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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CCD191

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 ALEPH551

14.4.2 DELPHI552

14.4.3 L3554

14.4.4 OPAL555

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