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切伦科夫计数器原理图

Cerenkov counter

  一种能记录微弱的切伦科夫辐射,又能分辨辐射的传播方向,用以确定带电粒子速度的探测装置。带电粒子在均匀介质中诱发的切伦科夫辐射的特性和带电粒子的速度密切相关,这种关系可以用下式来描述

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θ为辐射传播方向与粒子飞行方向的夹角,称为辐射的半锥角 υ=βc为带电粒子的速度;n为辐射介质的折射率。当200712041630862-03.gif时,才能产生切伦科夫辐射。在介质的折射率选定时,辐射的半锥角θ 随着带电粒子速度增加而增大,单位长度上辐射的光子数目也随着增加。1955年,美国物理学家就是利用切伦科夫计数器的组合,从具有一定动量的π介子束中发现反质子的。

  切伦科夫计数器的基本组成包括:辐射介质、光收集系统和光探测器。人们通常把切伦科夫计数器分为阈式和微分式两种。

阈式切伦科夫计数器

  图a是一个典型的阈式切伦科夫计数器的原理图。带电粒子沿着计数器的轴线掠过辐射介质,当粒子速度

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时,粒子诱发的切伦科夫辐射分别以不同的半锥角传播,不同的半锥角对应着不同的粒子速度。阈式切伦科夫计数器的光收集系统可以把不同半锥角的辐射会聚到光子探测器(如光电倍增管)上,而光子探测器则将所收集到的辐射转换成可观测的信号。因此,只要带电粒子的速度超过某一选定的阈速度 βo(n)〔可以调节辐射介质的折射率n,来改变计数器的阈速度βo(n)〕,计数器就输出一个计数。这种计数器是对入射粒子束中速度超过βo(n) 的带电粒子数目做累积计数,因而也称这种计数器为积分式切伦科夫计数器。

微分式切伦科夫计数器

  图b是一个典型的微分式切伦科夫计数器的原理图。光收集系统包括半径为R 的球面镜和半径可调的环状光阑。速度在βi到βi±Δβi之间的带电粒子200712041635862-05.gif在各个瞬时位置发射的切伦科夫辐射形成半锥角为θi到θi±Δθi的光锥。球面镜将这光锥会聚在其焦平面上,形成平均半径为ri=ftgθi的光环200712041636862-06.gif。调节焦平面上环状光阑的半径,使半径为ri的辐射光环投射在光电倍增管的阵列上,光电倍增管给出可观察的信号。如果带电粒子速度200712041636862-07.gif它们诱发的切伦科夫辐射光环半径偏离环状光阑的孔径,光电倍增管记录不到这种粒子诱发的辐射。因此,这种计数器只记录粒子束中速度在βi-Δβi<β<βi+Δβi区间内的带电粒子。

  辐射介质可以是气体、液体和固体,但应具有对辐射色散小、透明度好的光学特性,而且要求它们有低的荧光背景。

  速度分辨率Δβ/β和探测效率是切伦科夫计数器最主要的性能指标。典型的气体阈式切伦科夫计数器在足够高的探测效率条件下,速度分辨率约为10-5~10-6。气体微分式切伦科夫计数器,若经过光学系统的色差校正,速度分辨率可达约 10-7,而且有足够高的探测效率。

  切伦科夫计数器在原子核物理和粒子物理发展史上起过重要作用。它是实验物理中一种应用广泛的粒子探测器。

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