大型磁譜儀

大型磁譜儀，由多種子探測器和線圈、磁鐵組成的基本粒子探測裝置。具有多功能的特點，是高能物理實驗最常用的大型綜合性設備。

基本介紹

• 中文名：大型磁譜儀
• 釋義：由多種子探測器和線圈、磁鐵組成的基本粒子探測裝置

發展簡史

20世紀60年代末70年代初，在固定靶實驗和對撞機實驗裝置上相繼出現了由多種探測器組成的磁譜儀，它可同時測量粒子的多種性能[如電荷、質量、自旋、宇稱、衰變寬度(壽命)等]以及粒子的多種運動學參量(如能量、動量、速度等)，具有較好的粒子分辨本領，比以往只具有單一功能的探測器顯示出不可比擬的優點。以後，隨著探測粒子能量的提高和對探測器測量精度的需求，磁譜儀規模越來越大，指標越來越先進，技術越來越成熟，在高能物理研究中發揮著越來越重要的作用。

工作原理

高能物理研究的對象是比原子、分子小几個量級的基本粒子，即使使用當前最大倍數的顯微鏡也無法觀察到它們，只能藉助各種間接手段對它們進行了解和研究，其中最重要的工具就是探測器。其原理是：利用這些粒子與物質相互作用而產生的某些效應得到極微弱的信號，以電脈衝的形式收集並經過放大，成為可測量、可分析的信息。通過對這些信息的處理，便可得知這些粒子的特性。已發現的數百種粒子各具特性，但絕大多數是不穩定的，在探測器中還未來得及留下徑跡就已衰變。那些衰變後的末態粒子會在探測器中留下徑跡和其他信息。通過測量末態粒子的運動學參量，便可推算出原初粒子的特性。在探測器中常見的末態粒子有：γ光子、正負電子(e±)、μ子(μ±)、荷電π介子(π±)、荷電子K介子(K±)、質子(p)和反質子()等。其中γ、e±、p()都是穩定粒子。μ±、π±、K±雖然不穩定，但壽命都在10−8～10−6秒。它們都可在通常的探測器尺度(米)範圍內不衰變而留下徑跡和有用信息。對其他數百種粒子的探測最終可歸結為對上述數種粒子的觀測。觀測的前提是首先鑑別它們。鑑別的方法有二：一是測量粒子固有的靜止質量；二是區別不同種類粒子所顯示的與物質相互作用的不同特性。對前者往往是測量粒子的運動學參量，如能量(E)、動量(p)、速度(v)、洛倫茲因子：以及單位長度的電離能量損失(dE/dx)等，從其中的兩個參量(如已知動量p=m0vγ)，再知道v或γ則可求出粒子的靜止質量m0。對後者常常利用一些相互作用特徵：如γ光子、e±會產生電磁簇射；強子(π、K、p)會產生強子簇射；μ子穿透性強，有很大的射程。在大型磁譜儀中，每一個子探測器都有其主要任務，綜合起來可達到粒子分辨、運動學參量等的測量。

大型磁譜儀結構　

工作在對撞機上和固定靶上的大型磁譜儀擁有的子探測器類型都十分相似，但布局卻大相逕庭。前者各子探測器緊緊包圍對撞點，有接近4π的接收立體角。後者各子探測器從靶往外，沿著束流下遊方向層層排開，具有較小的立體角。磁譜儀選用的子探測器類型和組合方式，視物理目標、工作能區的不同而異。下面介紹幾種大型磁譜儀中常見的子探測器及其功能。頂點探測器　測量壽命為10−12～10−9秒的粒子(如Ks0介子、D介子、B介子)衰變頂點的位置，安排在緊靠相互作用點的地方。氣體型的頂點探測器其位置解析度約為100微米。近年來普遍採用的矽微條探測器位置解析度極好，可達幾微米。

中心徑跡室　

能給出帶電粒子的徑跡，配合外加磁場，測量粒子偏轉半徑可得到粒子動量。它同時還給出粒子單位長度的電離能量損失(dE/dx)，提供粒子鑑別信息。常見的有圓柱形漂移室和時間投影室。圓柱形漂移室按單元結構可分噴注型和小單元型兩種。前者有較均勻的電場分布，後者有較小的漂移電子擴散。為了減小多次散射的影響，近期常採用輕物質的絲和工作氣體。時間投影室對多徑跡的讀出十分有利。中心徑跡室的位置解析度約為70～100微米，dE/dx解析度為5%～7%。在更高能量的對撞機LHC上的大型磁譜儀，徑跡室使用矽微條探測器和相素探測器，位置解析度可達十幾個微米。飛行時間計數器　可測量帶電粒子的飛行時間(速度)，若與動量信息配合，便成為分辨強子(π、K、p)的重要手段。此外，它還有觸發和排除宇宙線的功能。最常用的是塑膠閃爍計數器。塑膠閃爍體有發光時間短、光產額高和光衰減長度長等優點，再結合快時間的光電倍增管，可得到較理想的時間特性。

