切倫科夫計數(shù)器正文

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裝置。帶電粒子在均勻介質中誘發(fā)的切倫科夫輻射的特性和帶電粒子的速度密切相關，這種關系可以用下式來描述

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為輻射介質的折射率。當

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

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

閾式切倫科夫計數(shù)器圖a是一個典型的閾式切倫科夫計數(shù)器的原理圖。帶電粒子沿著計數(shù)器的軸線掠過輻射介質，當粒子速度

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

微分式切倫科夫計數(shù)器圖b是一個典型的微分式切倫科夫計數(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的環(huán)狀光闌。速度在βi到βi±Δβi之間的帶電粒子

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

。調節(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。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，這種計數(shù)器只記錄粒子束中速度在βi－Δβi<β<βi＋Δβi區(qū)間內的帶電粒子。

輻射介質可以是氣體、液體和固體，但應具有對輻射色散小、透明度好的光學特性，而且要求它們有低的熒光背景。

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

切倫科夫計數(shù)器在原子核物理和粒子物理發(fā)展史上起過重要作用。它是實驗物理中一種應用廣泛的粒子探測器。

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。按照這種計數(shù)器的結構和它們的運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數(shù)器。

全吸收型

全吸收型電子光子簇射計數(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，又是對帶電粒子靈敏的探測元件。簇射產生的次級粒子（正負電子）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換成閃爍熒光，經光電倍增管轉換成與能量成正比的電荷量輸出。在鉛玻璃中簇射產生的正負電子，當它們的速度超過切倫科夫閾速度（見切倫科夫輻射）-相應電子動能Ek>150keV時，正負電子將產生切倫科夫光,光的產額和超過閾速度的次級正負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換成電荷輸出。因此，在一定測量精度范圍內，輸出電荷量和次級正負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數(shù)器通常做成積木式結構，如圖1所示。每塊晶體（或鉛玻璃）由獨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）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數(shù)器是由簇射介質和取樣探測元件組成,幾種常用的單元如圖2所示。實際用的簇射計數(shù)器可以由這樣一些基本單元構成。高能電子或光子入射到這種計數(shù)器中，在簇射介質（常用的有鉛,λo=0.56cm，Ec=7.2MeV；鎢，λo=0.35cm, Ec=7.9MeV）中產生電磁級聯(lián)簇射，次級正負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換成電脈沖幅度。雖然沉積在簇射介質中的能量是無法測量的,但只要合理選取簇射介質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，并通過實驗刻度，從而找出探測元件的輸出電荷量和簇射次級粒子在整個計數(shù)器中的能量沉積的定量關系，實現(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，各個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相關聯(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。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來確定入射電子和光子的方向和鑒別粒子。

一個完善的電子光子簇射計數(shù)器（包括相應的讀出電子學器件）應能精確地測量入射電子或光子的能量和它們的入射方向，還應能夠排除強子和μ子造成的本底，因此希望這種計數(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-卡羅模擬和實驗結果表明，要吸收全部次級粒子所需的計數(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，一個簇射計數(shù)器測量能量范圍有可能覆蓋幾個量級，這是一般磁譜儀所無法實現(xiàn)的。隨著加速粒子能量的增加，電子光子簇射計數(shù)器已經成為高能物理實驗中不可缺少的實驗設備。