§7-1 切伦科夫辐射的原理 §7-2 切伦科夫辐射的产生和收集 §7-3 切伦科夫探测器的分类和应用

Presentation on theme: "§7-1 切伦科夫辐射的原理 §7-2 切伦科夫辐射的产生和收集 §7-3 切伦科夫探测器的分类和应用"— Presentation transcript:

1 §7-1 切伦科夫辐射的原理 §7-2 切伦科夫辐射的产生和收集 §7-3 切伦科夫探测器的分类和应用
第七章 切伦科夫探测器 §7-1 切伦科夫辐射的原理 §7-2 切伦科夫辐射的产生和收集 §7-3 切伦科夫探测器的分类和应用

2 §7-1 切伦科夫辐射的原理 一、切伦科夫辐射的描述 产生机理：
§7-1 切伦科夫辐射的原理 一、切伦科夫辐射的描述 Cherenkov Radiation：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。 2019/4/3 粒子探测

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。 2019/4/3 粒子探测

4 三、切伦科夫辐射的特点 1) Cherenkov辐射的阈速度和方向性：
2019/4/3 粒子探测

5 不同折射率辐射角与粒子速度的关系 2019/4/3 粒子探测

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： 2019/4/3 粒子探测

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： =2c/是辐射频率，是波长，n>1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 2019/4/3 粒子探测

8 如果z=1，取1=7000Å，2=4000Å，则光产额为：
因为 估算： 如果z=1，取1=7000Å，2=4000Å，则光产额为： 对一个大气压的空气，n= ，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5000Å,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272×2.5eV=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（Aerogel）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）。 01，所以 2019/4/3 粒子探测

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 Å延伸到2500 Å，则N可以增加约2
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d／d增大，从而限制探测器分辨率的提高。 2019/4/3 粒子探测

10 不同折射率辐射强度与粒子速度的关系 2019/4/3 粒子探测

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10－9－10－11秒。 （7）平面偏振光。 2019/4/3 粒子探测

12 常用Cherenkov介质的特性 介质 折射率 n 最大辐射角max N(光子数/cm) 氢 氦 二氧化碳 气凝硅胶 水 有机玻璃 铅玻璃
1.02 1.33 1.49 1.76 0°57’ 0°29’ 1°38’ 11°22’ 41°15’ 47°51’ 55°23’ 0.13 0.03 0.40 19.0 213 269 332 2019/4/3 粒子探测

13 四、切伦科夫辐射与韧致辐射及荧光的差别 切伦科夫辐射 韧致辐射 荧光 产生条件 辐射体 辐射角 发光时间 偏振性质 光强 辐射光谱 产生机制
V>c/n,匀速 均匀透明，只与n有关 ＝cos-1(1/n),E大, 大 10-9－10-11 s 平面偏振光 弱 紫外到可见光,连续光谱 介质极化退极化辐射 相干叠加 加速度越大辐射越强 与原子序数Z2成正比 <>mc2/E,E大小 —— 偏振光 最强 X射线 快速带电粒子速度变化辐射 与粒子运动形式无关 荧光物质 各向同性 10-7－10-9 s 非偏振光 约大于切伦科夫光100倍 可见光,线光谱或带光谱 闪烁体原子激化退激化辐射 2019/4/3 粒子探测

14 §7-2 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
§7-2 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，LmaxLnE； 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。 辐射体 折射率n 密度 (g/cm3) 辐射长度X0 (cm) 临界能量Ec (MeV)  阈值 铅玻璃SF-5 1.67 4.08 2.54 15 1.25 铅玻璃PN-123 1.73 4.70 2.10 1.23 PbF2 1.75 7.8 0.95 10.0 1.22 TlCl 2.2 7.0 0.94 8.8 1.12 2019/4/3 粒子探测

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，m1>m2，~1 2019/4/3 粒子探测

16 几种粒子对的速度差与粒子动量的关系 2019/4/3 粒子探测

17 一些粒子的质量差 粒子 质量差 (GeV) m1 m2 e   K P    0.0112 0.0088 0.224 0.636
0.553 0.312 1.051 2019/4/3 粒子探测

