7、探测器与束流仪器相关原理及应用

探测器与束流仪器相关原理及应用

1. 光子簇射与电磁量能器

光子簇射是粒子物理实验中的一个重要现象。光子会产生具有极小角度的电子/正电子对，其特征与产生机制相关，约为 ( \sim m_ec^2 / \varepsilon_0 ) 。随后的相互作用会使簇射横向扩展，最终几乎呈各向同性。在许多应用中，高速操作是一个优先考虑的因素。近年来，基于硅探测器的高粒度电磁量能器已被应用于实验中，它兼具速度和空间粒度的优势。

2. 漂移与扩散

2.1 测量目标与信号转换

仪器的总体目标是测量每个束流粒子的位置、动量和质量（能量）。这可能需要一组探测器进行不同的测量。带电或中性粒子会使探测器材料电离，如何将这种电离转化为可检测的信号以确定粒子的位置是关键问题。动量可以通过在磁场中对带电粒子轨迹的多次测量来确定，质量则可以通过使用差分切伦科夫计数器（至少在低动量情况下）来确定。

2.2 电离电荷的检测与信号形成

在气体中，假设存在均匀电场 ( E ) ，它对电荷施加的力为 ( F = q_eE ) 。以 ( N_2 ) 为例，在标准温度和压力（STP）下，其典型热速度 ( v_T ) 约为 1 km/s，而电子的速度更快，在 STP 下约为 120 km/s 。热碰撞会产生一个与速度相关的有效阻力 ( F = Kv ) ，当加速度为零时的速度称为漂移速度 ( v_d = (eE) / K ) 。相关公式如下：
- 平均热碰撞时间：( \tau = \Lambda / \langle v_T \rangle )
- 平均自由程：( \Lambda = A / (N_A \rho \sigma) )