粒子探測(cè)技術(shù)

前言

探索物質(zhì)的基本構(gòu)成及粒子間的相互作用一直是物理學(xué)研究的前沿。物理學(xué)家利用離子或粒子加速器來產(chǎn)生一定能量的粒子束，并使粒子束和靶粒子碰撞，用各種粒子探測(cè)器測(cè)量碰撞的反應(yīng)產(chǎn)物。各種反應(yīng)產(chǎn)物可以是帶電粒子，不帶電的中性粒子以及電磁輻射的場(chǎng)量子。如何精確地探測(cè)這些粒子的產(chǎn)額和分布是粒子物理和核物理研究的重要課題之一。探測(cè)技術(shù)和方法的研究和發(fā)展，導(dǎo)致了物理學(xué)中許多的重大發(fā)現(xiàn)。它不僅在粒子物理和核物理，而且在醫(yī)學(xué)物理、天文物理、考古和地質(zhì)勘探等學(xué)科有廣泛的應(yīng)用?！读Ｗ犹綔y(cè)技術(shù)》是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)理學(xué)院物理類本科生專業(yè)基礎(chǔ)選修課及核與粒子物理學(xué)科研究生學(xué)位課程的教材。本書主要介紹微觀粒子和輻射與物質(zhì)相互作用的物理機(jī)制，粒子和輻射的探測(cè)原理，主要類型粒子探測(cè)器的工作原理、構(gòu)造、性能和應(yīng)用。附錄中有輻射和輻射防護(hù)的基本知識(shí)和常用放射性核素的特性。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，在實(shí)際應(yīng)用中大量使用的是電子記錄的探測(cè)儀器。早期基于照相和顯微掃描技術(shù)一些徑跡探測(cè)器，如云霧室、氣泡室，盡管它們?cè)诹Ｗ游锢戆l(fā)展中的一些重大發(fā)現(xiàn)起了關(guān)鍵作用，但現(xiàn)在已很少應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)，為了適應(yīng)原子核物理和粒子物理的實(shí)驗(yàn)規(guī)模和測(cè)量精度的要求，粒子和輻射探測(cè)在技術(shù)和方法上出現(xiàn)了很多新的研究成果。本書作者在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)長期講授“粒子探測(cè)技術(shù)”和“粒子物理實(shí)驗(yàn)方法”課程，并長期從事在原子核和粒子物理實(shí)驗(yàn)研究及粒子和輻射探測(cè)器的研制和應(yīng)用研究。

內(nèi)容概要

　　《粒子探測(cè)技術(shù)》是物理類本科生專業(yè)基礎(chǔ)選修課及核與粒子物理學(xué)科研究生學(xué)位課程的教材，主要介紹微觀粒子和輻射與物質(zhì)相互作用的物理機(jī)制，粒子和輻射的探測(cè)原理，主要類型粒子探測(cè)器的工作原理、構(gòu)造、性能和應(yīng)用，并在附錄中介紹了輻射和輻射防護(hù)的基本知識(shí)及常用放射性核素的特性。

