徑跡探測器課件

第八章徑跡探測器

中國科學技術大學近代物理系高能物理實驗室汪曉蓮2006年9月1中國科大汪曉蓮第八章徑跡探測器中國科學技術大學2006年9月1中§8.1核乳膠§8.2固體徑跡室§8.3氣泡室§8.4脈沖徑跡室第八章徑跡探測器

2006年9月2中國科大汪曉蓮§8.1核乳膠第八章徑跡探測器2006年9月2中電子學計數(shù)器通過記錄粒子產生的電信號，如計數(shù)、幅度、時間、空間位置、脈沖形狀等。必須與電子學線路和儀器配套使用的探測器。氣體探測器：電離室、正比計數(shù)器、G-M計數(shù)器半導體探測器：金硅面壘、Si(Li)、Ge(Li)、高純鍺等閃爍計數(shù)器：NaI(Tl)、CsI(Tl)、ZnS(Ag)、BGO、PWO、塑料閃爍體、液體閃爍體契侖柯夫計數(shù)器：閾式C計數(shù)器、微分式C計數(shù)器RICH等氣體絲室：

多絲正比室、漂移室等2006年9月3中國科大汪曉蓮電子學計數(shù)器通過記錄粒子產生的電信號，如計數(shù)、幅徑跡探測器

直接記錄粒子走過的徑跡來探測粒子或對徑跡拍照，再對照片進行分析處理的探測器。如：核乳膠、固體徑跡室、云室、氣泡室、火化室、流光室等等。－、±、0、＋、K0、反P、0、±、0、－、反0、反±等粒子的發(fā)現(xiàn)，有11次是利用核乳膠，8次利用了云室，5次利用了氣泡室，而只有2次是利用電子學計數(shù)器。2006年9月4中國科大汪曉蓮徑跡探測器直接記錄粒子走過的徑跡來探測粒子或§8.1核乳膠

一、工作原理和構成1.組成：核乳膠由銀鹽顆粒和膠質組成。

溴化銀AgBr大部分常用銀鹽碘化銀AgI少量銀鹽顆粒對帶電粒子靈敏，而對光幾乎不靈敏。膠質：骨膠和明膠2.工作原理：1）核乳膠記錄帶電粒子的首要條件：形成“潛影”帶電粒子與AgBr晶粒作用，使AgBr分子分解成Ag原子和Br原子，在一定條件下，Ag原子聚集成Ag集團，形成可顯影的核心“潛影”，經(jīng)化學顯影處理，潛影的晶粒還原成黑色的Ag顆粒，把帶電粒子的徑跡顯示出來。2006年9月5中國科大汪曉蓮§8.1核乳膠

一、工作原理和構成1.組成：核乳膠2）電離測量的依據(jù)

形成潛影的幾率與入射粒子的電離本領有關，電離本領大，形成潛影多，銀顆粒密度大。在電荷一定時，顆粒密度與粒子速度有關。測量徑跡的顆粒密度可知粒子速度。3）測量徑跡的射程和多次散射

射程

多次散射角根據(jù)徑跡的長短、彎曲和顆粒的稀密程度來鑒定和測量帶電粒子的電荷、質量及動量。

2006年9月6中國科大汪曉蓮2）電離測量的依據(jù)2006年9月6中國科大汪曉蓮二、核乳膠的特性乳膠中的AgBr濃度C：3.0-3.2g/cm3AgBr晶粒平均直徑d：0.1-0.4mAgBr晶粒對帶電粒子的靈敏度P：定義為帶電粒子通過一個晶粒時，在該晶粒中產生潛影的幾率。4.一根粒子徑跡上平均晶粒密度：

記錄電離本領小的粒子選用晶粒較大的乳膠記錄電離本領大的粒子選用晶粒較小的乳膠2006年9月7中國科大汪曉蓮二、核乳膠的特性乳膠中的AgBr濃度C：3.0-3.2g/c三、核乳膠的處理與普通乳膠相似，需要經(jīng)過顯影、定影、水洗、浸泡甘油、涼干、清潔等過程，只是顯影液、定影液的化學配方及所用時間長短有所不同。2006年9月8中國科大汪曉蓮三、核乳膠的處理與普通乳膠相似，需要經(jīng)過顯影、定影、水洗、浸四、核乳膠中徑跡的測量1、工具：雙目顯微鏡，M＝100－2000倍2、原理：由射程定粒子能量對其他粒子C為修正系數(shù)，對不同乳膠其值不同2006年9月9中國科大汪曉蓮四、核乳膠中徑跡的測量1、工具：雙目顯微鏡，M＝100－203、徑跡長度測量方法在顯微鏡下，只能測量徑跡在物鏡主焦面上的投影l(fā)和垂直分量h。h為什么會變短呢？因為核乳膠中AgBr含量很大，顯影定影處理時，大量被溶解掉了。測量處理前后的乳膠厚度，就可得到收縮因子2006年9月10中國科大汪曉蓮3、徑跡長度測量方法在顯微鏡下，只能測量徑跡在物鏡主焦面上的4、從電離鑒別粒子（一）實驗上最長用的方法：測銀顆粒密度，即單位長度徑跡上銀顆粒數(shù)目。粒子速度快，電離小，顆粒密度稀；粒子速度慢，電離大，顆粒三三兩兩擠成小團，形成“塊”；粒子速度更低，低能多電荷粒子，徑跡基本上是一條黑粗線，無法測量。2006年9月11中國科大汪曉蓮4、從電離鑒別粒子（一）實驗上最長用的方法：測銀顆粒密度，即4、從電離鑒別粒子（二）用待測粒子X的徑跡與已知粒子A的徑跡相比較尋找在同一乳膠片中徑跡顆粒密度相同的地方：如果兩種粒子電荷相同，則

在顆粒密度相同的地方，即速度相同處，測量剩余射程，得到射程比，再得到質量比，繼而得到未知粒子質量Mx。2006年9月12中國科大汪曉蓮4、從電離鑒別粒子（二）用待測粒子X的徑跡與已知粒子A的徑跡5、從多次散射鑒別粒子帶電粒子通過核乳膠時，發(fā)生多次散射。多次散射角的水平投影的絕對值平均：K：散射系數(shù)已知入射粒子種類，即已知電荷數(shù)z；已知核乳膠厚度t，就可確定入射粒子能量。反之，已知入射粒子能量和乳膠厚度，可確定帶電粒子的電荷。2006年9月13中國科大汪曉蓮5、從多次散射鑒別粒子帶電粒子通過核乳膠時，發(fā)生多次散射。多6、從電子密度確定入射粒子電荷在核乳膠的主徑跡上的許多小分岔，這就是電子的徑跡。理論計算有：能量在E1和

