簇射計(jì)數(shù)器

簇射計(jì)數(shù)器是正負(fù)電子對撞機(jī)中譜儀的一個(gè)重要部件，用來探測正負(fù)電子對撞后產(chǎn)生的各種粒子，屬國際高精尖裝置。1984年11月，中科院高能物理研究所委托上飛廠承擔(dān)對撞機(jī)桶部、端蓋簇射計(jì)數(shù)器的試制，以及部分工裝的設(shè)計(jì)試制和桶部簇射計(jì)數(shù)器的組裝等技術(shù)攻關(guān)任務(wù)。該裝置直徑3.36米、長4.32米，由29萬多個(gè)零、組、部件組成，總重約46噸，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，加工精度要求很高。在試制過程中，工廠采用的新技術(shù)、新工藝及技術(shù)革新、技術(shù)改進(jìn)達(dá)60多項(xiàng)，并對內(nèi)桶制造、鋁—鉛—鋁板膠接及加強(qiáng)筋制孔、鉚接等技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行專題攻關(guān)，使桶部、端蓋簇射計(jì)數(shù)器的制造質(zhì)量達(dá)到國際先進(jìn)水平。工廠于1987年9月23日完成該部件的試制、組裝任務(wù)，并一次通過交付驗(yàn)收，安裝在對撞大廳有效地工作。簇射計(jì)數(shù)器的研制成功為國家爭得了國際上的地位。為此，同年12月獲國務(wù)院嘉獎(jiǎng)及榮譽(yù)證書，1990年12月獲國家科委科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)，1991年獲國家重大技術(shù)裝備成果特等獎(jiǎng)。

根據(jù)能量沉積的測量，人們可以測到入射電子或光子的能量。根據(jù)能量沉積分布的測量，可以確定入射電子或光子的入射方向。按照這種計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)和它們的運(yùn)行方式可以把它們分為兩類：全吸收型和取樣型電子光子簇射計(jì)數(shù)器。

全吸收型

全吸收型電子光子簇射計(jì)數(shù)器通常包括：碘化鈉晶體組成的閃爍譜儀和鉛玻璃切倫科夫計(jì)數(shù)器。碘化鈉晶體（輻射長度λo=2.6cm，臨界能量Ec=12.5MeV）和鉛玻璃（例如含有53%氧化鉛的透明玻璃,λo=2.84cm，Ec=17.3MeV；折射率n≈1.65）都能有效地引起電子光子級聯(lián)簇射，它們既是簇射介質(zhì)，又是對帶電粒子靈敏的探測元件。簇射產(chǎn)生的次級粒子（正負(fù)電子）在碘化鈉晶體中沉積能量，晶體又把沉積的能量成比例地轉(zhuǎn)換成閃爍熒光，經(jīng)光電倍增管轉(zhuǎn)換成與能量成正比的電荷量輸出。在鉛玻璃中簇射產(chǎn)生的正負(fù)電子，當(dāng)它們的速度超過切倫科夫閾速度（見切倫科夫輻射）-相應(yīng)電子動能Ek>150keV時(shí)，正負(fù)電子將產(chǎn)生切倫科夫光,光的產(chǎn)額和超過閾速度的次級正負(fù)電子的徑跡長度成正比。切倫科夫光由光電倍增管成比例地轉(zhuǎn)換成電荷輸出。因此，在一定測量精度范圍內(nèi)，輸出電荷量和次級正負(fù)電子的徑跡總長度成正比，即和入射電子或光子的總能量成正比。全吸收型電子光子簇射計(jì)數(shù)器通常做成積木式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。每塊晶體（或鉛玻璃）由獨(dú)立的光電倍增管來收集光，各光電倍增管輸出電荷量的總和正比于入射高能電子或光子的能量。能量沉積在各單元的分配代表了簇射次級粒子數(shù)目的橫向（與入射粒子方向垂直的平面內(nèi)）分布,分析各單元輸出電荷量的分布重心,就能確定入射電子或光子的空間方位。

取樣型

取樣型電子光子簇射計(jì)數(shù)器是由簇射介質(zhì)和取樣探測元件組成,幾種常用的單元如圖2所示。實(shí)際用的簇射計(jì)數(shù)器可以由這樣一些基本單元構(gòu)成。高能電子或光子入射到這種計(jì)數(shù)器中，在簇射介質(zhì)（常用的有鉛,λo=0.56cm，Ec=7.2MeV；鎢，λo=0.35cm, Ec=7.9MeV）中產(chǎn)生電磁級聯(lián)簇射，次級正負(fù)電子穿越各探測元件（塑料閃爍體、多絲室或電離室的靈敏區(qū)）在其中的能量沉積成正比地轉(zhuǎn)換成電脈沖幅度。雖然沉積在簇射介質(zhì)中的能量是無法測量的,但只要合理選取簇射介質(zhì)的取樣厚度和探測元件的取樣厚度，并使總體布局最佳化，就可以用蒙特-卡羅法來模擬簇射次級粒子在量能器中的能量沉積分布，并通過實(shí)驗(yàn)刻度，從而找出探測元件的輸出電荷量和簇射次級粒子在整個(gè)計(jì)數(shù)器中的能量沉積的定量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對入射電子或光子的能量測量。