書籍目錄

總序前言第1章 粒子簡介1.1 構(gòu)成世界的基本粒子1.2 粒子的分類1.3 粒子的壽命1.4 重離子參考文獻(xiàn)習(xí)題第2章 粒子探測(cè)的物理基礎(chǔ)2.1 帶電粒子和物質(zhì)的相互作用2.1.1 電離和激發(fā)能量損失2.1.2 多次散射2.1.3 輻射能量損失2.1.4 切倫科夫輻射2.1.5 穿越輻射2.1.6 電磁相互作用引起的能量損失2.2 光子和物質(zhì)的相互作用2.2.1 光電效應(yīng)2.2.2 康普頓效應(yīng)2.2.3 對(duì)產(chǎn)生2.2.4 光子總截面2.2.5 電磁簇射2.3 強(qiáng)子和物質(zhì)的強(qiáng)相互作用2.3.1 強(qiáng)相互作用簡介2.3.2 中子與物質(zhì)的相互作用參考文獻(xiàn)習(xí)題第3章 粒子探測(cè)中的統(tǒng)計(jì)規(guī)律3.1 誤差基本概念3.1.1 誤差介紹3.1.2 有效數(shù)字3.1.3 粒子探測(cè)中的統(tǒng)計(jì)誤差3.1.4 算術(shù)平均值和真實(shí)值3.2 統(tǒng)計(jì)分布3.2.1 二項(xiàng)式分布3.2.2 泊松分布3.2.3 高斯分布3.3 統(tǒng)計(jì)誤差3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)誤差3.3.2 標(biāo)準(zhǔn)誤差的物理意義3.3.3 計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)誤差3.3.4 誤差演算公式3.3.5 非等精度測(cè)量3.4 測(cè)量數(shù)據(jù)的審查3.5 計(jì)數(shù)時(shí)間或源強(qiáng)的選擇3.6 電離過程中的統(tǒng)計(jì)漲落和能量分辨率3.6.1 能量分辨率3.6.2 法諾因子修正參考文獻(xiàn)習(xí)題第4章 氣體探測(cè)器4.1 氣體探測(cè)器的測(cè)量原理4.1.1 帶電粒子在氣體中的能量損失和統(tǒng)計(jì)規(guī)律4.1.2 產(chǎn)生電子一離子對(duì)的能量4.1.3 電子和離子在氣體中的運(yùn)動(dòng)4.1.4 電荷收集過程和工作模式4.2 三種基本的氣體探測(cè)器4.2.1 電離室4.2.2 正比計(jì)數(shù)器4.2.3 G-M計(jì)數(shù)器4.3 氣體多絲室4.3.1 多絲正比室4.3.2 多絲漂移室4.3.3 時(shí)間投影室4.4 平行板電極型氣體探測(cè)器4.4.1 火花室和平行板室4.4.2 電阻板室和多氣隙電阻板4.5 微電極型氣體探測(cè)器4.5.1 微電極氣體探測(cè)器的工作原理和特性4.5.2 微電極氣體探測(cè)器的性能參數(shù)4.5.3 微電極型氣體探測(cè)器的應(yīng)用4.5.4 氣體探測(cè)器的工作壽命參考文獻(xiàn)習(xí)題第5章 半導(dǎo)體探測(cè)器5.1 半導(dǎo)體探測(cè)器的工作原理5.1.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí)5.1.2 PN結(jié)5.1.3 半導(dǎo)體探測(cè)器的工作原理5.2 半導(dǎo)體探測(cè)器的種類5.2.1 PN結(jié)型半導(dǎo)體探測(cè)器5.2.2 鋰漂移型半導(dǎo)體探測(cè)器5.2.3 高純鍺半導(dǎo)體探測(cè)器5.2.4 全耗盡型半導(dǎo)體探測(cè)器5.2.5 化合物半導(dǎo)體探測(cè)器5.2.6 特殊類型的半導(dǎo)體探測(cè)器5.3 徑跡測(cè)量的半導(dǎo)體探測(cè)器5.3.1 硅微條探測(cè)器5.3.2 電荷耦合器件5.3.3 硅像素探測(cè)器5.3.4 硅漂移探測(cè)器5.4 半導(dǎo)體探測(cè)器的主要參數(shù)5.4.1 窗厚5.4.2 靈敏區(qū)厚度5.4.3 結(jié)電容5.4.4 正反向電流特性5.4.5 能量分辨率和線性5.4.6 位置分辨5.4.7 脈沖波形和上升時(shí)間5.4.8 輻照效應(yīng)5.4.9 信號(hào)讀出與電荷靈敏放大器5.5 半導(dǎo)體探測(cè)器的應(yīng)用5.5.1 在高能物理中的應(yīng)用5.5.2 在空間物理和宇宙線實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用5.5.3 在核醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用參考文獻(xiàn)思考題習(xí)題第6章 閃爍探測(cè)器第7章 切倫科夫計(jì)數(shù)器與穿越輻射探測(cè)器第8章 粒子探測(cè)系統(tǒng)附錄

章節(jié)摘錄

插圖：第1章　粒子簡介科學(xué)家追求新發(fā)現(xiàn)、理解大自然的根本動(dòng)力是好奇心，通過對(duì)自然的仔細(xì)思考和實(shí)驗(yàn)而獲得進(jìn)步。為了對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，必須首先記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。最簡單的裝置就是人類本身的感觀器官，但對(duì)于現(xiàn)代科學(xué)，這種“自然”的探測(cè)器要么靈敏度不夠，要么適用范圍不廣。以人眼為例，要產(chǎn)生視覺影像，需要至少20個(gè)光子，而一個(gè)光電倍增管可以容易地觀測(cè)單個(gè)光子；人眼觀察的光譜集中在可見光區(qū)（400～800 nm），即動(dòng)態(tài)范圍只有兩倍，而自然界的電磁波頻率從市電、廣播到微波、紅外輻射、可見光、紫外光、x射線和y射線，足足跨越了23個(gè)量級(jí)!由此可見，解決自然界的問題，大都需要精確的測(cè)量儀器或探測(cè)器，才能夠在各種動(dòng)態(tài)范圍獲得確實(shí)的結(jié)果。通過發(fā)展測(cè)量方法和探測(cè)器技術(shù)，人類強(qiáng)化和擴(kuò)展了自身的感觀能力。在許多情況下，需要采用新的、特定的探測(cè)器，而且通常不止一種測(cè)量。時(shí)至今日，還沒有一種多功能探測(cè)器能夠同時(shí)測(cè)量所需的所有參數(shù)。為了深入研究微觀領(lǐng)域的科學(xué)規(guī)律，人們需要“放大”器。放大的程度，或者說可觀測(cè)到的微觀尺度，由探測(cè)方法相應(yīng)的波長決定，例如若使用可見光去探測(cè)，精度約為0.5um。當(dāng)今粒子物理研究采用的“放大”器是各種加速器及其上的探測(cè)器。由于微觀粒子的波長和動(dòng)量成反比（德布羅意關(guān)系），因而動(dòng)量越高的粒子能夠探測(cè)的結(jié)構(gòu)越精細(xì)。目前，人類可分辨的空間尺度可達(dá)1011 cm，比光學(xué)顯微鏡高了十萬億（1013）倍。而在宇觀領(lǐng)域，為了研究宇宙的結(jié)構(gòu)，需要探測(cè)、記錄的能量范圍從約100 ueV（宇宙微波本底輻射水平）直至1020 eV（高能宇宙射線）。

編輯推薦

《粒子探測(cè)技術(shù)》由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社出版。

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