5、探测器与束流仪器相关物理现象解析

探测器与束流仪器相关物理现象解析

在高能物理实验中，探测器和束流仪器的设计与应用依赖于对多种物理现象的深入理解。本文将详细介绍多重散射、电离与能量损失、过渡辐射以及康普顿散射等重要物理过程。

1. 多重散射

多重散射是指带电粒子在穿过物质时发生多次散射的现象。其均方散射角 $\langle\theta_{ms}^2\rangle$ 可由以下公式计算：
$\langle\theta_{ms}^2\rangle = [\frac{\varepsilon_s}{p\beta c}\int\frac{dz}{X_0}] = \frac{\Delta p_{\perp}(ms)}{p}$
其中，$\varepsilon_s = \sqrt{\frac{4\pi}{\alpha}(m_ec^2)} \sim 21$ MeV，$\Delta p_{\perp}(ms) = \frac{\varepsilon_s}{\beta c}\int\frac{dz}{X_0}$。

以铜为例，其辐射长度 $X_0 = 1.435$ cm。对于一个 10 cm 长的铜块，一个 100 GeV 的质子平均会受到 55.4 MeV 的横向动量冲量，均方根散射角为 0.55 mrad。多重散射对于低动量粒子更为重要，在低动量情况下，它可能主导带电粒子位置测量的误差。

2. 电离与能量损失

电离是指入射带电粒子与被穿越物质中的电子相互作用的过程。在这个过程中，原子核的影响可以忽略，因为能量转移与靶物质的质量成反比。电子从原子束缚中逃逸出来，形成的电子电流是许多探测器和仪器的基础。

能量损失与穿越物质的关系可以通过以下公式描述：