61切伦科夫探测器解析.pptx

1 1第六章第六章 切伦科夫探测器切伦科夫探测器与穿越辐射探测器与穿越辐射探测器 2 2粒子携带的信息粒子携带的信息n n n n若已知粒子动量若已知粒子动量若已知粒子动量若已知粒子动量p p，可根据粒子速度，可根据粒子速度，可根据粒子速度，可根据粒子速度 确定粒子质量，即分确定粒子质量，即分确定粒子质量，即分确定粒子质量，即分辨粒子。对粒子的分辨能力为：辨粒子。对粒子的分辨能力为：辨粒子。对粒子的分辨能力为：辨粒子。对粒子的分辨能力为：n n粒子分辨的精度由速度测量精度和动量测量精度决定。粒子分辨的精度由速度测量精度和动量测量精度决定。粒子分辨的精度由速度测量精度和动量测量精度决定。粒子分辨的精度由速度测量精度和动量测量精度决定。3 36-1 切伦科夫辐射切伦科夫辐射 一、切伦科夫辐射的描述一、切伦科夫辐射的描述n nCherenkov RadiationCherenkov Radiation：匀速带电粒子穿过均匀匀速带电粒子穿过均匀匀速带电粒子穿过均匀匀速带电粒子穿过均匀透明介质，当其速度超过透明介质，当其速度超过透明介质，当其速度超过透明介质，当其速度超过光在该介质中的相速度光在该介质中的相速度光在该介质中的相速度光在该介质中的相速度c/nc/n时，粒子将发射辐射，称为时，粒子将发射辐射，称为时，粒子将发射辐射，称为时，粒子将发射辐射，称为CherenkovCherenkov辐射。辐射。辐射。辐射。n n产生机理产生机理产生机理产生机理：介质原子或分子的极化与退极化；介质原子或分子的极化与退极化；介质原子或分子的极化与退极化；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。电磁辐射的相干叠加，在一定方向得到加强。电磁辐射的相干叠加，在一定方向得到加强。电磁辐射的相干叠加，在一定方向得到加强。n nCherenkovCherenkov辐射的辐射的辐射的辐射的阈特性阈特性阈特性阈特性、方向性方向性方向性方向性是和入射粒子的是和入射粒子的是和入射粒子的是和入射粒子的速度速度速度速度 密切相关的。密切相关的。密切相关的。密切相关的。n n产生和记录产生和记录产生和记录产生和记录CherenkovCherenkov辐射的装置称为辐射的装置称为辐射的装置称为辐射的装置称为CherenkovCherenkov探测器探测器探测器探测器。4 4二、切伦科夫辐射产生的条件二、切伦科夫辐射产生的条件（1 1）快速带电粒子做匀速运）快速带电粒子做匀速运）快速带电粒子做匀速运）快速带电粒子做匀速运动，且动，且动，且动，且（2 2）均匀透明的介质）均匀透明的介质）均匀透明的介质）均匀透明的介质（3 3）满足）满足）满足）满足 在与在与在与在与粒子运动方向成粒子运动方向成粒子运动方向成粒子运动方向成 角的方向角的方向角的方向角的方向上电磁辐射相干加强，才上电磁辐射相干加强，才上电磁辐射相干加强，才上电磁辐射相干加强，才能观测到能观测到能观测到能观测到。5 5 三、切伦科夫辐射的特点三、切伦科夫辐射的特点1)1)Cherenkov辐射的阈速度和方向性：辐射的阈速度和方向性：切伦科夫辐射与粒子运动方向成切伦科夫辐射与粒子运动方向成切伦科夫辐射与粒子运动方向成切伦科夫辐射与粒子运动方向成 角，形成角，形成角，形成角，形成以粒子运动轨迹为轴的光锥，其张角为以粒子运动轨迹为轴的光锥，其张角为以粒子运动轨迹为轴的光锥，其张角为以粒子运动轨迹为轴的光锥，其张角为2 2 ，测定测定测定测定 ，已知，已知，已知，已知n n，即可求得，即可求得，即可求得，即可求得 。6 6n n通过通过通过通过单位长度介质在每单位光子能量间隔产生的光子数单位长度介质在每单位光子能量间隔产生的光子数单位长度介质在每单位光子能量间隔产生的光子数单位长度介质在每单位光子能量间隔产生的光子数是是是是n n或，光子波长或，光子波长或，光子波长或，光子波长 的函数则的函数则的函数则的函数则n n若若若若介质长介质长介质长介质长L L，发出在波长，发出在波长，发出在波长，发出在波长 1 1和和和和 2 2之间的光子总数之间的光子总数之间的光子总数之间的光子总数为为为为 辐射集中在短波区辐射集中在短波区辐射集中在短波区辐射集中在短波区 对于对可见光灵敏的光探测器对于对可见光灵敏的光探测器对于对可见光灵敏的光探测器对于对可见光灵敏的光探测器(=400-700nm)=400-700nm)，单位长度的光子数，单位长度的光子数，单位长度的光子数，单位长度的光子数 