抗磁場的快光電倍增管，在強磁場下可直接與閃爍體耦合，減少了光傳輸損失，提高了時間解析度。大面積閃爍計數器已可做到100皮秒的時間解析度(見飛行時間計數器)。有一些實驗室正在進行將多間隙阻性板室作為大面積飛行時間計數器的嘗試。時間解析度可達60皮秒。它的建造工藝簡單，價格低廉，如果能經受長期穩定性的考驗，將不失為一種有前景的飛行時間計數器。

切倫科夫計數器　

探測高速(超過光在同樣介質的傳播速度)帶電粒子產生的切倫科夫輻射方向，從而確定粒子的速度。再加上動量信息，可提供高動量範圍的e、π、K、p的鑑別。常用的有：環形成像切倫科夫計數器、內反射切倫科夫探測器及以氣凝矽膠為輻射體的切倫科夫計數器。穿越輻射探測器　測量高速帶電粒子穿過不同介質表面產生的穿越輻射強度，確定粒子運動的洛倫茲因子γ。配合動量的信息，可提供高γ值的電子和強子的分辨手段。輻射體為多層有機薄膜或輕金屬箔。輻射光的探測常用充氙氣的多絲正比室或稻草管。輻射體與探測部件相互交疊組成探測器(見穿越輻射探測器)。電磁量能器　利用γ光子和e±等在介質中會產生電磁簇射的原理製成的探測器。通過測量電磁簇射次級粒子的沉積能量，得到γ光子和e±等的能量，因此它又稱簇射計數器。它是鑑別γ光子和e±等電磁作用粒子與其他種類粒子的主要探測器。由成塊無機晶體，如碘化鈉、碘化銫、氟化鋇、鍺酸鉍、鎢酸鉛分別組成全吸收型的電磁量能器，有好的能量解析度，但價格也十分昂貴。由於碘化銫晶體的綜合指標較理想，現已廣泛被採用。光探測多用矽光二極體。碘化銫可達到2%(相對1吉電子伏)左右的能量解析度。

取樣型電磁量能器　

由於其粒子能量只有少部分沉積在取樣探測器中，大部分被吸收體所吸收，因而能量解析度不可能太好，通常為10%～25%(相對於1吉電子伏)。位置解析度也是電磁量能器的一個重要指標，對於γ光子和π0(衰變為兩個γ光子)的區分十分重要。γ光子和e±的入射方向是由簇射產生的橫向分布重心得到。

強子量能器　

利用強子在介質中產生強子簇射的原理製成的探測器。通過測量強子簇射次級粒子的沉積能量，可得到強子的能量。它是鑑別強子(如π、K、p)和其他種類粒子的主要探測器。它可測量帶電粒子，也能測量中性強子，如中子等。高能強子在介質中的核作用長度較長，很難像電磁量能器那樣做成全吸收型的強子量能器，通常都是做成取樣型的，其能量解析度為30%～60%(相當於1吉電子伏)。

μ子計數器　

通過測量μ子的方向、位置和動量，以區別μ子和其他種類粒子的探測器。通常放在磁譜儀的最外層，原因是μ子穿透力強，只有它才能穿過這么多物質後抵達這裡。計數器也是由取樣探測器和吸收體兩部分組成。取樣探測器有多種選擇，而吸收體往往與磁體軛鐵合二為一。

亮度監測器　

工作在對撞機磁譜儀上測量對撞亮度(對撞機的一個參數，與對撞後粒子產額成正比)的探測器。以正負電子對撞機上的亮度監測器為例，由靠近束流管道小角度位置上的四組對稱的探測器組成。每組探測器分別由閃爍計數器和小型電磁量能器構成。通過測量每組探測器的計數率，得到小角度正負電子散射事例率來推算出亮度。表1　已運行或停止運行的主要大型磁譜儀磁譜儀名稱所在對撞機名稱對撞機類型束流能量(GeV)所在國家或地區（實驗室）CDM−2VEPP–2Me＋e−0.7俄羅斯（BNPI）SND同上同上同上同上KLOEDAΦNEe＋e−0.7義大利（Frascati）BES（北京譜儀）BEPC（北京正負電子對撞機）e＋e−2.5中國（中科院）CLEOCESRe＋e−6美國（Cornell）BelleKEK–Be＋e−3.5×8日本（KEK）BaBarPEP–Ⅱe＋e−3.1×9美國（SLAC）SLD*SLCe＋e−50同上ALEPH*LEPe＋e−101歐洲（CERN）DELPHI*同上同上同上同上L5*同上同上同上同上OPAL*同上同上同上同上H2HERAep30×920德國（DESY）Zeus同上同上同上同上CDFTEVATRONp1000美國（FNL）D0同上同上同上同上PHENIXRHIC重離子對撞200/粒子美國（BNL）STAR同上同上同上同上　*磁譜儀已於2006年停止運行。