E2之間的電子密度為

z<30時，一般取E1＝10KeV，E2＝30KeV。實驗上選電子射程>1.5m。講義213頁圖8－6給出了n與R的標準曲線，測出粒子徑跡某處的電子密度n與R值，由曲線確定其電荷。2006年9月14中國科大汪曉蓮6、從電子密度確定入射粒子電荷在核乳膠的主徑跡上的許多小分§8.2固體徑跡室一、發(fā)展歷史：五十年代末D.A.Young發(fā)現(xiàn)某些固體材料被輻射后經(jīng)化學蝕刻處理后可形成用光學顯微鏡觀測的徑跡。E.C.H.Silk等用透射電子顯微鏡觀測到云母片中的核聚變碎片的徑跡。1962年P.B.Price等改進化學蝕刻方法獲得穩(wěn)定不變的徑跡。1963年R.L.Fleischer等提出玻璃和塑料等人工材料的蝕刻方法，免除天然材料的本底影響。1967年識別固體材料中的核徑跡的技術日趨成熟。1975年Fleischer等人對固體徑跡探測器作全面小結。1977年開始出版國際性專門學術刊物“NuclearTracks”。1965年國內開始研究，至1982年共有40多家單位參加，出了大量研究成果。2006年9月15中國科大汪曉蓮§8.2固體徑跡室一、發(fā)展歷史：2006年9月15中國科二、使用材料：一片透明的固體即各種絕緣材料。結晶固體：

云母、石英、AgCl、LiF等非結晶固體：各種玻璃聚合物：硝酸纖維、醋酸纖維、聚酯、聚碳酸脂等要求：材料結構均勻，無缺陷，表面無損傷。為便于光學顯微鏡觀測，通常制成透明的薄片。2006年9月16中國科大汪曉蓮二、使用材料：一片透明的固體即各種絕緣材料。2006年9月1常用固體徑跡室材料的性能材料蝕刻條件Z00云母石英普通玻璃磷酸鹽玻璃聚酯(Mylar)聚碳酸脂硝酸纖維醋酸纖維48％HF,230C,3~40分48％HF,230C,300分48％HF,230C,300分48％HF,230C,30分6NNaOH,700C,10分6NNaOH,700C,8分6NNaOH,230C,2~4小時6NNaOH,700C,12分1416161552123041’1602’37021’706’3029’2024’*Z0：可探測粒子的最小電荷數(shù)；

0：探測熱中子引起235U核裂片的平均臨界角。2006年9月17中國科大汪曉蓮常用固體徑跡室材料的性能材料蝕刻條件Z00云母48％HF,三、探測原理重帶電粒子穿過固體材料時，其電離作用很強，沿其穿過路徑造成原子尺度上的輻射損傷，造成位錯原子和空穴，或者使分子化學鍵被打斷，形成分子碎塊和自由基。經(jīng)適當處理，會形成可觀測的徑跡，這就是固體徑跡探測器的基本原理。原子序數(shù)為Z的快速粒子穿過固體時其軌道電子被剝離成為有效電荷為Z*的離子，有經(jīng)驗公式高速離子與固體原子發(fā)生庫侖相互作用，使之激發(fā)或電離，且均發(fā)生在靠近粒子穿過路徑附近，造成輻射損傷。2006年9月18中國科大汪曉蓮三、探測原理重帶電粒子穿過固體材料時，其電離作用很強，沿其穿四、化學蝕刻用強酸（HF、H2SO4、

H3PO4等）或強堿（NaOH、KOH等）進行蝕刻，使輻射損傷區(qū)由幾十埃擴大幾千埃，形成蝕坑或孔洞。用顯微鏡觀測孔洞的數(shù)目可確定粒子強度和通量。把許多固體徑跡探測器摞成一疊，沿粒子穿過的路徑有一連串孔洞，即粒子徑跡。測量孔洞的參數(shù)，可鑒別粒子。徑跡孔洞的形狀：在云母中：菱形和圓柱形在玻璃中：圓形在聚碳酸脂中：長形2006年9月19中國科大汪曉蓮四、化學蝕刻用強酸（HF、H2SO4、H3PO4等）或強五、徑跡特性和測量1.閾特性

實驗發(fā)現(xiàn)輻射損傷密度J大于某一數(shù)值J0時，粒子徑跡才能被蝕刻可見。閾值J0只與材料的性質有關，而與入射粒子的種類無關。利用閾特性可選擇粒子，可確定粒子電荷數(shù)的下限Z02.最大可蝕刻長度Lmax

輻射損傷密度大于閾值的徑跡長度。不同粒子在同一種材料中，由于可蝕刻出徑跡的速度范圍不同，電離損失不同，Lmax也不同。

Lmax與粒子電荷一一對應，測量Lmax，可確定粒子的Z0。2006年9月20中國科大汪曉蓮五、徑跡特性和測量1.閾特性2006年9月20中國科大輻射損傷密度與各種粒子的速度及能量的關系云母中孔洞形狀2006年9月21中國科大汪曉蓮輻射損傷密度與各種粒子的速度及能量的關系云母中孔洞形狀2003.臨界角c決定入射粒子徑跡能否蝕刻出來的因素之一。要求入射粒子與探測器表面的夾角>c兩個作用過程：沿輻射損傷方向,蝕刻速度Vt沿垂直探測器表面方向,蝕刻速度VsVt2006年9月22中國科大汪曉蓮3.臨界角c決定入射粒子徑跡能否蝕刻出來的因素之一。Vt4.蝕刻率和剩余射程蝕刻率：沿徑跡方向的蝕刻速度Vt，依賴于材料和蝕刻劑，與輻射損傷密度J有關。只測徑跡上一點的蝕刻率，定不出粒子的電荷，因為輻射損傷密度等于某一值有很多曲線，該徑跡屬于哪一條曲線不能確定。至少測量兩個點，求出兩點的輻射損傷密度和兩點之間距離，通過射程和能量的關系可以確定該徑跡屬于哪條曲線，從而確定粒子電荷數(shù)Z，再從閾曲線求出粒子速度和能量。在實驗里，如果粒子停在探測器中，測量徑跡上任何一點的Vt和相應的剩余射程R，就可確定粒子的電荷和能量。電荷數(shù)和速度相同質量不同的粒子，他們的輻射損傷密度是相同的，但剩余射程不同。質量越大的粒子的剩余射程越長。所以通過測量徑跡的蝕刻率相同位置的剩余射程，可分辨具有相同電荷數(shù)但質量不同的同位素。2006年9月23中國科大汪曉蓮4.蝕刻率和剩余射程蝕刻率：沿徑跡方向的蝕刻速度Vt，依賴5、探測效率包括固體探測器被輻照時對核徑跡的記錄效率和化學蝕刻處理中顯示徑跡的效率－蝕刻效率。記錄效率蝕刻效率2006年9月24中國科大汪曉蓮5、探測效率包括固體探測器被輻照時對核徑跡的記錄效率和化學蝕小結固體徑跡探測器核乳膠對輕粒子不靈敏對輕粒子靈敏對重粒子電荷分辨高對重粒子電荷分辨低徑跡可長期保存徑跡可保存幾個月不用暗室就可蝕刻在暗室中處理閾特性J>J0入射角>0才能形成可蝕刻徑跡一根粒子徑跡上的平均顆粒密度

主要測量核裂片、重離子、宇宙線、粒子、中子等等，主要用于裂變物理中，研究核反應和核裂變的截面、通量、能譜、半衰期、角分布、新粒子新成分的尋找核測量等等。2006年9月25中國科大汪曉蓮小結固體徑跡探測器核乳膠對輕粒子不靈敏對輕粒子靈敏對重粒子電應用學科