2 2）切伦科夫辐射光谱及光子密度分布）切伦科夫辐射光谱及光子密度分布）切伦科夫辐射光谱及光子密度分布）切伦科夫辐射光谱及光子密度分布7 7常用常用Cherenkov介质的特性介质的特性介质介质介质介质折射率折射率折射率折射率 n n最大辐射角最大辐射角最大辐射角最大辐射角 maxmaxN(N(光子数光子数光子数光子数/cm)/cm)氢氢氢氢氦氦氦氦二氧化碳二氧化碳二氧化碳二氧化碳气凝硅胶气凝硅胶气凝硅胶气凝硅胶水水水水有机玻璃有机玻璃有机玻璃有机玻璃铅玻璃铅玻璃铅玻璃铅玻璃1.0001401.0001401.0000351.0000351.0004101.0004101.021.021.331.331.491.491.761.760 05757 0 02929 1 13838 11112222 41411515 47475151 55552323 0.130.130.030.030.400.4019.019.0213213269269332332不同折射率n下，辐射角c与粒子速度的关系气凝硅胶（气凝硅胶（气凝硅胶（气凝硅胶（AerogelAerogel）：）：）：）：n=1.021.08n=1.021.08介于气体和固体之间，介于气体和固体之间，介于气体和固体之间，介于气体和固体之间，密度密度密度密度0.10.3g/cm0.10.3g/cm3 38 8切伦科夫辐射的特点切伦科夫辐射的特点（1 1）切伦科夫辐射角）切伦科夫辐射角）切伦科夫辐射角）切伦科夫辐射角（2 2）阈速度）阈速度）阈速度）阈速度（3 3）阈动量）阈动量）阈动量）阈动量（4 4）最大辐射角）最大辐射角）最大辐射角）最大辐射角（5 5）辐射光谱是从紫外光到可见光的连续谱，短波光子数多。）辐射光谱是从紫外光到可见光的连续谱，短波光子数多。）辐射光谱是从紫外光到可见光的连续谱，短波光子数多。）辐射光谱是从紫外光到可见光的连续谱，短波光子数多。（6 6）辐射光微弱，要选择电离能损小、无荧光发射的介质为辐射体；）辐射光微弱，要选择电离能损小、无荧光发射的介质为辐射体；）辐射光微弱，要选择电离能损小、无荧光发射的介质为辐射体；）辐射光微弱，要选择电离能损小、无荧光发射的介质为辐射体；尽量提高收集效率，向紫外区域扩展。尽量提高收集效率，向紫外区域扩展。尽量提高收集效率，向紫外区域扩展。尽量提高收集效率，向紫外区域扩展。（7 7）能损小，近似于）能损小，近似于）能损小，近似于）能损小，近似于“无损无损无损无损”探测探测探测探测 如：在气凝硅胶中的切伦科夫辐射能损如：在气凝硅胶中的切伦科夫辐射能损如：在气凝硅胶中的切伦科夫辐射能损如：在气凝硅胶中的切伦科夫辐射能损 0.3keV/cm,0.3keV/cm,电离能损电离能损电离能损电离能损 400keV/cm400keV/cm（8 8）发光时间短）发光时间短）发光时间短）发光时间短10109 910101111秒，取决于粒子穿越辐射体的时间。秒，取决于粒子穿越辐射体的时间。秒，取决于粒子穿越辐射体的时间。秒，取决于粒子穿越辐射体的时间。9 96-2 切伦科夫探测器的组成切伦科夫探测器的组成一、辐射体一、辐射体n n 可以是气体、液体和固体，应根据不同的用途选择不同可以是气体、液体和固体，应根据不同的用途选择不同可以是气体、液体和固体，应根据不同的用途选择不同可以是气体、液体和固体，应根据不同的用途选择不同的辐射体。对不同速度的粒子，必须选择适当折射率的辐的辐射体。对不同速度的粒子，必须选择适当折射率的辐的辐射体。对不同速度的粒子，必须选择适当折射率的辐的辐射体。对不同速度的粒子，必须选择适当折射率的辐射体。射体。射体。射体。n n 对于气体辐射体，折射率可通过调节气压来改变对于气体辐射体，折射率可通过调节气压来改变对于气体辐射体，折射率可通过调节气压来改变对于气体辐射体，折射率可通过调节气压来改变 (n-1)=(n0-1)p(n-1)=(n0-1)pn n 辐射体对切伦科夫辐射的透明度好且能与光探测器的光辐射体对切伦科夫辐射的透明度好且能与光探测器的光辐射体对切伦科夫辐射的透明度好且能与光探测器的光辐射体对切伦科夫辐射的透明度好且能与光探测器的光谱响应相匹配；电离能损小、荧光发射很小。谱响应相匹配；电离能损小、荧光发射很小。谱响应相匹配；电离能损小、荧光发射很小。谱响应相匹配；电离能损小、荧光发射很小。