只要取樣的“顆粒度”足夠細(xì)，各個(gè)取樣單元的輸出電荷量將描繪出級聯(lián)簇射能量沉積的空間分布。能量沉積的橫向分布的重心直接和入射電子或光子的橫向坐標(biāo)相關(guān)聯(lián)。不僅如此，能量沉積的橫向分布和縱向分布還明顯地依賴于入射粒子的性質(zhì)。因此，可以根據(jù)各取樣單元輸出電荷量的橫向和縱向分布的特點(diǎn)來確定入射電子和光子的方向和鑒別粒子。

一個(gè)完善的電子光子簇射計(jì)數(shù)器（包括相應(yīng)的讀出電子學(xué)器件）應(yīng)能精確地測量入射電子或光子的能量和它們的入射方向，還應(yīng)能夠排除強(qiáng)子和μ子造成的本底，因此希望這種計(jì)數(shù)器有好的能量分辨率和能量線性，還要有好的空間分辨率和高的粒子鑒別能力。

蒙特-卡羅模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，要吸收全部次級粒子所需的計(jì)數(shù)器的縱向深度, Eo是被測電子或光子的能量，可見所需的計(jì)數(shù)器的縱向深度隨被測粒子的能量以對數(shù)方式增加。因此，一個(gè)簇射計(jì)數(shù)器測量能量范圍有可能覆蓋幾個(gè)量級，這是一般磁譜儀所無法實(shí)現(xiàn)的。隨著加速粒子能量的增加，電子光子簇射計(jì)數(shù)器已經(jīng)成為高能物理實(shí)驗(yàn)中不可缺少的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

當(dāng)高能電子或光子進(jìn)入介質(zhì)時(shí)，簇射產(chǎn)生的次級粒子(正負(fù)電子和光子)數(shù)目隨著介質(zhì)的深度增加而迅速增加，次級粒子的平均能量也隨著減小，它們以原始入射粒子的方向?yàn)檩S而對稱分布。當(dāng)次級粒子的平均能量接近于該介質(zhì)的臨界能量Ec時(shí)，粒子的增殖將逐步停止，在某一介質(zhì)深度，次級粒子的數(shù)目達(dá)到極大值。隨后，次級帶電粒子將以電離和激發(fā)介質(zhì)原子為主要方式損失能量，逐漸被介質(zhì)吸收。因此，次級粒子數(shù)目在達(dá)到極大值以后將隨介質(zhì)深度而近似按指數(shù)衰減。只要介質(zhì)具有足夠的深度，簇射產(chǎn)生的次級粒子將全部被介質(zhì)吸收，它們的全部能量都沉積在介質(zhì)中。

強(qiáng)子量能器與取樣型電子光子簇射計(jì)數(shù)器相似，只是取樣的媒質(zhì)材料和取樣厚度的選擇不同。強(qiáng)子取樣量能器通常選用核吸收長度小而輻射長度適中的材料(常用鐵，λ0=17.1厘米)為簇射媒質(zhì)，并選擇適當(dāng)?shù)娜雍穸?，使它們不僅對次級強(qiáng)子的取樣合理，而且還滿足對次級粒子中電磁分量的取樣要求。

強(qiáng)子量能器設(shè)計(jì)尺寸取決于吸收全部(約95%)簇射次級粒子所需的媒質(zhì)的線度，它的深度 L(λ0)≈lnE0，E0為入射強(qiáng)子的能量，以吉電子伏為單位。強(qiáng)子量能器的尺寸通常比電子光子簇射計(jì)數(shù)器的大。

強(qiáng)子級聯(lián)簇射中有許多隨機(jī)過程，存在各種統(tǒng)計(jì)漲落因素，如第一次多重產(chǎn)生發(fā)生的位置、次級強(qiáng)子中π所占的比例等的漲落。這些因素直接決定了量能器的能量分辨率和空間分辨率。強(qiáng)子級聯(lián)簇射過程中的統(tǒng)計(jì)漲落比電磁級聯(lián)簇射過程的大得多，所以強(qiáng)子量能器的能量分辨率和空間分辨率等性能一般比電子光子簇射計(jì)數(shù)器的差 ，但是能量分辨率隨入射強(qiáng)子能量的增加而改善(σe/E0∝1/E，σe為測量能量的標(biāo)準(zhǔn)偏差)。