應用舉例化學 各種樣品中U,Th,Pu,Li,B,N,O元素的含量和分布測定核物理 研究裂變、重離子核反應，測定復合核壽命等離子體 聚變診斷粒子物理 磁單極子的探索固體物理 中子衍射，固體缺陷的識別，溝道效應和堵塞效應的研究超流動性 研究均勻微孔中超流體的流動膜物理 流體通過微孔的運動宇宙線物理 宇宙線重粒子的識別太陽物理 太陽風的研究，太陽耀斑粒子能譜的測定天體物理 元素起源問題的研究地球物理 大西洋底擴展速度的測定，地層中氫的遷移與地震預報……2006年9月26中國科大汪曉蓮應用學科 應用舉例2006年9月26中國科大汪曉蓮§8.3氣泡室氣泡室既是靶又是探測器，可拍攝極為清晰的粒子相互作用頂點的立體照片，具有作用頂點清晰，空間分辨本領高，可以選擇工作液體等優(yōu)點，是高能加速器實驗常常使用的徑跡探測器之一。在強相互作用方面，1958－1965期間，發(fā)現(xiàn)28種共振態(tài)，其中大多數(shù)是用氣泡室發(fā)現(xiàn)的。如：1959年，王淦昌先生領導的小組用24升丙烷泡室發(fā)現(xiàn)超子；1960年美國用15英寸H氣泡室發(fā)現(xiàn)（1385）；1961年用72英寸H氣泡室發(fā)現(xiàn)介子。在弱相互作用方面主要研究奇異粒子的衰變性質。如超子的衰變，中微子的研究等等。電磁相互作用的研究。2006年9月27中國科大汪曉蓮§8.3氣泡室氣泡室既是靶又是探測器，可拍攝極為清晰的粒氣泡室BubbleChamberD.Glaser(1960NobelPrize).

1968,AlvarezwonNobelforusingH2bubblechamberdiscoverresonanses.2006年9月28中國科大汪曉蓮氣泡室BubbleChamberD.Glas一、氣泡室的工作原理在容器內充以一定溫度和壓力的某種液體，使容器突然膨脹，降低壓力，液體就處于過熱狀態(tài)。如這時有帶電粒子穿過液體，在粒子經(jīng)過的路徑上，就會引起液體電離。鄰近的離子匯聚到一起形成離子集團，成為汽化中心。圍繞這些汽化中心逐漸形成一串胚胎氣泡，在適當?shù)倪^熱條件下，胚胎氣泡增長到肉眼可見的大小，拍照記錄。粒子徑跡是由一串氣泡組成，這就是氣泡室名稱的由來。產生徑跡的條件：工作液體處于過熱狀態(tài)兩個過程：液體電離形成胚胎氣泡胚胎氣泡長大到肉眼可見2006年9月29中國科大汪曉蓮一、氣泡室的工作原理在容器內充以一定溫度和壓力的某種液體，使二、氣泡室工作過程使用絕熱膨脹法得到過熱液體將充了液體的氣泡室加熱或冷卻（H泡室）到工作溫度T0,T0>Tb(液體沸點溫度）。推動活塞或橡皮膜壓縮氣體，使室內氣相部分完全消失，液體壓力為工作壓力P0,P0>P(飽和蒸汽壓力）?；钊蝗慌蛎?，液體壓力由P0降到Pe(膨脹壓力）液體達到過熱狀態(tài)。Pe<P,P-Pe表示液體的過熱程度，稱為過熱度。帶電粒子入射，液體原子電離——離子團——汽化中心——胚胎氣泡——氣泡長大——長大到可見大小——閃光照相。卷過一張底片，活塞重新壓縮液體到初始狀態(tài)，準備下一次循環(huán)。2006年9月30中國科大汪曉蓮二、氣泡室工作過程使用絕熱膨脹法得到過熱液體2006年9月3氣泡在液體中平衡飽和蒸汽壓力膨脹壓力表面張力2006年9月31中國科大汪曉蓮氣泡在液體中平衡飽和蒸汽壓力膨脹壓力表面張力2006年9月3三、氣泡室的特性1.靈敏度：當液體處于過熱狀態(tài)，帶電粒子穿過并能形成徑跡，則稱該氣泡室對該粒子是靈敏的。用單位長度上氣泡的數(shù)目，即粒子徑跡的電離密度來表示氣泡室的靈敏度。靈敏度要求選取合適。太靈敏了，粒子沒有通過就出現(xiàn)霧狀本底，即寄生氣泡；太不靈敏，粒子通過也形成不了徑跡。取決于液體的過熱度。2.靈敏時間t：能使帶電粒子形成徑跡的時間。金屬室為ms量級，玻璃室為1分鐘。除與室的清潔度、光潔度和液體的純度有關以外，還與工作溫度和膨脹壓力有關。適當選擇T0和Pe，可以提供室的靈敏度。

2006年9月32中國科大汪曉蓮三、氣泡室的特性1.靈敏度：2006年9月32中國科大三、氣泡室的特性3.氣泡成長時間：

一般在0.5-4ms之間，取決于氣泡成長速度，即取決于液體過熱度。由熱傳導理論求得：

=r2，這里是與過熱度、熱傳導率、汽化熱等有關的系數(shù)

通常把氣泡成長時間當作帶電粒子進入氣泡室形成可見徑跡，閃光拍照所需要的時間，即閃光延遲時間。4.工作循環(huán)時間T：

幾百ms-幾秒，快循環(huán)室?guī)资甿s。指氣泡室從膨脹開始到恢復至膨脹前狀態(tài)所需要的時間。與膨脹速度、充氣速度、室的結構大小等因素有關。2006年9月33中國科大汪曉蓮三、氣泡室的特性3.氣泡成長時間：2006年9月33中國四、氣泡室工作條件的選擇1、工作溫度T0：Tb<

T0<TcTb沸點溫度，

Tc：臨界溫度。實驗表明溫度接近Tb時很難實現(xiàn)過熱狀態(tài)；而接近Tc時過熱狀態(tài)不穩(wěn)定，很容易汽化，膨脹后產生大量霧狀氣泡。實際工作溫度只能選擇在靈敏區(qū)的平均部位?；钊蛎汸0Pe，液體過熱；Ps=P

-Pe過熱壓力；Ts=T0–Te過熱溫度，表示液體的過熱度。過熱度越大，徑跡氣泡密度越大，實際上壓力必須降到超過曲線B，才能使粒子穿過液體產生氣泡。B為臨界過熱曲線，在一定T0下只有P