n n 要求色散小，以提高速度分辨率。要求色散小，以提高速度分辨率。要求色散小，以提高速度分辨率。要求色散小，以提高速度分辨率。色散色散色散色散 n n将使将使将使将使 展宽展宽展宽展宽1010二、二、Cherebkov辐射的传播和收集辐射的传播和收集n n在辐射体内：在辐射体内：在辐射体内：在辐射体内：一部分被吸收一部分被吸收一部分被吸收一部分被吸收 CherenkovCherenkov辐射非常微弱，要求辐射体透明度好，以减少辐射非常微弱，要求辐射体透明度好，以减少辐射非常微弱，要求辐射体透明度好，以减少辐射非常微弱，要求辐射体透明度好，以减少吸收，并采用透紫石英窗或增强透过率的其他措施。吸收，并采用透紫石英窗或增强透过率的其他措施。吸收，并采用透紫石英窗或增强透过率的其他措施。吸收，并采用透紫石英窗或增强透过率的其他措施。n n在辐射体界面上：在辐射体界面上：在辐射体界面上：在辐射体界面上：折射、全反射、镜反射或漫反射。折射、全反射、镜反射或漫反射。折射、全反射、镜反射或漫反射。折射、全反射、镜反射或漫反射。1 1）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。射体界面上多次反射，然后进入光子探测器。射体界面上多次反射，然后进入光子探测器。射体界面上多次反射，然后进入光子探测器。2 2）利用）利用）利用）利用CherenkovCherenkov辐射的方向性，采用各种反射镜收集，球面辐射的方向性，采用各种反射镜收集，球面辐射的方向性，采用各种反射镜收集，球面辐射的方向性，采用各种反射镜收集，球面镜光学像差最小，采用最多。镜光学像差最小，采用最多。镜光学像差最小，采用最多。镜光学像差最小，采用最多。球面镜起聚焦作用。球面镜起聚焦作用。球面镜起聚焦作用。球面镜起聚焦作用。反射镜面一般是镀铝的。因为反射镜面一般是镀铝的。因为反射镜面一般是镀铝的。因为反射镜面一般是镀铝的。因为铝对紫外光有很高的反射率。铝对紫外光有很高的反射率。铝对紫外光有很高的反射率。铝对紫外光有很高的反射率。再覆盖适当厚度的再覆盖适当厚度的再覆盖适当厚度的再覆盖适当厚度的MgF2MgF2保护保护保护保护层以增强镜面的反射率。层以增强镜面的反射率。层以增强镜面的反射率。层以增强镜面的反射率。1111n n利用利用利用利用CherenkovCherenkov全反射选择一定速度的全反射选择一定速度的全反射选择一定速度的全反射选择一定速度的粒子。全反射条件：粒子。全反射条件：粒子。全反射条件：粒子。全反射条件：n n发生全反射和不发生全反射时，透过介质发生全反射和不发生全反射时，透过介质发生全反射和不发生全反射时，透过介质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，在侧面记录多次的辐射强度有很大变化，在侧面记录多次的辐射强度有很大变化，在侧面记录多次的辐射强度有很大变化，在侧面记录多次全反射，即记录全反射，即记录全反射，即记录全反射，即记录 0 0的粒子。的粒子。的粒子。的粒子。n n已知已知已知已知 ，对折射率，对折射率，对折射率，对折射率n n而言，发生全反射的条而言，发生全反射的条而言，发生全反射的条而言，发生全反射的条件：件：件：件：1212三、光探测器三、光探测器要求对紫外光透过率好的高灵敏度低噪音的光探测器。要求对紫外光透过率好的高灵敏度低噪音的光探测器。要求对紫外光透过率好的高灵敏度低噪音的光探测器。要求对紫外光透过率好的高灵敏度低噪音的光探测器。n n光电倍增管：光电倍增管：光电倍增管：光电倍增管：1.1.透紫外高灵敏低噪声的透紫外高灵敏低噪声的透紫外高灵敏低噪声的透紫外高灵敏低噪声的PMTPMT；2.2.微通道板微通道板微通道板微通道板(MCP)(MCP)型型型型PMTPMT；3.3.多阳极多阳极多阳极多阳极PMTPMT，对磁场不灵敏。，对磁场不灵敏。，对磁场不灵敏。，对磁场不灵敏。