切倫科夫計數器

切倫科夫計數器

正文

一種能記錄微弱的切倫科夫輻射，又能分辨輻射的傳播方向，用以確定帶電粒子速度的探測裝置。帶電粒子在均勻介質中誘發的切倫科夫輻射的特性和帶電粒子的速度密切相關，這種關係可以用下式來描述

θ為輻射傳播方向與粒子飛行方向的夾角,稱為輻射的半錐角υ＝βc為帶電粒子的速度；n為輻射介質的折射率。當時,才能產生切倫科夫輻射。在介質的折射率選定時，輻射的半錐角θ 隨著帶電粒子速度增加而增大，單位長度上輻射的光子數目也隨著增加。1955年，美國物理學家就是利用切倫科夫計數器的組合，從具有一定動量的π介子束中發現反質子的。

π介子及反質子-內部結構模型圖

切倫科夫計數器的基本組成包括：輻射介質、光收集系統和光探測器。人們通常把切倫科夫計數器分為閾式和微分式兩種。
閾式切倫科夫計數器　圖a是一個典型的閾式切倫科夫計數器的原理圖。帶電粒子沿著計數器的軸線掠過輻射介質，當粒子速度

時，粒子誘發的切倫科夫輻射分別以不同的半錐角傳播，不同的半錐角對應著不同的粒子速度。閾式切倫科夫計數器的光收集系統可以把不同半錐角的輻射會聚到光子探測器（如光電倍增管）上，而光子探測器則將所收集到的輻射轉換成可觀測的信號。因此，只要帶電粒子的速度超過某一選定的閾速度 βo(n)〔可以調節輻射介質的折射率n，來改變計數器的閾速度βo(n)〕，計數器就輸出一個計數。這種計數器是對入射粒子束中速度超過βo(n) 的帶電粒子數目做累積計數，因而也稱這種計數器為積分式切倫科夫計數器。

切倫科夫計數器

微分式切倫科夫計數器　圖b是一個典型的微分式切倫科夫計數器的原理圖。光收集系統包括半徑為R 的球面鏡和半徑可調的環狀光闌。速度在βi到βi±Δβi之間的帶電粒子在各個瞬時位置發射的切倫科夫輻射形成半錐角為θi到θi±Δθi的光錐。球面鏡將這光錐會聚在其焦平面上，形成平均半徑為ri＝ftgθi的光環。調節焦平面上環狀光闌的半徑，使半徑為ri的輻射光環投射在光電倍增管的陣列上，光電倍增管給出可觀察的信號。如果帶電粒子速度它們誘發的切倫科夫輻射光環半徑偏離環狀光闌的孔徑，光電倍增管記錄不到這種粒子誘發的輻射。因此，這種計數器只記錄粒子束中速度在βi－Δβi<β<βi＋Δβi區間內的帶電粒子。
輻射介質可以是氣體、液體和固體，但應具有對輻射色散小、透明度好的光學特性，而且要求它們有低的螢光背景。
速度解析度Δβ/β和探測效率是切倫科夫計數器最主要的性能指標。典型的氣體閾式切倫科夫計數器在足夠高的探測效率條件下，速度解析度約為10-5 ～10-6 。氣體微分式切倫科夫計數器,若經過光學系統的色差校正,速度解析度可達約 10-7 ，而且有足夠高的探測效率。
切倫科夫計數器在原子核物理和粒子物理髮展史上起過重要作用。它是實驗物理中一種套用廣泛的粒子探測器。

配圖

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