《中国大百科全书（第2版）》读书笔记7540-大型磁谱仪

大型磁谱仪 spectrometer

阿尔法磁谱仪

由多种子探测器和线圈、磁铁组成的基本粒子探测装置。具有多功能的特点，是高能物理实验最常用的大型综合性设备。

1.发展简史

即20世纪60年代末70年代初，在固定靶实验和对撞机实验装置上相继出现了由多种探测器组成的磁谱仪，它可同时测量粒子的多种性能[如电荷、质量、自旋、宇称、衰变宽度（寿命）等]以及粒子的多种运动学参量（如能量、动量、速度等），具有较好的粒子分辨本领，比以往只具有单一功能的探测器显示出不可比拟的优点。以后，随着探测粒子能量的提高和对探测器测量精度的需求，磁谱仪规模越来越大，指标越来越先进，技术越来越成熟，在高能物理研究中发挥着越来越重要的作用。

铅离子碰撞

2.工作原理

高能物理研究的对象是比原子、分子小几个量级的基本粒子，即使使用当前最大倍数的显微镜也无法观察到它们，只能借助各种间接手段对它们进行了解和研究，其中最重要的工具就是探测器。

其原理是：利用这些粒子与物质相互作用而产生的某些效应得到极微弱的信号，以电脉冲的形式收集并经过放大，成为可测量、可分析的信息。通过对这些信息的处理，便可得知这些粒子的特性。

粒子物理实验

已发现的数百种粒子各具特性，但绝大多数是不稳定的，在探测器中还未来得及留下径迹就已衰变。那些衰变后的末态粒子会在探测器中留下径迹和其他信息。通过测量末态粒子的运动学参量，便可推算出原初粒子的特性。

在探测器中常见的末态粒子有：γ光子、正负电子（）、μ子（）、荷电π介子（）、荷电子K介子（）、质子（p）和反质子（）等。其中γ、、p（）都是稳定粒子。、、虽然不稳定，但寿命都在秒。它们都可在通常的探测器尺度（米）范围内不衰变而留下径迹和有用信息。对其他数百种粒子的探测最终可归结为对上述数种粒子的观测。

观测的前提是首先鉴别它们。鉴别的方法有二：一是测量粒子固有的静止质量；二是区别不同种类粒子所显示的与物质相互作用的不同持性。对前者往往是测量粒子的运动学参量，如能量（E）、动量（p）、速度（v）、洛伦兹因子：

以及单位长度的电离能量损失（dE/dx）等，从其中的两个参量（如已知动量），再知道v或γ则可求出粒子的静止质量。对后者常常利用一些相互作用持征：如γ光子、会产生电磁簇射；强子（π、K、p）会产生强子簇射；μ子穿透性强，有很大的射程。在大型磁谱仪中，每一个子探测器都有其主要任务，综合起来可达到粒子分辨、运动学参量等的测量。

3.大型磁谱仪结构

工作在对撞机上和固定靶上的大型磁谱仪拥有的子探测器类型都十分相似，但布局却大相径庭。前者各子探测器紧紧包围对撞点，有接近4π的接收立体角。后者各子探测器从靶往外，沿着束流下游方向层层排开，具有较小的立体角。磁谱仪选用的子探测器类型和组合方式，视物理目标、工作能区的不同而异。下面介绍几种大型磁谱仪中常见的子探测器及其功能。

3.1.顶点探测器

测量寿命为秒的粒子（如介子、D介子、B介子）衰变顶点的位置，安排在紧靠相互作用点的地方。气体型的顶点探测器其位置分辨率约为100微米。近年来普遍采用的硅微条探测器位置分辨率极好，可达几微米。