n n固体光子探测器固体光子探测器固体光子探测器固体光子探测器1.1.CCDCCD（Charge-Coupled DeviceCharge-Coupled Device）电荷耦合器件）电荷耦合器件）电荷耦合器件）电荷耦合器件2.2.PDPD（Photoelectron DiodePhotoelectron Diode）光电二极管）光电二极管）光电二极管）光电二极管3.3.APDAPD（Avalanche Photoelectron DiodeAvalanche Photoelectron Diode）雪崩光电）雪崩光电）雪崩光电）雪崩光电二极管二极管二极管二极管 4.4.VLPCVLPC（Visible Light Photo CounterVisible Light Photo Counter）可见光计数器）可见光计数器）可见光计数器）可见光计数器 1313n n光敏气体探测器光敏气体探测器 光电转换和电荷倍增在气体中进行。光电转换和电荷倍增在气体中进行。光电转换和电荷倍增在气体中进行。光电转换和电荷倍增在气体中进行。光电转换层是低电离电位、高量子效率的负电性蒸气。常用的有：光电转换层是低电离电位、高量子效率的负电性蒸气。常用的有：光电转换层是低电离电位、高量子效率的负电性蒸气。常用的有：光电转换层是低电离电位、高量子效率的负电性蒸气。常用的有：TEA,I=7.5eVTEA,I=7.5eV TMAE,I=5.4eV TMAE,I=5.4eV 位置灵敏探测器：位置灵敏探测器：位置灵敏探测器：位置灵敏探测器：多丝室（多丝室（多丝室（多丝室（MWPCMWPC）、多步雪崩室（）、多步雪崩室（）、多步雪崩室（）、多步雪崩室（MSACMSAC）、）、）、）、微条气体室（微条气体室（微条气体室（微条气体室（MSGCMSGC）、微间隙室（）、微间隙室（）、微间隙室（）、微间隙室（MGCMGC）等，）等，）等，）等，给出光电子二维或三维座标。给出光电子二维或三维座标。给出光电子二维或三维座标。给出光电子二维或三维座标。位置灵敏探测器1414n n混合光探测器混合光探测器混合光探测器混合光探测器HPDHPD 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。真空器件中进行也可以在气体探测器中进行。真空器件中进行也可以在气体探测器中进行。真空器件中进行也可以在气体探测器中进行。CsICsI光电转换体，入射光子光电转换体，入射光子光电转换体，入射光子光电转换体，入射光子光电子。光电子。光电子。光电子。气体预放大区，光电子倍增，气体预放大区，光电子倍增，气体预放大区，光电子倍增，气体预放大区，光电子倍增，保证其良好的位置和时间特性。保证其良好的位置和时间特性。保证其良好的位置和时间特性。保证其良好的位置和时间特性。二次放大，富二次放大，富二次放大，富二次放大，富HeHe混合气体，低气压或混合气体，低气压或混合气体，低气压或混合气体，低气压或1 1个大气压。个大气压。个大气压。个大气压。MWPCMWPC记录。记录。记录。记录。M10M107 7,允许计数率允许计数率允许计数率允许计数率10106 6Hz/mmHz/mm2 2。1515探测速度大于阈速度的粒子探测速度大于阈速度的粒子探测速度大于阈速度的粒子探测速度大于阈速度的粒子辐射体辐射体辐射体辐射体折射率折射率折射率折射率阈动能阈动能阈动能阈动能电子电子电子电子(MeV)(MeV)介子介子介子介子(GeV)(GeV)质子质子质子质子(GeV)(GeV)氦氦氦氦氩氩氩氩空气空气空气空气氮氮氮氮甲烷甲烷甲烷甲烷二氧化碳二氧化碳二氧化碳二氧化碳氟利昂氟利昂氟利昂氟利昂水水水水有机玻璃有机玻璃有机玻璃有机玻璃铅玻璃铅玻璃铅玻璃铅玻璃1.0000351.0000351.0002841.0002841.0002931.0002931.0002971.0002971.0004411.0004411.0004501.0004501.0008641.0008641.3331.3331.501.501.761.7661612121212120201717161612120.20.20.1750.1750.110.1117175.75.75.65.65.65.64.64.64.54.53.23.20.07260.07260.04750.04750.03070.030711211238.538.5383838383131303022220.4880.4880.3220.3220.2060.2066-3 阈式阈式Cherenkov探测器探测器1616n n常用于从动量相同的混合粒子束中选出某一种粒子。常用于从动量相同的混合粒子束中选出某一种粒子。常用于从动量相同的混合粒子束中选出某一种粒子。常用于从动量相同的混合粒子束中选出某一种粒子。例：从例：从例：从例：从 和电子混合束中选出电子或和电子混合束中选出电子或和电子混合束中选出电子或和电子混合束中选出电子或 。