-Pe落在靈敏區(qū)內才能形成徑跡。

2006年9月34中國科大汪曉蓮四、氣泡室工作條件的選擇1、工作溫度T0：Tb<T0<四、氣泡室工作條件的選擇2、工作壓力P0：由工作循環(huán)時間T要求決定。P0大，T小。P0大，加快壓縮過程，使徑跡氣泡、寄生氣泡很快被消滅。C3H8氣泡室 P0比P大5－15個大氣壓H2氣泡室 P0比P大1.5－2個大氣壓3、膨脹壓力Pe：由靈敏度要求而定。Pe大對快速的相對論粒子不靈敏。C3H8氣泡室 Pe比P小5－15個大氣壓H2氣泡室 Pe比P小1.5－2個大氣壓2006年9月35中國科大汪曉蓮四、氣泡室工作條件的選擇2、工作壓力P0：由工作循環(huán)時間T要四、氣泡室工作條件的選擇4、膨脹時間te：壓力從P0降到Pe所需的時間，由靈敏時間和壓力傳遞時間決定。考慮減小寄生沸騰，te應越小越好，靈敏時間決定了te的上限。考慮壓力傳遞需要一定的時間，它決定了te的下限。一般取te比壓力傳遞時間大若干倍，以保證整個室的液體具有均勻的過熱度和避免由于膨脹過快造成液體湍動。如H2泡室te<2倍靈敏時間~20ms(上限)，室深度為40cm壓力從活塞面到玻璃窗面的傳遞時間約0.4ms，下限取10倍，即4ms左右。2006年9月36中國科大汪曉蓮四、氣泡室工作條件的選擇4、膨脹時間te：壓力從P0降到Pe四、氣泡室工作條件的選擇5、膨脹比：

定義為膨脹體積與膨脹前總體積之比。不夠大，氣泡室不靈敏；過大，寄生氣泡急劇增加。工作液體壓縮率估算下限如液H泡室，實驗表明，>0.9%，寄生氣泡急劇增加。C3H8氣泡室： ~2-3%H2氣泡室： ~0.5-0.9%體積膨脹的體積2006年9月37中國科大汪曉蓮四、氣泡室工作條件的選擇5、膨脹比：體積膨脹的體積2006五、氣泡室的種類1、工作液體既是靶又是探測器，作用頂點清晰，空間分辨高。幾種氣泡室工作液體的主要參數(shù)名稱氫氘氖氦丙烷氟利昂13氫氖混合液體分子式H2D2NeHeC3H8CF3BrH2-Ne密度(g/cm3)0.060.141.200.120.441.500.41X0(cm)9909002474512011740(cm)6833225439613449155工作溫度(K)2631364.2332283012006年9月38中國科大汪曉蓮五、氣泡室的種類1、工作液體名稱氫氘氖氦丙烷氟利昂13氫氖混2、快循環(huán)氣泡室膨脹頻率大于每秒鐘10次的氫氣泡室，提高探測效率。但其收集數(shù)據(jù)的效率只有電子學探測器的十萬分之一。3、氣泡室混合譜儀氣泡室＋各種電子學探測器氣泡室給出清晰的作用頂點電子學探測器：閃爍計數(shù)器，C計數(shù)器，MWPC、DC等，確定入射氣泡室和出射氣泡室的粒子的空間位置、角度、動量、速度等等。顯著提高數(shù)據(jù)率。2006年9月39中國科大汪曉蓮2、快循環(huán)氣泡室膨脹頻率大于每秒鐘10次的氫氣泡室，提高探測4、徑跡靈敏靶室徑跡靈敏靶室把充氫或氘的透明容器，放在氫氖混合氣泡室內，兩者可同時達到靈敏。入射粒子與質子靶作用，形成清晰的作用頂點，次級粒子0、0等中性粒子穿過容器壁衰變?yōu)楣庾?，在氫氖混合液體中轉換為正負電子對，給出其徑跡。僅用氫氣泡室為什么不能？因為氫的輻射長度X0=887cm，不能有效探測02過程。2006年9月40中國科大汪曉蓮4、徑跡靈敏靶室徑跡靈敏靶室把充氫或氘的透明容器，放在氫氖混小結氣泡室既是靶又是探測器，具有作用頂點清晰、空間分辨高、可以選擇工作液體等一系列的優(yōu)點，可以研究強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用，因而在高能物理實驗研究中占有重要的地位。世界上許多著名的大氣泡室在探索微觀物質結構的征途上各顯神通，新出現(xiàn)的變化萬千的混合泡室也初露頭角。混合譜儀的氣泡室尺寸可以較小，但與電子學探測器混合使用卻能起大型氣泡室的作用，兼有徑跡探測器和電子學探測器的優(yōu)點。氣泡室實驗數(shù)據(jù)由照片上徑跡得到，自動化測量掃描設備是氣泡室研制的一個主要組成部分。2006年9月41中國科大汪曉蓮小結氣泡室既是靶又是探測器，具有作用頂點清晰、空間分辨高、可§8.4脈沖徑跡室一、氣體火花放電機制火花室、流光室和閃光管工作在放電區(qū)，放電區(qū)細分為誘導放電區(qū)和自激放電區(qū)。誘導放電區(qū)：帶電粒子入射后使氣體電離－雪崩－放電。自激放電區(qū)：因電壓更高，氣體被擊穿，產生打火放電。三種探測器的氣體放電機制相同，區(qū)別在于火花室把放電過程限制在火花形成階段，流光室把放電過程限制在雪崩或流光形成階段，這種差別通過電極間外加不同高壓來控制。脈沖徑跡室的電場強度E~10-20KV/cm，電子漂移很小距離就發(fā)生電子雪崩，形成雪崩錐。2006年9月42中國科大汪曉蓮§8.4脈沖徑跡室一、氣體火花放電機制2006年9月42二、雪崩－流光－火花形成過程一個電子沿雪崩方向移動x距離后產生雪崩電子數(shù)E大大，能產生雪崩電子數(shù)越多。雪崩錐內部空間電荷形成的電場與外電場方向相反，總電場強度降低；雪崩錐兩端空間電荷電場與外電場方向一致，總電場強度增高。2006年9月43中國科大汪曉蓮二、雪崩－流光－火花形成過程一個電子沿雪崩方向移動x距離后產n~106空間電荷的影響使雪崩速度減慢；當n~108時，EEr，E2=0，雪崩中心部位出現(xiàn)零電場，雪崩停止，電子和正離子復合，各向同性地放出光子。光子在雪崩錐周圍的氣體中打出許多光電子，在電場作用下再次引起雪崩。由于空間電荷效應雪崩錐頭尾電場較高，新的雪崩在頭尾迅速發(fā)展，與原雪崩錐首尾相連形成雪崩串。雪崩串發(fā)出大量的光子形成流光，雪崩串不斷向兩個電極發(fā)展。最后在兩個電極之間形成高度電離的等離子體導電通路，電極通過通路產生火花放電。若在雪崩串使電極溝通之前就使雪崩串的發(fā)展中止，在初始電子附近形成具有一定長度的流光帶。2006年9月44中國科大汪曉蓮n~106空間電荷的影響使雪崩速度減慢；2006年9月4a.種子電子和正離子的產生 b.電子雪崩的形成c.雪崩發(fā)展到Er＝E的臨界大小時各向同性的發(fā)射光子d.在初始雪崩的頭尾光電子發(fā)展成新的雪崩e.流光形成 f.火花形成2006年9月45中國科大汪曉蓮a.種子電子和正離子的產生 b.電子雪崩的形成2006年三、脈沖徑跡室的結構1、火花室：分為平行板型和圓筒型，常用的是多板火花室。由若干平行金屬板（Fe或Al）電極組成，電極彼此絕緣，極間距3－10mm，充以惰性氣體或它們的混合氣體。也可用金屬絲作電極，類似多絲正比室?？梢詼y量絲上的火花電流記錄火花的位置來測量粒子徑跡，也可以用照像的方法記錄粒子徑跡，利用火花本身的亮度使高靈敏的底片感光。2、流光室：結構基本同火花室。一般采用雙間隙結構，即用三個相互平行的平面電極，外側兩電極接地，中間電極接脈沖高壓。對脈沖高壓要求很高，能產生15－25KV/cm的場強，脈寬5－10ns，上升時間0.5-1ns，穩(wěn)定性好于0.1%。3、閃光管：由許多細長的管子和一些平板電極組成，閃光管排列在金屬電極之間，常用作描跡儀。閃光管長1cm-2m，直徑為1mm-20mm?？梢允遣ＡЧ?、塑料管或尼龍管，管內充一定壓力的惰性氣體或它們的混合氣體。2006年9月46中國科大汪曉蓮三、脈沖徑跡室的結構1、火花室：分為平行板型和圓筒型，常用的四、脈沖徑跡室的主要性能記憶時間和時間分辨1)記憶時間：入射粒子進入脈沖徑跡室至能呈現(xiàn)可測量徑跡的最大時間間隔，亦稱靈敏時間。