3.2.中心径迹室

能给出带电粒子的径迹，配合外加场，测量粒子偏转半径可得到粒子动量。它同时还给出粒子单位长度的电离能量损失（dE/dx），提供粒子鉴别信息。

常见的有圆柱形漂移室和时间投影室。圆柱形漂移室按单元结构可分喷注型和小单元型两种。前者有较均匀的电场分布，后者有较小的漂移电子扩散。为了减小多次散射的影响，近期常采用轻物质的丝和工作气体。时间投影室对多径迹的读出十分有利。中心径迹室的位置分辨率约为70~100微米，dE/dx分辨率为5％~7%。在更高能量的对撞机LHC上的大型磁谱仪，径迹室使用硅微条探测器和相素探器，位置分辨率可达十几个微米。

3.3.飞行时间计数器

可测量带电粒子的飞行时间（速度)，若与动量信息配合，便成为分辨强子（π、K、p）的重要手段。此外，它还有触发和排除宇宙线的功能。

最常用的是塑料闪烁计数器。塑料闪烁体有发光时间短、光产额高和光衰减长度长等优点，再结合快时间的光电倍增管，可得到较理想的时间特性。抗磁场的快光电倍增管，在强磁场下可直接与闪烁体耦合，减少了光传输损失，提高了时间分辨率。大面积闪烁计数器已可做到1皮秒的时间分辨率。

有一些实验室正在进行将多间隙阻板室作为大面积飞行时间计数器的尝试。时间分辨率可达60皮秒。它的建造工艺简单，价格低廉，如果能经受长期稳定性的考验，将不失为一种有前景的飞行时间计数器。

3.4.切伦科夫计数器

探测高速（超过光在同样介质的传播速度）带电粒子产生的

切伦科夫辐射方向，从而确定粒子的速度。再加上动量信息，可提供高动量范围的e、π、K、p的鉴别。常用的有：环形成像切伦科夫计数器、内反射切伦科夫探测器及以气凝硅胶为辐射体的切伦科夫计数器。

3.5.穿越辐射探测器

测量高速带电粒子穿过不同介质表面产生的穿越辐射强度，确定粒子运动的洛伦兹因子配合动量的信息，可提供高值的电子和强子的分辨手段。辐射体为多层有机薄膜或轻金属箔。辐射光的探测常用充氙气的多丝正比室或稻草管。辐射体与探测部件相互交叠组成探测器。

3.6.电磁量能器

利用γ光子和等在介质中会产生电磁簇射的原理制成的探测器。通过测量电磁簇射次级粒子的沉积能量，得到γ光子和等的能量，因此它又称簇射计数器。它是鉴别γ光子和等电磁作用粒子与其他种类粒子的主要探测器。

由成块无机晶体，如碘化钠、碘化铯、氟化钡、锗酸铋、钨酸铅分别组成全吸收型的电磁量能器，有好的能量分辨率，但价格也十分昂贵。由于碘化铯品体的综合指标较理想，现已广泛被采用。光探测多用硅光二极管。碘化铯可达到2％（相对1吉电子伏）左右的能量分辨率。

3.7.取样型电磁量能器

由于其粒子能量只有少部分沉积在取样探测器中，大部分被吸收体所吸收，因而能量分辨率不可能太好，通常为10%~25％（相对于1吉电子伏）。位置分辨率也是电磁量能器的一个重要指标，对于γ光子和（衰变为两个γ光子）的区分十分重要。γ光子和的入射方向是由簇射产生的横向分布重心得到的。

3.8.强子量能器

利用强子在介质中产生强子簇射的原理制成的探测器。通过测量强子簇射次级粒子的沉积能量，可得到强子的能量。它是鉴别强子（如π、K、p)和其他种类粒子的主要探测器。它可测量带电粒子，也能测量中性强子，如中子等。高能强子在介质中的核作用长度较长，很难像电磁量能器那样做成全吸收型的强子量能器，通常都是做成取样型的，其能量分辨率为30％~60％（相当于1吉电子伏）。

3.9.μ子计数器

通过测量子的方向、位置和动量，以区别子和其他种类粒子的探测器。通常放在磁谱仪的最外层，原因是μ子穿透力强，只有它才能穿过这么多物质后抵达这里。计数器也是由取样探测器和吸收体两部分组成。取样探测器有多种选择，而吸收体往往与磁体轭铁合二为一。