实验安排：实验安排：实验安排：实验安排：所用所用所用所用CherenkovCherenkov探测器的探测器的探测器的探测器的 阈速度仅对电子灵敏。阈速度仅对电子灵敏。阈速度仅对电子灵敏。阈速度仅对电子灵敏。性能较其他类型的性能较其他类型的性能较其他类型的性能较其他类型的CherenkovCherenkov计数器差，计数器差，计数器差，计数器差，但最简单。但最简单。但最简单。但最简单。日本日本日本日本KEK BKEK B工厂采用抗水性气凝硅胶辐射体工厂采用抗水性气凝硅胶辐射体工厂采用抗水性气凝硅胶辐射体工厂采用抗水性气凝硅胶辐射体阈式阈式阈式阈式CherenkovCherenkov计数器鉴别粒子。计数器鉴别粒子。计数器鉴别粒子。计数器鉴别粒子。在在在在n n =1=1的两条曲线以上的区域，的两条曲线以上的区域，的两条曲线以上的区域，的两条曲线以上的区域，或或或或KK可发可发可发可发射射射射CherenkovCherenkov光，在两条曲线之间的区域只有光，在两条曲线之间的区域只有光，在两条曲线之间的区域只有光，在两条曲线之间的区域只有 发射发射发射发射C C光，而光，而光，而光，而KK不发射。不发射。不发射。不发射。显然显然显然显然n n越小，可分辨越小，可分辨越小，可分辨越小，可分辨 /K/K的动量越高。的动量越高。的动量越高。的动量越高。1717阈式阈式Cherenkov探测器的主要性能探测器的主要性能n n探测效率：探测效率：探测效率：探测效率：由由由由CherenkovCherenkov辐射光子数、光的收集效率和传输效辐射光子数、光的收集效率和传输效辐射光子数、光的收集效率和传输效辐射光子数、光的收集效率和传输效率以及光探测器的探测效率决定。若很好地调节率以及光探测器的探测效率决定。若很好地调节率以及光探测器的探测效率决定。若很好地调节率以及光探测器的探测效率决定。若很好地调节PMTPMT，使其能探，使其能探，使其能探，使其能探测单个光电子（探测效率测单个光电子（探测效率测单个光电子（探测效率测单个光电子（探测效率100100），则），则），则），则C C探测器的探测效率由探测器的探测效率由探测器的探测效率由探测器的探测效率由C C辐射在辐射在辐射在辐射在PMTPMT光阴极上产生的光电子数决定。光阴极上产生的光电子数决定。光阴极上产生的光电子数决定。光阴极上产生的光电子数决定。要提高探测效率：要提高探测效率：要提高探测效率：要提高探测效率：1 1）通过光学系统的光收集效率；）通过光学系统的光收集效率；）通过光学系统的光收集效率；）通过光学系统的光收集效率；2 2）选用光阴极转换效率高的）选用光阴极转换效率高的）选用光阴极转换效率高的）选用光阴极转换效率高的PMTPMT；3 3）选用）选用）选用）选用n n大的辐射体（但分辨动量低）；大的辐射体（但分辨动量低）；大的辐射体（但分辨动量低）；大的辐射体（但分辨动量低）；4 4）加大辐射体长度）加大辐射体长度）加大辐射体长度）加大辐射体长度L L；5 5）气体阈式）气体阈式）气体阈式）气体阈式C C计数器可加大气压以增加计数器可加大气压以增加计数器可加大气压以增加计数器可加大气压以增加n n。1818n n速度分辨：速度分辨：速度分辨：速度分辨：要有效地区分粒子，要求阈式要有效地区分粒子，要求阈式要有效地区分粒子，要求阈式要有效地区分粒子，要求阈式C C计数计数计数计数器对于器对于器对于器对于 T T的粒子有尽可能高的探的粒子有尽可能高的探的粒子有尽可能高的探的粒子有尽可能高的探测效率（测效率（测效率（测效率（100%100%）。）。）。）。效率曲线有一定的斜度，说明计数器效率曲线有一定的斜度，说明计数器效率曲线有一定的斜度，说明计数器效率曲线有一定的斜度，说明计数器的的的的阈速度不是绝对单值的，存在着一阈速度不是绝对单值的，存在着一阈速度不是绝对单值的，存在着一阈速度不是绝对单值的，存在着一定大小的速度分辨范围。定大小的速度分辨范围。定大小的速度分辨范围。定大小的速度分辨范围。