粒子探測技術

前言

探索物質的基本構成及粒子間的相互作用一直是物理學研究的前沿。物理學家利用離子或粒子加速器來產生一定能量的粒子束，并使粒子束和靶粒子碰撞，用各種粒子探測器測量碰撞的反應產物。各種反應產物可以是帶電粒子，不帶電的中性粒子以及電磁輻射的場量子。如何精確地探測這些粒子的產額和分布是粒子物理和核物理研究的重要課題之一。探測技術和方法的研究和發(fā)展，導致了物理學中許多的重大發(fā)現。它不僅在粒子物理和核物理，而且在醫(yī)學物理、天文物理、考古和地質勘探等學科有廣泛的應用?！读Ｗ犹綔y技術》是中國科學技術大學理學院物理類本科生專業(yè)基礎選修課及核與粒子物理學科研究生學位課程的教材。本書主要介紹微觀粒子和輻射與物質相互作用的物理機制，粒子和輻射的探測原理，主要類型粒子探測器的工作原理、構造、性能和應用。附錄中有輻射和輻射防護的基本知識和常用放射性核素的特性。隨著電子技術的發(fā)展，在實際應用中大量使用的是電子記錄的探測儀器。早期基于照相和顯微掃描技術一些徑跡探測器，如云霧室、氣泡室，盡管它們在粒子物理發(fā)展中的一些重大發(fā)現起了關鍵作用，但現在已很少應用。進入21世紀，為了適應原子核物理和粒子物理的實驗規(guī)模和測量精度的要求，粒子和輻射探測在技術和方法上出現了很多新的研究成果。本書作者在中國科學技術大學長期講授“粒子探測技術”和“粒子物理實驗方法”課程，并長期從事在原子核和粒子物理實驗研究及粒子和輻射探測器的研制和應用研究。

內容概要

　　《粒子探測技術》是物理類本科生專業(yè)基礎選修課及核與粒子物理學科研究生學位課程的教材，主要介紹微觀粒子和輻射與物質相互作用的物理機制，粒子和輻射的探測原理，主要類型粒子探測器的工作原理、構造、性能和應用，并在附錄中介紹了輻射和輻射防護的基本知識及常用放射性核素的特性。