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。 2019/4/3 粒子探测

19 二、Cherenkov辐射的传播和收集 在辐射体内：一部分被吸收
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。 2019/4/3 粒子探测

20 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：
f为球面镜焦距。 2019/4/3 粒子探测

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。 2019/4/3 粒子探测

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： 2019/4/3 粒子探测

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。 2019/4/3 粒子探测

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，M＝106，对磁场不灵敏。
2019/4/3 粒子探测

25 固体光子探测器 CCD（Charge-Coupled Device） 电荷耦合器件 PD（Photoelectron Diode）光电二极管
APD（Avalanche Photoelectron Diode 雪崩光电二极管 VLPC（Visible Light Photo Counter） 可见光计数器 2019/4/3 粒子探测

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、高量子效率的非负电性蒸气。常用的有：
TEA(Triethylamine)(C2H5)3N, I=7.5eV TMAE(Tetrakis-dimethylamineoethylene) [(CH3)2N]2C=C5H12N2, I=5.4eV 3）位置灵敏探测器：MWPC MSAC、MSGC、MGC等， 给出光电子二维或三维座标。 位置灵敏探测器 2019/4/3 粒子探测

27 1）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。
混合光探测器HPD 1）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He混合气 体，低气压或1个大气压。 5）MWPC记录。 6）M>107, 允许计数率 106Hz/mm2。 2019/4/3 粒子探测

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 2019/4/3 粒子探测

29 §7-3 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
§7-3 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 2019/4/3 粒子探测

30 一、Cherenkov全吸收电磁簇射探测器
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LmaxLnE0，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。 2019/4/3 粒子探测

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；P＋P 的能量；宇宙线广延大气簇射的能量流等。 2019/4/3 粒子探测

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 用固体和液体做辐射体，因阈动能很低，主要用于探测强p、本底下的电子，还可以测定溶于水中的放射性。 对<5的粒子一般选用固体或液体做辐射体。由于能量不高，速度分辨率为10－2－10－3。 能量为几十GeV的粒子选用气体做辐射体 2019/4/3 粒子探测

33 辐射体的阈动能（＝5893A，0℃，760mmHg） 辐射体 折射率 阈动能 电子(MeV) 介子(GeV) 质子(GeV) 氦 氩
空气 氮 甲烷 二氧化碳 氟利昂 水 有机玻璃 铅玻璃 1.333 1.50 1.76 61 21 20 17 16 12 0.2 0.175 0.11 5.7 5.6 4.6 4.5 3.2 0.0726 0.0475 0.0307 112 38.5 38 31 30 22 0.488 0.322 0.206 2019/4/3 粒子探测

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：
阈速度仅对电子灵敏。 日本KEK B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。 2019/4/3 粒子探测

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（ ）%。 2019/4/3 粒子探测

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。 2019/4/3 粒子探测

37 用固体和液体做辐射体，因n大，阈动能很低。 对<5的粒子，由于能量不高，一般选用固体或 液体做辐射体。
速度分辨： 用固体和液体做辐射体，因n大，阈动能很低。 对<5的粒子，由于能量不高，一般选用固体或 液体做辐射体。 对能量为几十GeV的粒子选用气体做辐射体。 阈式C计数器的速度分辨率定义为探测 效率曲线由0－63％变化时对应的速度 的变化.如图探测效率由0－63％变化， 对应气压变化0.2atm， 对He气(n0-1)=32.910-6 噪声和电子效应：应尽量减小PMT噪声和辐射体中电子的信号。通常可以采用2个以PMT符合来降低噪声和电子效应。 2019/4/3 粒子探测

38 阈式Cherenkov探测器的设计参数 速度分辨率： 鉴别动量相同质量不同的粒子，两个粒子的质量 差越小，要求C计数器的速度分辨率越高。
辐射体长度： 如果设计阈式C计数器使得较重的粒子的速度恰好在阈速度附近，意味 着对应m2粒子的C辐射角2~0。而较轻的m1粒子的C辐射角1满足 2019/4/3 粒子探测