線圈和磁鐵　

提供大體積的均勻磁場，使帶電粒子在磁場下偏轉。通過中心徑跡室對徑跡的測量，得到粒子的軌道偏轉半徑，從而求出粒子動量。工作在對撞機上的大型磁譜儀，較多使用螺線管線圈，以獲得磁力線與束流方向平行的磁場。但也有使用其他形式的線圈，得到偶極磁場或環形磁場。20世紀70～80年代開始使用超導磁場代替常規磁場。可獲得更高的磁場強度(1～2特)，改善了粒子的動量解析度。隨著粒子能量的增加，所需的磁場強度更高，如2006年運行的CMS磁譜儀擬採用4特的超導磁場。對撞機上的磁譜儀，線圈外面是層層軟鐵，既是電磁體又是磁譜儀支架，往往還是μ子計數器或強子量能器的吸收體。

信息的處理和分析　

從各子探測器輸出的大量信息還要經過如下的複雜處理和分析過程才能變成有用數據，最終還原為所研究的物理事件，獲得有意義的物理成果。觸發判選系統通常加速器產生的事例率很高並伴隨著大量的本底。觸發判選系統的任務是選擇滿足物理條件的好事例後才啟動，過濾、壓縮不需要的本底事例。此過程需在儘可能短的時間內完成。觸發常分幾級進行，對本底事例逐步壓縮，直至總事例率在處理允許的範圍內。

電子學系統　

緊連線探測器之後，將電脈衝形式的信號進行放大、成形以及各種邏輯處理，進行數位化，將信息暫存並作數據預處理。為了適應處理越來越大的信息量，電子學系統往越來越快的方向發展。隨著磁譜儀規模越來越大，電子學道數的增長十分驚人。20世紀90年代的道數為十萬量級，到21世紀初已達億量級。

數據獲取和線上分析　

對電子學系統的信號進行快速處理並以數字信息形式記錄下來。給出反映探測器性能的各種統計圖形及所獲事例的分類統計圖形，實現對探測器與電子學工作狀態的監測。為了提高數據獲取速度，採用了一系列新技術，如多數據緩衝、並行處理、匯流排高速讀出和網路傳輸等。

離線數據分析　

將線上機上記錄下來的數據在離線計算機上進行分析與處理。把數據還原為粒子種類、能量、動量等物理量。離線數據分析一般包括蒙特卡羅模擬(見蒙特卡羅方法)和事例重建、顯示和物理分析等部分。隨著數據信息量的增大，離線數據分析所需計算機處理能力越來越大。2006年運行的大型強子對撞機(LHC)擁有1 000台KS195中央處理機能力。磁帶處理能力為3×1015位元組。為了滿足高能物理合作日趨國際化的需要，當前發展的WWG網路提供了更方便的計算機共享機會。

功能和套用　

自大型磁譜儀誕生之日起，在粒子探測方面就顯示出綜合性能的優勢。30多年來，在它上面作出了許多重要成果，如一些重要粒子的發現(J/ψ、Ι、W±、Z0、頂夸克等，其中J/ψ、W±、Z0發現獲諾貝爾物理學獎)，電弱統一模型的精確測量以及量子色動力學模型的檢驗等。大型磁譜儀還在其他領域諸如天體物理學、宇宙學的研究中有重要套用。如1998年6月2日搭載在美國發現號太空梭上升空的阿爾法磁譜儀(AMS)，其任務是尋找宇宙中的反物質和暗物質，精確測量宇宙中各種同位素的豐度和高能γ射線。AMS的建造借鑑於大型磁譜儀的高新技術，其研究領域已拓廣至粒子物理研究之外了。國際上新發展的大型磁譜儀見表1、表2。表2　2007年後運行的主要大型磁譜儀磁譜儀名稱所在對撞機名稱對撞機類型束流能量(TeV)所在國家或地區（實驗室）ATLASLHCpp8～20歐洲（CERN）CMSLHCpp8～20同上LHCBLHCpp8～20同上ALICELHC重離子對撞同上