切倫科夫計(jì)數(shù)器

一種能記錄微弱的切倫科夫輻射，又能分辨輻射的傳播方向，用以確定帶電粒子速度的探測(cè)裝置。帶電粒子在均勻介質(zhì)中誘發(fā)的切倫科夫輻射的特性和帶電粒子的速度密切相關(guān)，這種關(guān)系可以用下式來(lái)描述

θ為輻射傳播方向與粒子飛行方向的夾角,稱為輻射的半錐角

υ＝βc為帶電粒子的速度；n為輻射介質(zhì)的折射率。當(dāng)

時(shí),才能產(chǎn)生切倫科夫輻射。在介質(zhì)的折射率選定時(shí)，輻射的半錐角θ 隨著帶電粒子速度增加而增大，單位長(zhǎng)度上輻射的光子數(shù)目也隨著增加。1955年，美國(guó)物理學(xué)家就是利用切倫科夫計(jì)數(shù)器的組合，從具有一定動(dòng)量的π介子束中發(fā)現(xiàn)反質(zhì)子的。

切倫科夫計(jì)數(shù)器的基本組成包括：輻射介質(zhì)、光收集系統(tǒng)和光探測(cè)器。人們通常把切倫科夫計(jì)數(shù)器分為閾式和微分式兩種。

閾式切倫科夫計(jì)數(shù)器圖a是一個(gè)典型的閾式切倫科夫計(jì)數(shù)器的原理圖。帶電粒子沿著計(jì)數(shù)器的軸線掠過(guò)輻射介質(zhì)，當(dāng)粒子速度

時(shí)，粒子誘發(fā)的切倫科夫輻射分別以不同的半錐角傳播，不同的半錐角對(duì)應(yīng)著不同的粒子速度。閾式切倫科夫計(jì)數(shù)器的光收集系統(tǒng)可以把不同半錐角的輻射會(huì)聚到光子探測(cè)器（如光電倍增管）上，而光子探測(cè)器則將所收集到的輻射轉(zhuǎn)換成可觀測(cè)的信號(hào)。因此，只要帶電粒子的速度超過(guò)某一選定的閾速度 βo(n)〔可以調(diào)節(jié)輻射介質(zhì)的折射率n，來(lái)改變計(jì)數(shù)器的閾速度βo(n)〕，計(jì)數(shù)器就輸出一個(gè)計(jì)數(shù)。這種計(jì)數(shù)器是對(duì)入射粒子束中速度超過(guò)βo(n) 的帶電粒子數(shù)目做累積計(jì)數(shù)，因而也稱這種計(jì)數(shù)器為積分式切倫科夫計(jì)數(shù)器。

微分式切倫科夫計(jì)數(shù)器圖b是一個(gè)典型的微分式切倫科夫計(jì)數(shù)器的原理圖。光收集系統(tǒng)包括半徑為R 的球面鏡和半徑可調(diào)的環(huán)狀光闌。速度在βi到βi±Δβi之間的帶電粒子

在各個(gè)瞬時(shí)位置發(fā)射的切倫科夫輻射形成半錐角為θi到θi±Δθi的光錐。球面鏡將這光錐會(huì)聚在其焦平面上，形成平均半徑為ri＝ftgθi的光環(huán)

。調(diào)節(jié)焦平面上環(huán)狀光闌的半徑，使半徑為ri的輻射光環(huán)投射在光電倍增管的陣列上，光電倍增管給出可觀察的信號(hào)。如果帶電粒子速度

它們誘發(fā)的切倫科夫輻射光環(huán)半徑偏離環(huán)狀光闌的孔徑，光電倍增管記錄不到這種粒子誘發(fā)的輻射。因此，這種計(jì)數(shù)器只記錄粒子束中速度在βi－Δβi<β<βi＋Δβi區(qū)間內(nèi)的帶電粒子。

輻射介質(zhì)可以是氣體、液體和固體，但應(yīng)具有對(duì)輻射色散小、透明度好的光學(xué)特性，而且要求它們有低的熒光背景。

速度分辨率Δβ/β和探測(cè)效率是切倫科夫計(jì)數(shù)器最主要的性能指標(biāo)。典型的氣體閾式切倫科夫計(jì)數(shù)器在足夠高的探測(cè)效率條件下，速度分辨率約為10 ～10 。氣體微分式切倫科夫計(jì)數(shù)器,若經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的色差校正,速度分辨率可達(dá)約 10 ，而且有足夠高的探測(cè)效率。

切倫科夫計(jì)數(shù)器在原子核物理和粒子物理發(fā)展史上起過(guò)重要作用。它是實(shí)驗(yàn)物理中一種應(yīng)用廣泛的粒子探測(cè)器。

根據(jù)能量沉積的測(cè)量，人們可以測(cè)到入射電子或光子的能量。根據(jù)能量沉積分布的測(cè)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(lèi)：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(zhǎng)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(jí)聯(lián)簇射，它們既是簇射介質(zhì)，又是對(duì)帶電粒子靈敏的探測(cè)元件。簇射產(chǎn)生的次級(jí)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(guò)切倫科夫閾速度（見(jiàn)切倫科夫輻射）-相應(yīng)電子動(dòng)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(guò)閾速度的次級(jí)正負(fù)電子的徑跡長(zhǎng)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(cè)量精度范圍內(nèi)，輸出電荷量和次級(jí)正負(fù)電子的徑跡總長(zhǎng)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(lái)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(jí)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(cè)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(jí)聯(lián)簇射，次級(jí)正負(fù)電子穿越各探測(cè)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(wú)法測(cè)量的,但只要合理選取簇射介質(zhì)的取樣厚度和探測(cè)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(lái)模擬簇射次級(jí)粒子在量能器中的能量沉積分布，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)刻度，從而找出探測(cè)元件的輸出電荷量和簇射次級(jí)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(duì)入射電子或光子的能量測(cè)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(jí)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(lái)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(cè)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(jí)粒子所需的計(jì)數(shù)器的縱向深度, Eo是被測(cè)電子或光子的能量，可見(jiàn)所需的計(jì)數(shù)器的縱向深度隨被測(cè)粒子的能量以對(duì)數(shù)方式增加。因此，一個(gè)簇射計(jì)數(shù)器測(cè)量能量范圍有可能覆蓋幾個(gè)量級(jí)，這是一般磁譜儀所無(wú)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。