阈式阈式阈式阈式C C计数器的速度分辨率定义为探计数器的速度分辨率定义为探计数器的速度分辨率定义为探计数器的速度分辨率定义为探测效率曲线由测效率曲线由测效率曲线由测效率曲线由0 06363变化时对应的变化时对应的变化时对应的变化时对应的速度的变化速度的变化速度的变化速度的变化 如图，探测效率由如图，探测效率由如图，探测效率由如图，探测效率由0 06363变化，变化，变化，变化，对应气压变化对应气压变化对应气压变化对应气压变化0.2atm0.2atm，对对对对HeHe气气气气 (n(n0 0-1)=32.9-1)=32.9 1010-6-6用固体和液体做辐射体，因用固体和液体做辐射体，因用固体和液体做辐射体，因用固体和液体做辐射体，因n n大，阈动能很低。大，阈动能很低。大，阈动能很低。大，阈动能很低。对对对对 50.001或或c=30mrad，从右图可知，阈，从右图可知，阈式契伦克夫辐射计数器可分辨式契伦克夫辐射计数器可分辨 K的最大动量是的最大动量是16GeV/c。21216-4、微分式切伦科夫计数器、微分式切伦科夫计数器n n围绕粒子运动方向的切伦科夫辐射是圆环，利用光阑选围绕粒子运动方向的切伦科夫辐射是圆环，利用光阑选围绕粒子运动方向的切伦科夫辐射是圆环，利用光阑选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。改取某一定角度的切伦科夫辐射可确定入射粒子速度。改取某一定角度的切伦科夫辐射可确定入射粒子速度。改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变光阑的半径可在一定范围内对入射粒子的速度进行扫变光阑的半径可在一定范围内对入射粒子的速度进行扫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。描。这就是微分式切伦科夫计数器的基本原理。描。这就是微分式切伦科夫计数器的基本原理。描。这就是微分式切伦科夫计数器的基本原理。n n微分式切伦科夫计数器的微分式切伦科夫计数器的微分式切伦科夫计数器的微分式切伦科夫计数器的KK分辨的动量上限较高，约分辨的动量上限较高，约分辨的动量上限较高，约分辨的动量上限较高，约为阈式契伦克夫辐射计数器的为阈式契伦克夫辐射计数器的为阈式契伦克夫辐射计数器的为阈式契伦克夫辐射计数器的1010倍倍倍倍n n具有色散校正的微分气体契伦克夫计数器（具有色散校正的微分气体契伦克夫计数器（具有色散校正的微分气体契伦克夫计数器（具有色散校正的微分气体契伦克夫计数器（DISCDISC）更）更）更）更高，为阈式契伦克夫辐射计数器的高，为阈式契伦克夫辐射计数器的高，为阈式契伦克夫辐射计数器的高，为阈式契伦克夫辐射计数器的30-4030-40倍。对速度倍。对速度倍。对速度倍。对速度的分辨达到：的分辨达到：的分辨达到：的分辨达到：/=10/=10-7-7;n n分为固体或液体辐射体的微分式切伦科夫计数器和气体分为固体或液体辐射体的微分式切伦科夫计数器和气体分为固体或液体辐射体的微分式切伦科夫计数器和气体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。辐射体的微分式切伦科夫计数器两大类。辐射体的微分式切伦科夫计数器两大类。辐射体的微分式切伦科夫计数器两大类。一般固体鉴别低能，气体鉴别高能一般固体鉴别低能，气体鉴别高能一般固体鉴别低能，气体鉴别高能一般固体鉴别低能，气体鉴别高能2222n n在固体或液体辐射体的微分式切伦在固体或液体辐射体的微分式切伦在固体或液体辐射体的微分式切伦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科夫计数器中用一个可变焦距的光科夫计数器中用一个可变焦距的光科夫计数器中用一个可变焦距的光学系统使学系统使学系统使学系统使C C辐射聚焦到位于焦平面辐射聚焦到位于焦平面辐射聚焦到位于焦平面辐射聚焦到位于焦平面的环形光阑上进行测量。由于接受的环形光阑上进行测量。由于接受的环形光阑上进行测量。由于接受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角很小，多次库仑散射和电离损失角很小，多次库仑散射和电离损失角很小，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都很小，辐射体的色散成为影响速都很小，辐射体的色散成为影响速都很小，辐射体的色散成为影响速度分辨率的主要因素，采用消色散度分辨率的主要因素，采用消色散度分辨率的主要因素，采用消色散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。的光学系统对色散进行补偿。