39 例题：实验上如何用阈式Cherenkov计数器鉴别动量为3GeV/C的、K、P粒子？已知三个阈式Cherenkov计数器
探测器 n minmin CI CII CIII 解：三个阈式Cherenkov计数器前后串行排列，4个闪烁计数器作触发望远镜，都有信号时表面有粒子束通过。 2019/4/3 粒子探测

40 2、微分式切伦科夫计数器 围绕粒子运动方向的切伦科夫辐射是圆环，利用光阑选取某一定角度的切伦科夫辐射可确定入射粒子速度。改变光阑的半径可在一定范围内对入射粒子的速度进行扫描。这就是微分式切伦科夫计数器的基本原理。 分为固体或液体辐射体的微分式切伦科夫计数器和气体辐射体的微分式切伦科夫计数器两大类。 在固体或液体辐射体的微分式切伦科夫计数器中用一个可变焦距的光学系统使切伦科夫辐射聚焦到位于焦平面的环形光阑上进行测量。由于接受角很小，多次库仑散射和电离损失都很小，辐射体的色散成为影响速度分辨率的主要因素，采用消色散的光学系统对色散进行补偿。 气体辐射体的微分式切伦科夫计数器用球面镜将切伦科夫光聚焦到可调的圆环光阑上，用若干个PMT对通过光阑狭缝的光进行符合测量。选用色散最小的He气作辐射体。 2019/4/3 粒子探测

41 微分式切伦科夫计数器 2019/4/3 粒子探测

42 3、环形成像切伦科夫计数器(RICH) Ring Imaging CHerenkov Counter
RICH技术是唯一从低动量到高动量( GeV/c)范围内均能采用的鉴别粒子的方法，使用长辐射体RICH可测700 GeV/c动量。 探测器由中心位于相互作用点，半径为Rm的球面镜和一个与球面镜同心，半径为Rd的光探测器组成，Rd＝Rm/2。由靶区发射的带电粒子经过辐射体产生切伦科夫光锥，再经过球面镜聚焦在光探测器上形成环形像。 2019/4/3 粒子探测

43 2019/4/3 粒子探测

44 4、其他新型切伦科夫计数器 1）探测全反射的切伦科夫计数器（DIRC）Detection of Internally Reflected Cherenkov light 辐射体兼有切伦科夫辐射体和光导的双重作用。高速带电粒子以 角入射，其切伦科夫角满足 切伦科夫光在辐射体界面的入射角 的C光将在辐射体内发生全反射，向辐射体端部传送，最后进入n2介质，在光探测器平面上成像。 2019/4/3 粒子探测

45 在探测器平面的图像（距辐射体1米处） 2019/4/3 粒子探测

46 BaBar实验的DIRC cosq=1/bn (b>1/n) qc e± p± 探测全反射的契仑科夫探测器DIRC
（Detection of Internally Reflected Cherenkov light） p K± p (GeV/c) 2019/4/3 粒子探测

47 Cherenkov Correlated Timing detector 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。
2）切伦科夫相关定时计数器（CCT） Cherenkov Correlated Timing detector 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括带电粒子由相互作用顶点到辐射体的飞行时间和C光由产生处传播到光探测器的时间。动量一定的粒子K的速度比慢，两种效应迭加，CCT的特性比TOF好。 2019/4/3 粒子探测

48 3）切伦科夫传播时间计数器（TOP） Time Of Propagation cherenkov count
采用综合测量传播时间和发射角的办法。选用石英棒作辐射体。 在石英棒一端测量切伦科夫光子的传播时间，并同时测量这些光子水平方向的发射角。结合这两方面的信息获得切伦科夫环像的信息。 参考文献：Takayoshi Ohshima，Nucl. Instr. & Meth. , 2000 , A 453, 331 2019/4/3 粒子探测