8-1磁谱仪课程.ppt

第八章 磁谱仪 §8-1 带电粒子动量的测量 一、谱仪的磁场 谱仪的磁铁有下列几种形式： §8-2 粒子的鉴别 截断平均 多次取样 不同种类粒子有不同的与物质作用效应　　　　　——　电磁簇射　　　　　——　强子簇射　　　　　——　强穿透力（大射程）磁谱仪的粒子分辨是由各子探测器和磁场联合实现的。 一、粒子物理实验对探测器的要求 随着加速器能量的增长，产生的粒子数目越来越多。 随着粒子物理的发展，需要测量粒子的参数越来越多。 因而单个探测器满足不了这些需要，于是在20 世纪六十年代末，在固定靶实验和对撞机实验相继出现了由多种探测器组成的磁谱仪。 1、高能物理实验规模越来越大 加速器技术：能量越来越高，固定靶实验， 对撞机实验。 粒子探测器：时间响应快，位置分辨高，能量分辨好。 读出电子学：快速记录海量的复杂事例； 标准快电子学插件的NIM系统； CAMAC、VME总线系统。 计算机技术：在线实验数据获取、离线数据分析、事例重建、显示、处理、传输。 大型综合多粒子高能磁谱仪：通过测量粒子的电荷、能量、动量、径迹、飞行时间，进而鉴别粒子，测量粒子不变质量谱，发现新粒子。 国际合作：十几个国家和地区，几十个科研机构和大学，几百上千个科学家、工程师合作。 2、大型磁谱仪的优点 可以同时测量粒子的多种性能（如电荷、质量、自旋、宇称、衰变宽度/寿命等）。 可测量粒子的多种运动学参量（如能量、动量、速度等）。 能测量多粒子事例，具有较好的粒子分辨本领和较强的排除本底的能力。 二、粒子分辨本领 末态粒子 在数百种粒子中，绝大多数寿命极短，只有少数几种寿命大于 10-8 秒，如? 光子、正负电子(e±)、?子（?± : 2×10-6s）、带电?介子（? ± : 2.6× 10-8s ）和K介子（ K± : 2×10-8s )、质子(p)和反质子( )等。它们在探测器尺度（米）范围内被视为稳定粒子——称为末态粒子。 例如：对K±, c?=3.7m。 谱仪中产生的粒子（初态粒子）可由末态粒子重建出来，因此在谱仪中，对末态粒子的分辨是至关重要的。 三、典型的磁谱仪子探测器的功能 磁谱仪分为两大类：工作在对撞机和工作在固定靶上的。其结构有异，但粒子探测器的种类和安排顺序相似。 固定靶实验：高能粒子束引到实验大厅轰击静止靶，各种次级粒子主要是与入射束成小角度方向飞出。 探测器安排在入射粒子前方，如单臂谱仪、双臂谱仪等 对撞机实验：两团高能粒子束互相对头碰撞，实验区就设在碰撞点周围。一般对撞机上都有多个碰撞点，可同时进行多个物理实验。 对撞机实验，质心系和实验室系一致，次级粒子分布在整个4?立体角内。 随着对撞粒子质心系能量的增加，次级粒子数目迅速增加。探测器安排在对撞点周围，要探测所有次级带电粒子，必须增大探测器的接收立体角。 探测器探测到所有次级带电粒子的几率： 有些反应过程的截面在小角度时上升，如Bhabha散射中两个次级电子和双光子过程中两个标记电子的产生截面在小角度内迅速增加。所以除了桶部的探测器外还要有端盖探测器和小角度探测器。 典型的磁谱仪子探测器的功能 　　子探测器 测量参数 　　功能 四、磁谱仪的主要子探测器 顶点探测器和内径迹探测器 主要功能：1）确定对撞顶点；2）测量次级粒子的衰变顶点；3）测量所有带电粒子的径迹，在磁场中偏转的曲率半径和电荷量级电荷符号；4）多次取样测量带电粒子的dE/dx ? 电荷量 ? 动量。 内径迹室要求物质厚度尽量小，都采用气体丝室。 气体丝室的位置分辨率为100 ?m，硅微条探测器位置分辨可达几个?m。 给出带电粒子径迹，并可测 dE/dx 配合磁场，得到粒子动量 p 2. 飞行时间计数器TOF 主要功能： 1）测量带电粒子从对撞点到TOF探测器的飞行时间，结合径迹探测器测得的粒子动量和径迹，从而辨别粒子的种类。 2）触发。 3）排除宇宙线本底。 通常由快发光塑料闪烁体和快光电倍增管组成。对大面积的可做到100ps的时间分辨。多间隙阻性板室（MRPC），可达到60ps的时间分辨。 TOF的时间分辨率 TOF的主要物理目标是粒子鉴别，其粒子鉴别本领的大小主要由相同动量粒子的飞行时间差和TOF的时间分辨率所决定。 相同动量粒子的飞行时间差随TOF的内半径变大而增加，由几何尺寸决定。 TOF的时间分辨率由起始时间的精度和粒子打到飞行时间计数器后测量的截止时间的精度决定，其中TOF的本征时间分辨率是主要因素。