的光学系统对色散进行补偿。的光学系统对色散进行补偿。n n切伦科夫辐射体可更换。切伦科夫辐射体可更换。切伦科夫辐射体可更换。切伦科夫辐射体可更换。n n环状棱镜不仅使切伦科夫光产生折环状棱镜不仅使切伦科夫光产生折环状棱镜不仅使切伦科夫光产生折环状棱镜不仅使切伦科夫光产生折射，而且补偿了光在辐射体中的色射，而且补偿了光在辐射体中的色射，而且补偿了光在辐射体中的色射，而且补偿了光在辐射体中的色散效应。散效应。散效应。散效应。n n调节光阑的狭缝可改变速度分辨率调节光阑的狭缝可改变速度分辨率调节光阑的狭缝可改变速度分辨率调节光阑的狭缝可改变速度分辨率 狭缝狭缝狭缝狭缝0.2mm,0.2mm,RR1mrad,1mrad,5x105x10-4-4n n选择选择选择选择n n和色散和色散和色散和色散 n/n/尽可能小的辐尽可能小的辐尽可能小的辐尽可能小的辐射体射体射体射体2323n n对高能粒子需微分式气体切伦科夫计数器对高能粒子需微分式气体切伦科夫计数器对高能粒子需微分式气体切伦科夫计数器对高能粒子需微分式气体切伦科夫计数器 色散对速度分辨的影响为色散对速度分辨的影响为色散对速度分辨的影响为色散对速度分辨的影响为 /=tgtg 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，用若干个焦到可调的圆环光阑上，用若干个焦到可调的圆环光阑上，用若干个焦到可调的圆环光阑上，用若干个PMTPMT对通过光阑狭缝的光进对通过光阑狭缝的光进对通过光阑狭缝的光进对通过光阑狭缝的光进行符合测量。选用色散最小的行符合测量。选用色散最小的行符合测量。选用色散最小的行符合测量。选用色散最小的HeHe气作辐射体。气作辐射体。气作辐射体。气作辐射体。改变气压可扫描。改变气压可扫描。改变气压可扫描。改变气压可扫描。24246-5、环形成像切伦科夫计数器、环形成像切伦科夫计数器(RICH)R Ringing I Imagingmaging CH CHerenkoverenkov CounterCountern n微分式契伦克夫计数器只能用于和探测器轴向平微分式契伦克夫计数器只能用于和探测器轴向平微分式契伦克夫计数器只能用于和探测器轴向平微分式契伦克夫计数器只能用于和探测器轴向平行入射的粒子。从相互作用点发散开来的粒子则行入射的粒子。从相互作用点发散开来的粒子则行入射的粒子。从相互作用点发散开来的粒子则行入射的粒子。从相互作用点发散开来的粒子则需要不同的方法。需要不同的方法。需要不同的方法。需要不同的方法。n n探测器由中心位于相互作用点，半径为探测器由中心位于相互作用点，半径为探测器由中心位于相互作用点，半径为探测器由中心位于相互作用点，半径为RmRm的球的球的球的球面镜和一个与球面镜同心，半径为面镜和一个与球面镜同心，半径为面镜和一个与球面镜同心，半径为面镜和一个与球面镜同心，半径为RdRd的光探测的光探测的光探测的光探测器组成，器组成，器组成，器组成，RdRdRm/2Rm/2。由靶区发射的带电粒子。由靶区发射的带电粒子。由靶区发射的带电粒子。由靶区发射的带电粒子经过辐射体产生切伦科夫光锥，再经过球面镜聚经过辐射体产生切伦科夫光锥，再经过球面镜聚经过辐射体产生切伦科夫光锥，再经过球面镜聚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半径为焦在光探测器上形成半径为焦在光探测器上形成半径为焦在光探测器上形成半径为r r的环形像。的环形像。的环形像。的环形像。2525n n若探测器平均有若探测器平均有若探测器平均有若探测器平均有NN个光电子个光电子个光电子个光电子 RICH RICH 阈式阈式阈式阈式C C 二者的比例为二者的比例为二者的比例为二者的比例为 2 2 /tgtg ，可达，可达，可达，可达 1/2501/250n nRICHRICH技术是唯一从低动量到高动量技术是唯一从低动量到高动量技术是唯一从低动量到高动量技术是唯一从低动量到高动量(200-300GeV/c)(200-300GeV/c)（采用固体（采用固体（采用固体（采用固体/液体、气体辐射体）范围内均能采用的鉴别粒子的方法，使用长辐液体、气体辐射体）范围内均能采用的鉴别粒子的方法，使用长辐液体、气体辐射体）范围内均能采用的鉴别粒子的方法，使用长辐液体、气体辐射体）范围内均能采用的鉴别粒子的方法，使用长辐射体射体射体射体RICHRICH可测的动量范围甚至可延伸至可测的动量范围甚至可延伸至可测的动量范围甚至可延伸至可测的动量范围甚至可延伸至700 GeV/c700 GeV/c。