粒子探测器与数据获取PDF电子书下载

第一篇 粒子探测器的物理基础 5

第一章 粒子与介质的相互作用 5

1.1 带电粒子通过介质时的电离能损 5

1.1.1 Bethe-Bloch 公式 6

1.1.2 电离能量损失的相对论上升和密度效应 6

1.1.3 电离能量损失的涨落和分布 7

1.1.4 δ-电子 8

1.1.5 混合物和化合物中的电离能量损失 9

1.1.6 电离产额 9

1.2 带电粒子通过介质时的多次库仑散射 10

1.3 快速带电粒子的韧致辐射 12

1.4 切伦科夫辐射、穿越辐射和同步辐射 16

1.4.1 切伦科夫（Cherenkov）辐射 16

1.4.2 穿越辐射 17

1.4.3 同步辐射 18

1.5 光子和物质的相互作用 19

1.5.1 光电效应 19

1.5.2 康普顿－吴有训效应 21

1.5.3 电子对产生 23

1.6 电磁簇射 25

1.7 强子簇射 29

参考文献 32

第二章 电子与离子在气体中的运动 33

2.1 带电粒子在气体中的能量损失及其分布 33

2.2 原电离和总电离 36

2.3 气体中电子和离子在无电场情况下的扩散 37

2.4 离子的迁移率 38

2.5 电子的漂移和扩散 40

2.5.1 电子的漂移 40

2.5.2 电子的扩散 42

2.6.1 在磁场中电子的漂移 43

2.6 在外加磁场和强电场影响下的电子 43

2.6.2 强电场影响下的激发和电离 44

2.7 负电性气体的影响 49

2.8 气体探测器中收集的电荷与外加电场的关系 51

参考文献 54

第二篇 粒子探测器 55

第三章 正比计数器 55

3.1 正比计数器的工作原理 56

3.1.1 雪崩倍增过程 56

3.1.2 圆柱形正比计数器的倍增因子 58

3.2 正比计数器信号特征 59

3.3.1 计数率坪特性曲线 62

3.3 表征正比计数器性能的几个参数的实验确定 62

3.3.2 能量分辨率 63

3.3.3 倍增因子 . 63

3.3.4 探测效率 63

3.3.5 正比计数器的寿命（老化） 64

3.4 空间电荷效应 64

3.5 工作气体的选择 66

3.5.1 正比计数器对工作气体的要求 66

3.5.3 多原子分子气体加入的影响 67

3.5.2 惰性气体作为主要成分 67

3.5.4 粒子工厂的气体探测器对工作气体的要求 68

3.6 正比计数器应用的一个实例 68

参考文献 69

第四章 多丝正比室与漂移室 71

4.1 多丝正比室 71

4.1.1 多丝正比室（MWPC）的工作原理 71

4.1.2 气体放大系数的唯像参数化（phenomenological parametrization）理论 73

4.1.3 丝室的几何参数及其公差对MWPC气体放大特性的影响 76

4.1.4 重力和静电力对丝的稳定性的影响 78

4.1.5 工作气体的选择 81

4.1.6 信号读出方法 82

4.1.7 MWPC的主要特性 85

4.1.8 MWPC的机械结构 88

4.2 漂移室 91

4.2.1 工作原理 91

4.2.2 漂移室中的位置测量 95

4.2.3 漂移室的主要性能 96

4.2.4 漂移室的工作气体 104

4.2.5 漂移室的寿命 109

4.2.7 若干现存的典型漂移室简介 113

4.2.6 机械结构和读出电子学 113

4.2.8 用激光束对丝室测试和标定 124

参考文献 131

第五章 时间投影室和时间扩展室 133

5.1 时间投影室 133

5.1.1 气体时间投影室 133

5.1.2 液体时间投影室 139

5.1.3 ICARUS 600t探测器 147

5.2 时间扩展室（TEC） 148

5.2.1 时间扩展室的工作原理 148

5.2.2 TEC的结构和性能 148

5.2.3 TEC的应用 152

参考文献 154

第六章 气体探测器的新发展 156

6.1 用作顶点探测器与中心区径迹室的气体探测器 156

6.1.1 微条气体室和气体电子倍增器 157

6.1.2 多漂移单元模块 159

6.1.3 稻草管室 161

6.2 大面积覆盖气体室 161

6.2.1 蜂巢室 161

6.2.2 阴极条室 162

6.2.3 平行板室 163

6.2.4 阻性板室 164

6.2.5 小间隙室 166

6.3 探测低动量带电粒子的高精度漂移室 167

参考文献 168

第七章 闪烁探测器 171

7.1 闪烁体的分类和发光过程 171

7.2 闪烁体的性能 175

7.2.1 发射光谱 175

7.2.2 发光光产额 176

7.2.3 发光衰减时间 176

7.3.1 光电倍增管 177

7.3 光探测器件 177

7.3.2 半导体光电器件 188

7.3.3 电荷耦合器件CCD 191

7.4 闪烁体探测器 192

7.4.1 光收集 192

7.4.2 光传输衰减长度 194

7.4.3 探测效率 196

7.4.4 能量分辨率和线性 197

7.4.5 时间测量和时间分辨率 200

7.4.6 闪烁体辐照效应 205

7.5.1 无机闪烁体的应用 207

7.5 闪烁体的应用 207

7.5.2 有机闪烁体的应用 211

