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