書籍目錄

總序前言第1章 粒子簡介1.1 構成世界的基本粒子1.2 粒子的分類1.3 粒子的壽命1.4 重離子參考文獻習題第2章 粒子探測的物理基礎2.1 帶電粒子和物質的相互作用2.1.1 電離和激發(fā)能量損失2.1.2 多次散射2.1.3 輻射能量損失2.1.4 切倫科夫輻射2.1.5 穿越輻射2.1.6 電磁相互作用引起的能量損失2.2 光子和物質的相互作用2.2.1 光電效應2.2.2 康普頓效應2.2.3 對產生2.2.4 光子總截面2.2.5 電磁簇射2.3 強子和物質的強相互作用2.3.1 強相互作用簡介2.3.2 中子與物質的相互作用參考文獻習題第3章 粒子探測中的統(tǒng)計規(guī)律3.1 誤差基本概念3.1.1 誤差介紹3.1.2 有效數字3.1.3 粒子探測中的統(tǒng)計誤差3.1.4 算術平均值和真實值3.2 統(tǒng)計分布3.2.1 二項式分布3.2.2 泊松分布3.2.3 高斯分布3.3 統(tǒng)計誤差3.3.1 標準誤差3.3.2 標準誤差的物理意義3.3.3 計數的統(tǒng)計誤差3.3.4 誤差演算公式3.3.5 非等精度測量3.4 測量數據的審查3.5 計數時間或源強的選擇3.6 電離過程中的統(tǒng)計漲落和能量分辨率3.6.1 能量分辨率3.6.2 法諾因子修正參考文獻習題第4章 氣體探測器4.1 氣體探測器的測量原理4.1.1 帶電粒子在氣體中的能量損失和統(tǒng)計規(guī)律4.1.2 產生電子一離子對的能量4.1.3 電子和離子在氣體中的運動4.1.4 電荷收集過程和工作模式4.2 三種基本的氣體探測器4.2.1 電離室4.2.2 正比計數器4.2.3 G-M計數器4.3 氣體多絲室4.3.1 多絲正比室4.3.2 多絲漂移室4.3.3 時間投影室4.4 平行板電極型氣體探測器4.4.1 火花室和平行板室4.4.2 電阻板室和多氣隙電阻板4.5 微電極型氣體探測器4.5.1 微電極氣體探測器的工作原理和特性4.5.2 微電極氣體探測器的性能參數4.5.3 微電極型氣體探測器的應用4.5.4 氣體探測器的工作壽命參考文獻習題第5章 半導體探測器5.1 半導體探測器的工作原理5.1.1 半導體的基本知識5.1.2 PN結5.1.3 半導體探測器的工作原理5.2 半導體探測器的種類5.2.1 PN結型半導體探測器5.2.2 鋰漂移型半導體探測器5.2.3 高純鍺半導體探測器5.2.4 全耗盡型半導體探測器5.2.5 化合物半導體探測器5.2.6 特殊類型的半導體探測器5.3 徑跡測量的半導體探測器5.3.1 硅微條探測器5.3.2 電荷耦合器件5.3.3 硅像素探測器5.3.4 硅漂移探測器5.4 半導體探測器的主要參數5.4.1 窗厚5.4.2 靈敏區(qū)厚度5.4.3 結電容5.4.4 正反向電流特性5.4.5 能量分辨率和線性5.4.6 位置分辨5.4.7 脈沖波形和上升時間5.4.8 輻照效應5.4.9 信號讀出與電荷靈敏放大器5.5 半導體探測器的應用5.5.1 在高能物理中的應用5.5.2 在空間物理和宇宙線實驗中的應用5.5.3 在核醫(yī)學中的應用參考文獻思考題習題第6章 閃爍探測器第7章 切倫科夫計數器與穿越輻射探測器第8章 粒子探測系統(tǒng)附錄

章節(jié)摘錄

插圖：第1章　粒子簡介科學家追求新發(fā)現、理解大自然的根本動力是好奇心，通過對自然的仔細思考和實驗而獲得進步。為了對實驗進行分析，必須首先記錄實驗結果。最簡單的裝置就是人類本身的感觀器官，但對于現代科學，這種“自然”的探測器要么靈敏度不夠，要么適用范圍不廣。以人眼為例，要產生視覺影像，需要至少20個光子，而一個光電倍增管可以容易地觀測單個光子；人眼觀察的光譜集中在可見光區(qū)（400～800 nm），即動態(tài)范圍只有兩倍，而自然界的電磁波頻率從市電、廣播到微波、紅外輻射、可見光、紫外光、x射線和y射線，足足跨越了23個量級!由此可見，解決自然界的問題，大都需要精確的測量儀器或探測器，才能夠在各種動態(tài)范圍獲得確實的結果。通過發(fā)展測量方法和探測器技術，人類強化和擴展了自身的感觀能力。在許多情況下，需要采用新的、特定的探測器，而且通常不止一種測量。時至今日，還沒有一種多功能探測器能夠同時測量所需的所有參數。為了深入研究微觀領域的科學規(guī)律，人們需要“放大”器。放大的程度，或者說可觀測到的微觀尺度，由探測方法相應的波長決定，例如若使用可見光去探測，精度約為0.5um。當今粒子物理研究采用的“放大”器是各種加速器及其上的探測器。由于微觀粒子的波長和動量成反比（德布羅意關系），因而動量越高的粒子能夠探測的結構越精細。目前，人類可分辨的空間尺度可達1011 cm，比光學顯微鏡高了十萬億（1013）倍。而在宇觀領域，為了研究宇宙的結構，需要探測、記錄的能量范圍從約100 ueV（宇宙微波本底輻射水平）直至1020 eV（高能宇宙射線）。

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《粒子探測技術》由中國科學技術大學出版社出版。

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