参考文献 218

第八章 硅微条探测器 220

8.1 半导体探测器基础 221

8.1.1 导体、半导体、绝缘体的能带 221

8.1.2 电荷载流子及在电场中的迁移 222

8.1.3 本征半导体与掺杂 222

8.1.4 p-n结的形成及其特征 224

8.1.5 p-n结的偏压特征 226

8.1.6 P-n结的几种形成方法 228

8.1.8 半导体探测器的技术要求 229

8.1.7 “电离能”与法诺因子 229

8.2 硅微条探测器的结构和原理 231

8.2.1 硅微条探测器结构 231

8.2.2 硅微条探测器的工作原理 234

8.2.3 硅微条探测器的测试及技术指标 235

8.2.4 硅微条探测器及其他半导体探测器采用的先进技术工艺 237

8.3 硅微条及相关的半导体探测器的发展 240

8.3.1 双边读出的硅微条探测器 241

8.3.3 电荷耦合器件探测器 242

8.3.2 像素探测器 242

8.3.4 硅片探测器 244

8.3.5 硅漂移室 244

8.3.6 读出电子学 246

8.4 硅微条及相关的半导体探测器的应用 248

8.4.1 在高能物理实验中的应用 248

8.4.2 在天体物理和宇宙线实验中的应用 250

8.4.3 在核医学中的应用 253

参考文献 257

9.1.1 切伦科夫辐射的基本特征与公式 259

9.1 切伦科夫计数器 259

第九章 切伦科夫计数器与穿越辐射探测器 259

9.1.2 切伦科夫计数器的组成 262

9.1.3 阈式切伦科夫计数器 266

9.1.4 微分式切伦科夫计数器 271

9.1.5 环形成像切伦科夫计数器（RICH） 275

9.1.6 其他新型切伦科夫计数器 289

9.2 穿越辐射探测器（TRD） 292

9.2.1 穿越辐射的主要特征 293

9.2.2 穿越辐射与粒子鉴别 296

9.2.3 穿越辐射探测器的设计 297

9.2.4 穿越辐射计数器的实例 301

9.2.5 在未来对撞机上用TRD判别电子 305

参考文献 309

第十章 量能器 311

10.1 电磁量能器（EMC） 312

10.1.1 电磁相互作用能损机制 312

10.1.2 电磁量能器的特性参数 317

10.2 强子量能器 322

10.2.1 强子相互作用过程 322

10.2.2 强子量能器的特性参数 324

10.3.1 电子（光子）和强子的鉴别 330

10.3 量能器中的粒子鉴别 330

10.3.2 μ子鉴别 331

10.3.3 中微子的鉴别 332

10.4 量能器的结构和信号读出 332

10.4.1 全灵敏型量能器（或均匀介质量能器——homogeneous calorimeter） 332

10.4.2 取样量能器 341

10.4.3 混合探测器 357

10.5 量能器的标定和监测 358

10.5.1 量能器的标定（刻度） 358

10.5.2 量能器的监测 358

结束语 362

参考文献 363

第三篇 读出电子学与在线数据获取 366

第十一章 粒子物理实验在线数据获取的电子学仪器总线系统 366

11.1 粒子物理实验电子学仪器总线系统概述 366

11.1.1 仪器总线的目的与作用 366

11.1.2 高能物理实验用背板总线特性简介 368

11.2 CAMAC系统 371

11.2.1 概述 371

11.2.2 CAMAC的机械特性 374

11.2.3 机箱数据通道（DATAWAY） 376

11.2.4 机箱数据通道的命令操作 381

11.2.5 机箱数据通道信号的定时与块传送 384

11.2.6 CAMAC系统的构成 386

11.2.7 CAMAC系统软件 393

11.3 快总线系统（FASTBUS） 393

11.3.1 概述 393

11.3.2 快总线的机械结构和电源 395

11.3.3 快总线的设备 398

11.3.4 信号与总线 399

11.3.5 快总线操作的基本过程 400

11.3.6 快总线插件举例 404

11.3.7 软件 405

11.4 VMEbus总线 407

11.4.1 概述 407

11.4.2 机械结构 411

11.4.3 功能结构 417

11.4.4 总线各信号线的用法及操作周期 422

11.4.5 VMEbus寻址与数据宽度 429

11.4.6 VMEbus地址修改码 433

11.4.7 VMEbus仲裁与VMEbus系统控制器 434

11.4.8 VMEbus读／写周期 437

11.4.1 0 VMEbus的二次总线和多机箱操作 439

11.4.9 VMEbus的雏菊花链连接 439

11.4.1 1 VMEbus的系统设计 441

11.4.1 2 VMEbus软件 442

11.5 NIM系统与前面板互连 443

11.5.1 概述 443

11.5.2 NIM系统 443

11.5.3 核电子学插件的若干规定及信号传输 447

11.5.4 前面板连接 456

11.5.5 用于核仪器插件的标准化数字数据总线系统（NIM/GPIB） 459

参考文献 460

12.1.2 与触发和在线计算机连锁，有序地记录事例 462