火花室：一般惰性氣體 記憶時間為10－4~10－6s流光室：惰性氣體或它們的混合氣體 10－4s

閃光管室：惰性氣體或它們的混合氣體 10－4~10－7s2)時間分辨：能分辨兩個入射粒子的最小時間間隔。在強粒子束流下工作時要求記憶時間短，時間分辨高。記憶時間短會影響探測效率，應在保證探測效率的前提下盡量縮短記憶時間。3)控制記憶時間的方法：a.加清掃電場，移去無關粒子產生的電離；b.加少量負電性氣體，吸附無關的電子，如加微量的SF6。2006年9月47中國科大汪曉蓮四、脈沖徑跡室的主要性能記憶時間和時間分辨2006年9月472、空間分辨：

表征脈沖徑跡室確定入射粒子位置的精確度，定義為火花放電位置相對粒子徑跡的偏離。

火花室：0.2mm1mm

流光室：0.3mm1mm

閃光管室：~1mm3、探測效率：

氣體壓力大，氣體密度高，探測效率高；脈沖高壓上升時間小延遲時間小，探測效率高。

帶電粒子在一個大氣壓下在幾種氣體中的電離值氣體HeXeNeH2Ar空氣原初電離對/cm5.9-6.54412629.4212006年9月48中國科大汪曉蓮2、空間分辨：氣體HeXeNeH2Ar空氣原初電離對/cm5小結火花室、流光室和閃光管室都工作在脈沖電場條件下，用高壓脈沖裝置供電。可觸發(fā)工作?？捎谜障窕驍?shù)字化系統(tǒng)記錄粒子徑跡。都是以氣體火花放電機制為基礎的探測器。2006年9月49中國科大汪曉蓮小結火花室、流光室和閃光管室都工作在脈沖電場條件下，用高壓脈第八章徑跡探測器

中國科學技術大學近代物理系高能物理實驗室汪曉蓮2006年9月50中國科大汪曉蓮第八章徑跡探測器中國科學技術大學2006年9月1中§8.1核乳膠§8.2固體徑跡室§8.3氣泡室§8.4脈沖徑跡室第八章徑跡探測器

2006年9月51中國科大汪曉蓮§8.1核乳膠第八章徑跡探測器2006年9月2中電子學計數(shù)器通過記錄粒子產生的電信號，如計數(shù)、幅度、時間、空間位置、脈沖形狀等。必須與電子學線路和儀器配套使用的探測器。氣體探測器：電離室、正比計數(shù)器、G-M計數(shù)器半導體探測器：金硅面壘、Si(Li)、Ge(Li)、高純鍺等閃爍計數(shù)器：NaI(Tl)、CsI(Tl)、ZnS(Ag)、BGO、PWO、塑料閃爍體、液體閃爍體契侖柯夫計數(shù)器：閾式C計數(shù)器、微分式C計數(shù)器RICH等氣體絲室：

多絲正比室、漂移室等2006年9月52中國科大汪曉蓮電子學計數(shù)器通過記錄粒子產生的電信號，如計數(shù)、幅徑跡探測器

直接記錄粒子走過的徑跡來探測粒子或對徑跡拍照，再對照片進行分析處理的探測器。如：核乳膠、固體徑跡室、云室、氣泡室、火化室、流光室等等。－、±、0、＋、K0、反P、0、±、0、－、反0、反±等粒子的發(fā)現(xiàn)，有11次是利用核乳膠，8次利用了云室，5次利用了氣泡室，而只有2次是利用電子學計數(shù)器。2006年9月53中國科大汪曉蓮徑跡探測器直接記錄粒子走過的徑跡來探測粒子或§8.1核乳膠

一、工作原理和構成1.組成：核乳膠由銀鹽顆粒和膠質組成。

溴化銀AgBr大部分常用銀鹽碘化銀AgI少量銀鹽顆粒對帶電粒子靈敏，而對光幾乎不靈敏。膠質：骨膠和明膠2.工作原理：1）核乳膠記錄帶電粒子的首要條件：形成“潛影”帶電粒子與AgBr晶粒作用，使AgBr分子分解成Ag原子和Br原子，在一定條件下，Ag原子聚集成Ag集團，形成可顯影的核心“潛影”，經(jīng)化學顯影處理，潛影的晶粒還原成黑色的Ag顆粒，把帶電粒子的徑跡顯示出來。2006年9月54中國科大汪曉蓮§8.1核乳膠

一、工作原理和構成1.組成：核乳膠2）電離測量的依據(jù)

形成潛影的幾率與入射粒子的電離本領有關，電離本領大，形成潛影多，銀顆粒密度大。在電荷一定時，顆粒密度與粒子速度有關。測量徑跡的顆粒密度可知粒子速度。3）測量徑跡的射程和多次散射

射程

多次散射角根據(jù)徑跡的長短、彎曲和顆粒的稀密程度來鑒定和測量帶電粒子的電荷、質量及動量。

2006年9月55中國科大汪曉蓮2）電離測量的依據(jù)2006年9月6中國科大汪曉蓮二、核乳膠的特性乳膠中的AgBr濃度C：3.0-3.2g/cm3AgBr晶粒平均直徑d：0.1-0.4mAgBr晶粒對帶電粒子的靈敏度P：定義為帶電粒子通過一個晶粒時，在該晶粒中產生潛影的幾率。4.一根粒子徑跡上平均晶粒密度：