速度分辨与粒子鉴别速度分辨与粒子鉴别光探测器光探测器RICH的最关键问题是高效率地探测的最关键问题是高效率地探测C光子，即不仅要探测到光子的光子，即不仅要探测到光子的存在，还要确定它们的位置，这就需要采用位置灵敏探测器存在，还要确定它们的位置，这就需要采用位置灵敏探测器2626n n第一代：第一代：第一代：第一代：8-168-16光电子光电子光电子光电子/环，环，环，环，高气体增益、短积分常数、漂移时间测量高气体增益、短积分常数、漂移时间测量高气体增益、短积分常数、漂移时间测量高气体增益、短积分常数、漂移时间测量 -RICH-RICH、DELPH-RICHDELPH-RICHn n第二代：第二代：第二代：第二代：18-2418-24光电子光电子光电子光电子/环，环，环，环，低气体增益，长积分常数、感应片读出低气体增益，长积分常数、感应片读出低气体增益，长积分常数、感应片读出低气体增益，长积分常数、感应片读出 CLEO-RICHCLEO-RICHn n第三代：第三代：第三代：第三代：30-6030-60光电子光电子光电子光电子/环，环，环，环，对可见光灵敏的双碱阴极的真空对可见光灵敏的双碱阴极的真空对可见光灵敏的双碱阴极的真空对可见光灵敏的双碱阴极的真空PMTPMT或或或或HPD LHC-bHPD LHC-b的的的的RICHRICH聚焦与非聚焦聚焦与非聚焦RICH计数器计数器RICH的应用的应用 大环由液体辐射体大环由液体辐射体产生（非聚焦）产生（非聚焦）小环是气体辐射体小环是气体辐射体的贡献（聚焦）的贡献（聚焦）中心斑点反映束流中心斑点反映束流入射位置入射位置27276-6、其他新型切伦科夫计数器、其他新型切伦科夫计数器n n探测辐射体中产生的全内反射的而不探测辐射体中产生的全内反射的而不探测辐射体中产生的全内反射的而不探测辐射体中产生的全内反射的而不是透射的切伦科夫光。是透射的切伦科夫光。是透射的切伦科夫光。是透射的切伦科夫光。n n辐射体兼有切伦科夫辐射体和光导的辐射体兼有切伦科夫辐射体和光导的辐射体兼有切伦科夫辐射体和光导的辐射体兼有切伦科夫辐射体和光导的双重作用。高速带电粒子以双重作用。高速带电粒子以双重作用。高速带电粒子以双重作用。高速带电粒子以 角入射，角入射，角入射，角入射，其切伦科夫角满足其切伦科夫角满足其切伦科夫角满足其切伦科夫角满足 切伦科夫光在辐射体界面的入射角切伦科夫光在辐射体界面的入射角切伦科夫光在辐射体界面的入射角切伦科夫光在辐射体界面的入射角 的的的的C C光将在辐射体内发生全反射，向光将在辐射体内发生全反射，向光将在辐射体内发生全反射，向光将在辐射体内发生全反射，向辐射体端部传送，最后进入辐射体端部传送，最后进入辐射体端部传送，最后进入辐射体端部传送，最后进入n n2 2介质，介质，介质，介质，在光探测器平面上成像。在光探测器平面上成像。在光探测器平面上成像。在光探测器平面上成像。n n所成的像与切伦科夫角有关，由此可所成的像与切伦科夫角有关，由此可所成的像与切伦科夫角有关，由此可所成的像与切伦科夫角有关，由此可以鉴别粒子。以鉴别粒子。以鉴别粒子。以鉴别粒子。1 1）探测全反射的切伦科夫计数器）探测全反射的切伦科夫计数器）探测全反射的切伦科夫计数器）探测全反射的切伦科夫计数器（DIRCDIRC）Detection of Internally Reflected Cherenkov lightDetection of Internally Reflected Cherenkov light2828PEPII上的DIRC 在矩形截面的石英棒内，被在矩形截面的石英棒内，被带电粒子所产生的契伦克夫带电粒子所产生的契伦克夫光通过内反射到达端部，这光通过内反射到达端部，这些光从石英棒中出来后被聚些光从石英棒中出来后被聚焦在一个大型焦在一个大型PMT陈列上。陈列上。该系统的优点是空间小，该系统的优点是空间小，物质层少，结构简单，只要物质层少，结构简单，只要把辐射体的材料插入到粒子把辐射体的材料插入到粒子通过的途经上就行了。通过的途经上就行了。石英棒的尺寸是石英棒的尺寸是24500cm3，产生的光，产生的光到达到达15000只光电倍增管陈只光电倍增管陈列上，可以区分列上，可以区分3GeV/c的的,k介子。介子。29292 2）切伦科夫相关定时计