3.10.亮度监测器

工作在对撞机磁谱仪上测量对撞亮度（对撞机的一个参数，与对撞后粒子产额成正比）的探测器。以正负电子对撞机上的亮度监测器为例，由靠近束流管道小角度位置上的四组对称的探测器组成。每组探器分别由闪烁计数器和小型电磁量能器构成。通过测量每组探凿器的计数率，得到小角度正负电子散射事例率来推算出亮度。

3.11.线圈和磁铁

提供大体积的均匀磁场，使带电粒子在磁场下偏转。通过中心径迹室对径迹的测量，得到粒子的轨道偏转半径，从而求出粒子动量。工作在对撞机上的大型磁谱仪，较多使用螺线管线圈，以获得磁力线与束流方向平行的磁场。但也有使用其他形式的线圈，得到偶极磁场或环形磁场。

20世纪70~80年代开始使用超导磁场代替常规磁场。可获得更高的磁场强度1~2特），改善了粒子的动量分辨率。随着粒子能量的增加，所需的磁场强度更高，如2006年运行的CMS磁谱仪拟采用4特的超导磁场。对撞机上的磁谱仪，线圈外面是层层软铁，既是电磁体又是磁谱仪支架，往往还是μ子计数器或强子量能器的吸收体。

4.信息的处理和分析

从各子探测器输出的大量信息还要经过如下的复杂处理和分析过程才能变成有用数据，最终还原为所研究的物理事件，获得有意义的物理成果。

4.1.触发判选系统

通常加速器产生的事例率很高并伴随着大量的本底。触发判选系统的任务是选择满足物理条件的好事例后才启动，过滤、压缩不需要的本底事例。此过程需在尽可能短的时间内完成。触发常分几级进行，对本底事例逐步压缩，直至总事例率在处理允许的范围内。

4.2.电子学系统

紧连接探测器之后，将电脉冲形式的信号进行放大、成形以及各种逻辑处理，进行数字化，将信息暂存并作数据预处理。为了适应处理越来越大的信息量，电子学系统往越来越快的方向发展。随着磁谱仪规模越来越大，电子学道数的增长十分惊人。20世纪90年代的道数为十万量级，到21世纪初已达亿量级。

4.3.数据获取和在线分析

对电子学系统的信号进行快速处理并以数字信息形式记录下来。给出反映探测器性能的各种统计图形及所获事例的分类统计图形，实现对探测器与电子学工作状态的监测。为了提高数据获取速度，采用了一系列新技术，如多数据缓冲、并行处理、总线高速读出和网络传输等。

4.4.离线数据分析

将在线机上记录下来的数据在离线计算机上进行分析与处理。把数据还原为粒子种类、能量、动量等物理量。离线数据分析一般包括蒙特卡罗模拟和事例重建、显示和物理分析等部分。

随着数据信息量的增大，离线数据分析所需计算机处理能力越来越大。2006年运行的大型强子对撞机（LHC）拥有1000台KS195中央处理机能力。磁带处理能力为@#%#￥@%#%字节。为了满足高能物理合作日趋国际化的需要，当前发展的WWG网络提供了更方便的计算机共享机会。

5.功能和应用

自大型磁谱仪诞生之日起，在粒子探测方面就显示出综合性能的优势。30多年来，在它上面作出了许多重要成果，如一些重要粒子的发现（、I、、顶夸克等，其中、、发现获诺贝尔物理学奖），电弱统一模型的精确测量以及量子色动力学模型的检验等。

大型磁谱仪还在其他领域诸如天体物理学、宇宙学的研究中有重要应用。如1998年6月20搭载在美国发现号航天飞机上升空的阿尔法磁谱仪（AMS），其任务是寻找宇宙中的反物质和暗物质，精确测量宇宙中各种同位素的丰度和高能γ射线。AMS的建造借鉴于大型磁谱仪的高新技术，其研究领域已拓广至粒子物理研究之外了。

摘自：《中国大百科全书（第2版）》第4册，中国大百科全书出版社，2009年