12.1.3 提供触发条件 462

第十二章 前端电子学 462

12.1.1 信号到数据的转换 462

12.1 前端电子学的功能 462

12.2 探测器输出信号的基本特征 463

12.2.1 探测器的能量－电荷转换 463

12.2.2 信号的随机性 463

12.2.3 噪声、干扰和信号共存 463

12.3 信号处理的基本方法 464

12.3.1 电荷测量 464

12.3.2 时间测量 467

12.3.3 击中信息获取 471

12.3.4 波形取样技术 471

12.3.5 噪声处理 471

12.3.6 信号堆积问题 474

12.4 数据的预处理 475

12.4.1 数据压缩 475

12.4.2 数据归一化 475

12.5.4 事例暂存技术 476

12.5.3 流水线技术 476

12.5.2 数字多路器 476

12.5.1 模拟多路器 476

12.5 前端电子学信息的读出 476

12.5.5 高速光缆技术 478

12.6 前端电子学的自检和校准 478

12.6.1 标准信号的获得 478

12.6.2 电荷通道的校准 479

12.6.3 时间通道的校准 479

12.7 系统干扰及其治理 479

12.7.1 电源干扰的治理 480

12.7.2 电磁场干扰的治理 480

12.7.3 地电流干扰的治理 482

12.7.4 同步抗干扰方法 484

12.7.5 缩短模拟部分的电缆长度 484

12.8 前端电子学展望 484

参考文献 484

第十三章 触发判选和数据获取系统 486

13.1 概述 486

13.1.1 加速器的时间结构 486

13.1.2 事例率和数据率 487

13.1.4 死时间 488

13.1.3 数据量 488

13.2 触发判选系统 492

13.2.1 对触发判选系统的要求 492

13.2.2 多级触发 493

13.2.3 触发判选的物理原则 494

13.2.4 触发判选方案的实现 497

13.2.5 触发判选系统性能的监督 502

13.2.6 触发效率的测量 503

13.2.7 高亮度下的触发判选 505

13.3 数据获取系统 509

13.3.1 数据获取系统的任务 509

13.3.2 单CPU的数据获取系统 511

13.3.3 北京谱仪的数据获取系统 512

13.3.4 新一代高能物理实验的数据获取系统 516

13.3.5 实时操作系统 522

13.3.6 数据获取系统的仿真 522

13.4 BES-Ⅲ的触发和数据获取系统 522

13.4.1 BES-Ⅲ的触发判选系统 523

13.4.2 BES-Ⅲ的数据获取系统 525

参考文献 527

14.1 谱仪中带电粒子动量的测定 529

第十四章 加速器实验的大型谱仪 529

第四篇 粒子探测器的应用 529

14.1.1 谱仪的磁场 530

14.1.2 动量分辨 531

14.2 粒子的鉴别 533

14.2.1 带电粒子的鉴别 533

14.2.2 电子－强子的鉴别 538

14.2.3 μ子－强子的鉴别 538

14.2.4 中性粒子的鉴别 539

14.3 北京谱仪 539

14.3.1 谱仪的结构简介 539

14.3.2 谱仪的调试及其性能的实验研究 546

14.4 LEP上的四个大型探测器系统 550

14.4.1 ALEPH 551

14.4.2 DELPHI 552

14.4.3 L3 554

14.4.4 OPAL 555

14.5 近期运行和即将运行的谱仪 557

14.5.1 LHC的探测器系统 557

14.5.2 B介子工厂、τ-C工厂和φ介子工厂的探测器 561

14.6 用于固定靶实验的谱仪 567

参考文献 571

第十五章 在其他学科与国民经济方面的应用 573

15.1 同步辐射 573

15.1.1 同步辐射的产生与特点 573

15.1.2 同步辐射光源 576

15.1.3 光束线与实验站的应用领域 579

15.1.4 同步辐射光子探测器 580

15.1.5 同步辐射实验的屏蔽 587

15.2 质子激发X荧光分析 589

15.2.1 原理与实验装置简述 589

15.2.2 与其他X射线成分分析法比较 590

15.2.3 探测器特点 592

15.2.4 应用举例 593

15.3 医用计算机断层照相 593

15.3.1 原理简述 593

15.3.2 实验装置与探测器特点及发展 596

15.3.3 应用前景 600

15.4 射线治疗 600

15.4.1 原理简述 601

15.4.2 射线治疗装置与探测器特点 602

15.4.3 应用前景 606

15.5 工业探伤与集装箱检测 606

15.5.1 简单原理及射线源与探测器特点 607

15.5.2 应用前景 608

15.6 放射性探矿 609

15.6.1 工作原理 609

15.6.2 应用前景 612

参考文献 613

附录 616

1．物质的原子与原子核特性表 616

2．气体压力各种单位比较表 620

3．流光形成的机制与平行板探测器雪崩放电模式简介 620

4．检测粒子探测器常用的放射源与宇宙线特性及放射性剂量与屏蔽 626