記錄電離本領小的粒子選用晶粒較大的乳膠記錄電離本領大的粒子選用晶粒較小的乳膠2006年9月56中國科大汪曉蓮二、核乳膠的特性乳膠中的AgBr濃度C：3.0-3.2g/c三、核乳膠的處理與普通乳膠相似，需要經(jīng)過顯影、定影、水洗、浸泡甘油、涼干、清潔等過程，只是顯影液、定影液的化學配方及所用時間長短有所不同。2006年9月57中國科大汪曉蓮三、核乳膠的處理與普通乳膠相似，需要經(jīng)過顯影、定影、水洗、浸四、核乳膠中徑跡的測量1、工具：雙目顯微鏡，M＝100－2000倍2、原理：由射程定粒子能量對其他粒子C為修正系數(shù)，對不同乳膠其值不同2006年9月58中國科大汪曉蓮四、核乳膠中徑跡的測量1、工具：雙目顯微鏡，M＝100－203、徑跡長度測量方法在顯微鏡下，只能測量徑跡在物鏡主焦面上的投影l(fā)和垂直分量h。h為什么會變短呢？因為核乳膠中AgBr含量很大，顯影定影處理時，大量被溶解掉了。測量處理前后的乳膠厚度，就可得到收縮因子2006年9月59中國科大汪曉蓮3、徑跡長度測量方法在顯微鏡下，只能測量徑跡在物鏡主焦面上的4、從電離鑒別粒子（一）實驗上最長用的方法：測銀顆粒密度，即單位長度徑跡上銀顆粒數(shù)目。粒子速度快，電離小，顆粒密度??；粒子速度慢，電離大，顆粒三三兩兩擠成小團，形成“塊”；粒子速度更低，低能多電荷粒子，徑跡基本上是一條黑粗線，無法測量。2006年9月60中國科大汪曉蓮4、從電離鑒別粒子（一）實驗上最長用的方法：測銀顆粒密度，即4、從電離鑒別粒子（二）用待測粒子X的徑跡與已知粒子A的徑跡相比較尋找在同一乳膠片中徑跡顆粒密度相同的地方：如果兩種粒子電荷相同，則

在顆粒密度相同的地方，即速度相同處，測量剩余射程，得到射程比，再得到質量比，繼而得到未知粒子質量Mx。2006年9月61中國科大汪曉蓮4、從電離鑒別粒子（二）用待測粒子X的徑跡與已知粒子A的徑跡5、從多次散射鑒別粒子帶電粒子通過核乳膠時，發(fā)生多次散射。多次散射角的水平投影的絕對值平均：K：散射系數(shù)已知入射粒子種類，即已知電荷數(shù)z；已知核乳膠厚度t，就可確定入射粒子能量。反之，已知入射粒子能量和乳膠厚度，可確定帶電粒子的電荷。2006年9月62中國科大汪曉蓮5、從多次散射鑒別粒子帶電粒子通過核乳膠時，發(fā)生多次散射。多6、從電子密度確定入射粒子電荷在核乳膠的主徑跡上的許多小分岔，這就是電子的徑跡。理論計算有：能量在E1和

E2之間的電子密度為

z<30時，一般取E1＝10KeV，E2＝30KeV。實驗上選電子射程>1.5m。講義213頁圖8－6給出了n與R的標準曲線，測出粒子徑跡某處的電子密度n與R值，由曲線確定其電荷。2006年9月63中國科大汪曉蓮6、從電子密度確定入射粒子電荷在核乳膠的主徑跡上的許多小分§8.2固體徑跡室一、發(fā)展歷史：五十年代末D.A.Young發(fā)現(xiàn)某些固體材料被輻射后經(jīng)化學蝕刻處理后可形成用光學顯微鏡觀測的徑跡。E.C.H.Silk等用透射電子顯微鏡觀測到云母片中的核聚變碎片的徑跡。1962年P.B.Price等改進化學蝕刻方法獲得穩(wěn)定不變的徑跡。1963年R.L.Fleischer等提出玻璃和塑料等人工材料的蝕刻方法，免除天然材料的本底影響。1967年識別固體材料中的核徑跡的技術日趨成熟。1975年Fleischer等人對固體徑跡探測器作全面小結。1977年開始出版國際性專門學術刊物“NuclearTracks”。1965年國內開始研究，至1982年共有40多家單位參加，出了大量研究成果。2006年9月64中國科大汪曉蓮§8.2固體徑跡室一、發(fā)展歷史：2006年9月15中國科二、使用材料：一片透明的固體即各種絕緣材料。結晶固體：

云母、石英、AgCl、LiF等非結晶固體：各種玻璃聚合物：硝酸纖維、醋酸纖維、聚酯、聚碳酸脂等要求：材料結構均勻，無缺陷，表面無損傷。為便于光學顯微鏡觀測，通常制成透明的薄片。2006年9月65中國科大汪曉蓮二、使用材料：一片透明的固體即各種絕緣材料。2006年9月1常用固體徑跡室材料的性能材料蝕刻條件Z00云母石英普通玻璃磷酸鹽玻璃聚酯(Mylar)聚碳酸脂硝酸纖維醋酸纖維48％HF,230C,3~40分48％HF,230C,300分48％HF,230C,300分48％HF,230C,30分6NNaOH,700C,10分6NNaOH,700C,8分6NNaOH,230C,2~4小時6NNaOH,700C,12分1416161552123041’1602’37021’706’3029’2024’*Z0：可探測粒子的最小電荷數(shù)；

0：探測熱中子引起235U核裂片的平均臨界角。2006年9月66中國科大汪曉蓮常用固體徑跡室材料的性能材料蝕刻條件Z00云母48％HF,三、探測原理重帶電粒子穿過固體材料時，其電離作用很強，沿其穿過路徑造成原子尺度上的輻射損傷，造成位錯原子和空穴，或者使分子化學鍵被打斷，形成分子碎塊和自由基。經(jīng)適當處理，會形成可觀測的徑跡，這就是固體徑跡探測器的基本原理。原子序數(shù)為Z的快速粒子穿過固體時其軌道電子被剝離成為有效電荷為Z*的離子，有經(jīng)驗公式高速離子與固體原子發(fā)生庫侖相互作用，使之激發(fā)或電離，且均發(fā)生在靠近粒子穿過路徑附近，造成輻射損傷。2006年9月67中國科大汪曉蓮三、探測原理重帶電粒子穿過固體材料時，其電離作用很強，沿其穿四、化學蝕刻用強酸（HF、H2SO4、

H3PO4等）或強堿（NaOH、KOH等）進行蝕刻，使輻射損傷區(qū)由幾十埃擴大幾千埃，形成蝕坑或孔洞。用顯微鏡觀測孔洞的數(shù)目可確定粒子強度和通量。把許多固體徑跡探測器摞成一疊，沿粒子穿過的路徑有一連串孔洞，即粒子徑跡。測量孔洞的參數(shù)，可鑒別粒子。徑跡孔洞的形狀：在云母中：菱形和圓柱形在玻璃中：圓形在聚碳酸脂中：長形2006年9月68中國科大汪曉蓮四、化學蝕刻用強酸（HF、H2SO4、H3PO4等）或強五、徑跡特性和測量1.閾特性

