线以上的区域，或K可发射Cherenkov光，在两条曲线之间的区域只有发射C光，而K不发射。显然n越小，可分辨/K的动量越高。,2020/6/1,中国科大汪晓莲,35,高能所的阈式切伦科夫计数器,桶部是长130cm，内径20.9cm的不锈钢筒，光电倍增管放在斜叉的细筒里。反射镜与长筒的轴线成220角，距光电倍增管27.5cm。筒内充CO2气体达1.2大气压。采用XP2020Q光电倍增管记录契伦科夫光信号，工作电压2100V，对电子的选择效率达到（99.0+0.5）%。,2020/6/1,中国科大汪晓莲,36,阈式Cherenkov探测器的主要性能,探测效率：由Cherenkov辐射光子数、光的收集效率和传输效率以及光探测器的探测效率决定。使PMT能探测单个光电子，探测效率100。要提高探测效率：1）通过光学系统的光收集效率；2）选用光阴极转换效率高的PMT；3）选用n大的辐射体；4）加大辐射体长度L；5）气体阈式C计数器可加大气压以增加n。,2020/6/1,中国科大汪晓莲,37,速度分辨：用固体和液体做辐射体，因n大，阈动能很低。对1/n),探测全反射的契仑科夫探测器DIRC（DetectionofInternallyReflectedCherenkovlight）,2020/6/1,中国科大汪晓莲,47,2）切伦科夫相关定时计数器（CCT）CherenkovCorrelatedTimingdetector根据精确时间测量来确定带电粒子穿过辐射体产生C光的发射角。采用石英棒作辐射体，n=1.474，X0=12.3cm在d和相同的条件下，所发射的光先到光探测器，K所发射的光到达光探测器的时间较晚。C光到达光探测器的时间包