Cerenkov探测器.ppt

中国科大 汪晓莲 第六章 切伦科夫探测器 §6-1 切伦科夫辐射的原理 §6-2 切伦科夫辐射的产生和收集 §6-3 切伦科夫探测器的分类和应用 §6-1 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： 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。 三、切伦科夫辐射的特点 1) Cherenkov辐射的阈速度和方向性： 不同折射率辐射角与粒子速度的关系 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： 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 因为 估算： 如果z=1，取?1=7000?，?2=4000?，则光产额为： 对一个大气压的空气，n=1.00029，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5000?,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（Aeroge1）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）。 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 ?延伸到2500 ?，则N可以增加约2.4倍），所以切伦科夫探测器设计中要提高光的传输和收集效率，光子探测器的响应尽可能的移向紫外。 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。 不同折射率辐射强度与粒子速度的关系 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。 常用Cherenkov介质的特性 四、切伦科夫辐射与韧致辐射及荧光的差别 §6-2 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。 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。 几种粒子对的速度差与粒子动量的关系 一些粒子的质量差 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。 二、Cher