實驗發(fā)現(xiàn)輻射損傷密度J大于某一數(shù)值J0時，粒子徑跡才能被蝕刻可見。閾值J0只與材料的性質有關，而與入射粒子的種類無關。利用閾特性可選擇粒子，可確定粒子電荷數(shù)的下限Z02.最大可蝕刻長度Lmax

輻射損傷密度大于閾值的徑跡長度。不同粒子在同一種材料中，由于可蝕刻出徑跡的速度范圍不同，電離損失不同，Lmax也不同。

Lmax與粒子電荷一一對應，測量Lmax，可確定粒子的Z0。2006年9月69中國科大汪曉蓮五、徑跡特性和測量1.閾特性2006年9月20中國科大輻射損傷密度與各種粒子的速度及能量的關系云母中孔洞形狀2006年9月70中國科大汪曉蓮輻射損傷密度與各種粒子的速度及能量的關系云母中孔洞形狀2003.臨界角c決定入射粒子徑跡能否蝕刻出來的因素之一。要求入射粒子與探測器表面的夾角>c兩個作用過程：沿輻射損傷方向,蝕刻速度Vt沿垂直探測器表面方向,蝕刻速度VsVt2006年9月71中國科大汪曉蓮3.臨界角c決定入射粒子徑跡能否蝕刻出來的因素之一。Vt4.蝕刻率和剩余射程蝕刻率：沿徑跡方向的蝕刻速度Vt，依賴于材料和蝕刻劑，與輻射損傷密度J有關。只測徑跡上一點的蝕刻率，定不出粒子的電荷，因為輻射損傷密度等于某一值有很多曲線，該徑跡屬于哪一條曲線不能確定。至少測量兩個點，求出兩點的輻射損傷密度和兩點之間距離，通過射程和能量的關系可以確定該徑跡屬于哪條曲線，從而確定粒子電荷數(shù)Z，再從閾曲線求出粒子速度和能量。在實驗里，如果粒子停在探測器中，測量徑跡上任何一點的Vt和相應的剩余射程R，就可確定粒子的電荷和能量。電荷數(shù)和速度相同質量不同的粒子，他們的輻射損傷密度是相同的，但剩余射程不同。質量越大的粒子的剩余射程越長。所以通過測量徑跡的蝕刻率相同位置的剩余射程，可分辨具有相同電荷數(shù)但質量不同的同位素。2006年9月72中國科大汪曉蓮4.蝕刻率和剩余射程蝕刻率：沿徑跡方向的蝕刻速度Vt，依賴5、探測效率包括固體探測器被輻照時對核徑跡的記錄效率和化學蝕刻處理中顯示徑跡的效率－蝕刻效率。記錄效率蝕刻效率2006年9月73中國科大汪曉蓮5、探測效率包括固體探測器被輻照時對核徑跡的記錄效率和化學蝕小結固體徑跡探測器核乳膠對輕粒子不靈敏對輕粒子靈敏對重粒子電荷分辨高對重粒子電荷分辨低徑跡可長期保存徑跡可保存幾個月不用暗室就可蝕刻在暗室中處理閾特性J>J0入射角>0才能形成可蝕刻徑跡一根粒子徑跡上的平均顆粒密度

主要測量核裂片、重離子、宇宙線、粒子、中子等等，主要用于裂變物理中，研究核反應和核裂變的截面、通量、能譜、半衰期、角分布、新粒子新成分的尋找核測量等等。2006年9月74中國科大汪曉蓮小結固體徑跡探測器核乳膠對輕粒子不靈敏對輕粒子靈敏對重粒子電應用學科

應用舉例化學 各種樣品中U,Th,Pu,Li,B,N,O元素的含量和分布測定核物理 研究裂變、重離子核反應，測定復合核壽命等離子體 聚變診斷粒子物理 磁單極子的探索固體物理 中子衍射，固體缺陷的識別，溝道效應和堵塞效應的研究超流動性 研究均勻微孔中超流體的流動膜物理 流體通過微孔的運動宇宙線物理 宇宙線重粒子的識別太陽物理 太陽風的研究，太陽耀斑粒子能譜的測定天體物理 元素起源問題的研究地球物理 大西洋底擴展速度的測定，地層中氫的遷移與地震預報……2006年9月75中國科大汪曉蓮應用學科 應用舉例2006年9月26中國科大汪曉蓮§8.3氣泡室氣泡室既是靶又是探測器，可拍攝極為清晰的粒子相互作用頂點的立體照片，具有作用頂點清晰，空間分辨本領高，可以選擇工作液體等優(yōu)點，是高能加速器實驗常常使用的徑跡探測器之一。在強相互作用方面，1958－1965期間，發(fā)現(xiàn)28種共振態(tài)，其中大多數(shù)是用氣泡室發(fā)現(xiàn)的。如：1959年，王淦昌先生領導的小組用24升丙烷泡室發(fā)現(xiàn)超子；1960年美國用15英寸H氣泡室發(fā)現(xiàn)（1385）；1961年用72英寸H氣泡室發(fā)現(xiàn)介子。在弱相互作用方面主要研究奇異粒子的衰變性質。如超子的衰變，中微子的研究等等。電磁相互作用的研究。2006年9月76中國科大汪曉蓮§8.3氣泡室氣泡室既是靶又是探測器，可拍攝極為清晰的粒氣泡室BubbleChamberD.Glaser(1960NobelPrize).

1968,AlvarezwonNobelforusingH2bubblechamberdiscoverresonanses.2006年9月77中國科大汪曉蓮氣泡室BubbleChamberD.Glas一、氣泡室的工作原理在容器內充以一定溫度和壓力的某種液體，使容器突然膨脹，降低壓力，液體就處于過熱狀態(tài)。如這時有帶電粒子穿過液體，在粒子經(jīng)過的路徑上，就會引起液體電離。鄰近的離子匯聚到一起形成離子集團，成為汽化中心。圍繞這些汽化中心逐漸形成一串胚胎氣泡，在適當?shù)倪^熱條件下，胚胎氣泡增長到肉眼可見的大小，拍照記錄。粒子徑跡是由一串氣泡組成，這就是氣泡室名稱的由來。產生徑跡的條件：工作液體處于過熱狀態(tài)兩個過程：液體電離形成胚胎氣泡胚胎氣泡長大到肉眼可見2006年9月78中國科大汪曉蓮一、氣泡室的工作原理在容器內充以一定溫度和壓力的某種液體，使二、氣泡室工作過程使用絕熱膨脹法得到過熱液體將充了液體的氣泡室加熱或冷卻（H泡室）到工作溫度T0,T0>Tb(液體沸點溫度）。推動活塞或橡皮膜壓縮氣體，使室內氣相部分完全消失，液體壓力為工作壓力P0,P0>P(飽和蒸汽壓力）。活塞突然膨脹，液體壓力由P0降到Pe(膨脹壓力）液體達到過熱狀態(tài)。Pe<P,P-Pe表示液體的過熱程度，稱為過熱度。帶電粒子入射，液體原子電離——離子團——汽化中心——胚胎氣泡——氣泡長大——長大到可見大小——閃光照相。卷過一張底片，活塞重新壓縮液體到初始狀態(tài)，準備下一次循環(huán)。2006年9月79中國科大汪曉蓮二、氣泡室工作過程使用絕熱膨脹法得到過熱液體2006年9月3氣泡在液體中平衡飽和蒸汽壓力膨脹壓力表面張力2006年9月80中國科大汪曉蓮氣泡在液體中平衡飽和蒸汽壓力膨脹壓力表面張力2006年9月3三、氣泡室的特性1.靈敏度：當液體處于過熱狀態(tài)，帶電粒子穿過并能形成徑跡，則稱該氣泡室對該粒子是靈敏的。用單位長度上氣泡的數(shù)目，即粒子徑跡的電離密度來表示氣泡室的靈敏度。靈敏度要求選取合適。太靈敏了，粒子沒有通過就出現(xiàn)霧狀本底，即寄生氣泡；太不靈敏，粒子通過也形成不了徑跡。取決于液體的過熱度。2.靈敏時間t：能使帶電粒子形成徑跡的時間。金屬室為ms量級，玻璃室為1分鐘。除與室的清潔度、光潔度和液體的純度有關以外，還與工作溫度和膨脹壓力有關。適當選擇T0和Pe，可以提供室的靈敏度。

