強子量能器

強子量能器（hadron calorimeter）是測量高能強子（帶電的和中性的）的能量，並據此區分強子和其他種類粒子的探測器。它是根據強子級聯簇射的特點設計的，通過記錄強子級聯簇射的次級強子的能量沉積和這種沉積的空間分布，從而測定入射強子（包括中性強子）的能量和入射方向。

基本介紹

• 中文名：強子量能器
• 外文名：hadron calorimeter
• 特徵：測量高能強子能量的探測器 
• 儀器：根據強子級聯簇射的特點設計
• 測定：通過記錄能量沉積及其空間分布

原理

高能強子進入介質時，和原子核發生彈性或非彈性散射（後者以多重產生為主），產生多個次級粒子，它們又和介質的原子核產生相互作用，如此反覆進行。這種過程稱為強子簇射（級聯）。在此過程中有的次級粒子如中性π⁰介子會衰變為兩個γ光子（π⁰→2γ），也可在介質中產生電磁簇射。強子量能器記錄和測量強子簇射過程（也包括少部分電磁簇射）產生次級粒子的總能量沉積，從而得到入射強子能量。入射強子方向可通過測量能量沉積的橫向分布重心來確定。高能強子在介質中的核作用長度較長，不可能像電磁量能器那樣做成全吸收型的強子量能器，通常都是取樣型的；但其結構與電磁量能器卻十分相似。取樣探測器常見的有塑膠閃爍計數器、漂移室、流光室（管）、阻性板室（RPC）和陰極條室（CSC）等。吸收體常用鐵、銅、鉛板，也有用鈾板的。鈾板可俘獲簇射過程中產生的快中子發生的裂變，減少中子的泄漏，改善能量回響和能量解析度。

技術手段

為了將簇射產生的次級粒子儘可能多地收集到，選取足夠厚的介質是十分必要的。介質的縱向尺寸L常用如下公式估算：

L≈(0.2lnE+0.7)λ₀

E是以吉電子伏為單位的強子能量，λ₀為介質的核作用長度。
強子量能器的能量解析度在30%—60%（相對於1吉電子伏）之間。探測高能粒子的大型磁譜儀通常都包括強子量能器，提供鑑別強子的手段。

儀器結構

強子量能器與取樣型電子光子簇射計數器相似，只是取樣的媒質材料和取樣厚度的選擇不同。強子取樣量能器通常選用核吸收長度小而輻射長度適中的材料（常用鐵，λ₀=17.1厘米）為簇射媒質，並選擇適當的取樣厚度 ，使它們不僅對次級強子的取樣合理，而且還滿足對次級粒子中電磁分量的取樣要求。
強子量能器設計尺寸取決於吸收全部（約95%）簇射次級粒子所需的媒質的線度，它的深度 L(λ₀)≈lnE₀，E₀為入射強子的能量，以吉電子伏為單位。強子量能器的尺寸通常比電子光子簇射計數器的大。
強子級聯簇射中有許多隨機過程，存在各種統計漲落因素，如第一次多重產生發生的位置、次級強子中π⁰所占的比例等的漲落。這些因素直接決定了量能器的能量解析度和空間解析度。強子級聯簇射過程中的統計漲落比電磁級聯簇射過程的大得多，所以強子量能器的能量解析度和空間解析度等性能一般比電子光子簇射計數器的差 ，但是能量解析度隨入射強子能量的增加而改善（σ_e/E₀∝1/E^1/2，σ_e為測量能量的標準偏差）。

儀器測量

用強子量能器通過測量強子簇射在各個取樣探測元件中的能量沉積來測量能量，通過分析能量沉積的橫向分布重心來確定入射強子的方向，用它不僅可對帶電強子進行測量，也可對中性強子進行測量。一個適中規模的強子量能器，其能量的測量範圍可以覆蓋幾個量級。這幾點都是磁譜儀無法實現的。隨著加速器能量的提高，強子量能器的優點會更突出，它是一種有潛力的高能物理實驗的重要設備。