2006年9月81中國科大汪曉蓮三、氣泡室的特性1.靈敏度：2006年9月32中國科大三、氣泡室的特性3.氣泡成長時間：

一般在0.5-4ms之間，取決于氣泡成長速度，即取決于液體過熱度。由熱傳導理論求得：

=r2，這里是與過熱度、熱傳導率、汽化熱等有關的系數(shù)

通常把氣泡成長時間當作帶電粒子進入氣泡室形成可見徑跡，閃光拍照所需要的時間，即閃光延遲時間。4.工作循環(huán)時間T：

幾百ms-幾秒，快循環(huán)室?guī)资甿s。指氣泡室從膨脹開始到恢復至膨脹前狀態(tài)所需要的時間。與膨脹速度、充氣速度、室的結構大小等因素有關。2006年9月82中國科大汪曉蓮三、氣泡室的特性3.氣泡成長時間：2006年9月33中國四、氣泡室工作條件的選擇1、工作溫度T0：Tb<

T0<TcTb沸點溫度，

Tc：臨界溫度。實驗表明溫度接近Tb時很難實現(xiàn)過熱狀態(tài)；而接近Tc時過熱狀態(tài)不穩(wěn)定，很容易汽化，膨脹后產生大量霧狀氣泡。實際工作溫度只能選擇在靈敏區(qū)的平均部位?；钊蛎汸0Pe，液體過熱；Ps=P

-Pe過熱壓力；Ts=T0–Te過熱溫度，表示液體的過熱度。過熱度越大，徑跡氣泡密度越大，實際上壓力必須降到超過曲線B，才能使粒子穿過液體產生氣泡。B為臨界過熱曲線，在一定T0下只有P

-Pe落在靈敏區(qū)內才能形成徑跡。

2006年9月83中國科大汪曉蓮四、氣泡室工作條件的選擇1、工作溫度T0：Tb<T0<四、氣泡室工作條件的選擇2、工作壓力P0：由工作循環(huán)時間T要求決定。P0大，T小。P0大，加快壓縮過程，使徑跡氣泡、寄生氣泡很快被消滅。C3H8氣泡室 P0比P大5－15個大氣壓H2氣泡室 P0比P大1.5－2個大氣壓3、膨脹壓力Pe：由靈敏度要求而定。Pe大對快速的相對論粒子不靈敏。C3H8氣泡室 Pe比P小5－15個大氣壓H2氣泡室 Pe比P小1.5－2個大氣壓2006年9月84中國科大汪曉蓮四、氣泡室工作條件的選擇2、工作壓力P0：由工作循環(huán)時間T要四、氣泡室工作條件的選擇4、膨脹時間te：壓力從P0降到Pe所需的時間，由靈敏時間和壓力傳遞時間決定?？紤]減小寄生沸騰，te應越小越好，靈敏時間決定了te的上限?？紤]壓力傳遞需要一定的時間，它決定了te的下限。一般取te比壓力傳遞時間大若干倍，以保證整個室的液體具有均勻的過熱度和避免由于膨脹過快造成液體湍動。如H2泡室te<2倍靈敏時間~20ms(上限)，室深度為40cm壓力從活塞面到玻璃窗面的傳遞時間約0.4ms，下限取10倍，即4ms左右。2006年9月85中國科大汪曉蓮四、氣泡室工作條件的選擇4、膨脹時間te：壓力從P0降到Pe四、氣泡室工作條件的選擇5、膨脹比：

定義為膨脹體積與膨脹前總體積之比。不夠大，氣泡室不靈敏；過大，寄生氣泡急劇增加。工作液體壓縮率估算下限如液H泡室，實驗表明，>0.9%，寄生氣泡急劇增加。C3H8氣泡室： ~2-3%H2氣泡室： ~0.5-0.9%體積膨脹的體積2006年9月86中國科大汪曉蓮四、氣泡室工作條件的選擇5、膨脹比：體積膨脹的體積2006五、氣泡室的種類1、工作液體既是靶又是探測器，作用頂點清晰，空間分辨高。幾種氣泡室工作液體的主要參數(shù)名稱氫氘氖氦丙烷氟利昂13氫氖混合液體分子式H2D2NeHeC3H8CF3BrH2-Ne密度(g/cm3)0.060.141.200.120.441.500.41X0(cm)9909002474512011740(cm)6833225439613449155工作溫度(K)2631364.2332283012006年9月87中國科大汪曉蓮五、氣泡室的種類1、工作液體名稱氫氘氖氦丙烷氟利昂13氫氖混2、快循環(huán)氣泡室膨脹頻率大于每秒鐘10次的氫氣泡室，提高探測效率。但其收集數(shù)據(jù)的效率只有電子學探測器的十萬分之一。3、氣泡室混合譜儀氣泡室＋各種電子學探測器氣泡室給出清晰的作用頂點電子學探測器：閃爍計數(shù)器，C計數(shù)器，MWPC、DC等，確定入射氣泡室和出射氣泡室的粒子的空間位置、角度、動量、速度等等。顯著提高數(shù)據(jù)率。2006年9月88中國科大汪曉蓮2、快循環(huán)氣泡室膨脹頻率大于每秒鐘10次的氫氣泡室，提高探測4、徑跡靈敏靶室徑跡靈敏靶室把充氫或氘的透明容器，放在氫氖混合氣泡室內，兩者可同時達到靈敏。入射粒子與質子靶作用，形成清晰的作用頂點，次級粒子0、0等中性粒子穿過容器壁衰變?yōu)楣庾樱跉淠驶旌弦后w中轉換為正負電子對，給出其徑跡。僅用氫氣泡室為什么不能？因為氫的輻射長度X0=887cm，不能有效探測02過程。2006年9月89中國科大汪曉蓮4、徑跡靈敏靶室徑跡靈敏靶室把充氫或氘的透明容器，放在氫氖混小結氣泡室既是靶又是探測器，具有作用頂點清晰、空間分辨高、可以選擇工作液體等一系列的優(yōu)點，可以研究強相互作用、弱相