粒子物理之粒子探測器

粒子探測器是核物理、粒子物理研究及輻射應用中不可缺少的工具和手段。當粒子和探測器內的物質相互作用而產生某種資訊（如電、光脈衝或材料結構的變化），經放大後被記錄、分析，以確定粒子的數目、位置、能量、動量、飛行時間、速度、質量等物理量。

按照記錄方式，粒子探測器大體上分為計數器和徑跡室兩大類。

計數器類：以電脈衝的形式記錄、分析輻射產生的某種資訊。

氣體電離探測器——透過收集射線在氣體中產生的電離電荷來測量核輻射。主要型別有電離室、正比計數器和蓋革計數器。它們的結構相似，一般都是具有兩個電極的圓筒狀容器，充有某種氣體，電極間加電壓，差別是工作電壓範圍不同。電離室工作電壓較低，直接收集射線在氣體中原始產生的離子對。其輸出脈衝幅度較小，上升時間較快，可用於輻射劑量測量和能譜測量。正比計數器的工作電壓較高，能使在電場中高速運動的原始離子產生更多的離子對，在電極上收集到比原始離子對要多得多的離子對（即氣體放大作用），從而得到較高的輸出脈衝。脈衝幅度正比於入射粒子損失的能量，適於作能譜測量。蓋革計數器又稱蓋革-彌勒計數器或G-M計數器，它的工作電壓更高，出現多次電離過程，因此輸出脈衝的幅度很高，已不再正比於原始電離的離子對數，可以不經放大直接被記錄。它只能測量粒子數目而不能測量能量，完成一次脈衝計數的時間較長。

多絲室和漂移室——是正比計數器的變型。既有計數功能，還可以分辨帶電粒子經過的區域。多絲室有許多平行的電極絲，處於正比計數器的工作狀態。每一根絲及其鄰近空間相當於一個探測器，後面與一個記錄儀器連線。因此只有當被探測的粒子進入該絲鄰近的空間，與此相關的記錄儀器才記錄一次事件。為了減少電極絲的數目，可從測量離子漂移到絲的時間來確定離子產生的部位，這就要有另一探測器給出一起始訊號並大致規定了事件發生的部位，根據這種原理製成的計數裝置稱為漂移室，它具有更好的位置解析度（達50微米），但允許的計數率不如多絲室高。

半導體探測器——輻射在半導體中產生的載流子（電子和空穴），在反向偏壓電場下被收集，由產生的電脈衝訊號來測量核輻射。常用矽、鍺做半導體材料，主要有三種類型：

在n型單晶上噴塗一層金膜的面壘型；

在電阻率較高的p型矽片上擴散進一層能提供電子的雜質的擴散結型；

在p型鍺（或矽）的表面噴塗一薄層金屬鋰後並進行漂移的鋰漂移型。高純鍺探測器有較高的能量解析度，對γ輻射探測效率高，可在室溫下儲存，應用廣泛。砷化鎵、碲化鎘、碘化汞等材料也有應用。

閃爍計數器——透過帶電粒子打在閃爍體上，使原子（分子）電離、激發，在退激過程中發光，經過光電器件（如光電倍增管）將光訊號變成可測的電訊號來測量核輻射。閃爍計數器分辨時間短、效率高，還可根據電訊號的大小測定粒子的能量。閃爍體可分為三大類：

無機閃爍體，常見的有用鉈（Tl）啟用的碘化鈉NaI（Tl）和碘化銫CsI（Tl）晶體，它們對電子、γ輻射靈敏，發光效率高，有較好的能量解析度，但光衰減時間較長；鍺酸鉍晶體密度大，發光效率高，因而對高能電子、γ輻射探測十分有效。其他如用銀 （Ag）啟用的硫化鋅ZnS（Ag）主要用來探測α粒子；玻璃閃爍體可以測量α粒子、低能X輻射，加入載體後可測量中子；氟化鋇 （BaF2）密度大，有熒光成分，既適合於能量測量，又適合於時間測量。

有機閃爍體，包括塑膠、液體和晶體（如蒽、茋等），前兩種使用普遍。由於它們的光衰減時間短（2～3納秒，快塑膠閃爍體可小於1納秒），常用在時間測量中。它們對帶電粒子的探測效率將近百分之百。

氣體閃爍體，包括氙、氦等惰性氣體，發光效率不高，但光衰減時間較短（＜10納秒）。

切侖科夫計數器——高速帶電粒子在透明介質中的運動速度超過光在該介質中的運動速度時，則會產生切倫科夫輻射，其輻射角與粒子速度有關，因此提供了一種測量帶電粒子速度的探測器。此類探測器常和光電倍增管配合使用；可分為閾式（只記錄大於某一速度的粒子）和微分式（只選擇某一確定速度的粒子）兩種。

穿越輻射計數器——高速帶電粒子穿過兩種介質的介面會產生穿越輻射，其輻射能量與粒子能量成正比。在粒子速度極高，十分接近光速時，用飛行時間和契倫科夫計數器都無法透過分辨速度來鑑別粒子，而穿越輻射計數器提供了鑑別該能區高能粒子的新方法。

電磁量能器（或簇射計數器）——高能電子或γ光子在介質中會產生電磁簇射，其次級粒子總能量損失與入射粒子總能量成正比。因此，一旦收集到總能量損失即可確定粒子的總能量。電磁量能器分為全吸收型如碘化鈉（鉈）、鍺酸鉍、鉛玻璃等和取樣型兩種。後者由取樣計數器與鉛板交迭而成。取樣計數器可以是液氬電離室、塑膠閃爍計數器和多絲室。

強子量能器——高能強子在介質中會產生強子簇射。收集到總電離電荷即可確定強子總能量，通常採用閃爍計數器或多絲室與鐵（鈾）板交迭而成。

除上述常用的幾種計數器外，還有氣體正比閃爍室、自猝滅流光計數器，都是近期出現的氣體探測器，輸出脈衝幅度大，時間特性好。

徑跡室類：透過記錄、分析輻射產生的徑跡圖象測量核輻射。

核乳膠——能記錄帶電粒子單個徑跡的照相乳膠。入射粒子在乳膠中形成潛影中心，經過化學處理後記錄下粒子徑跡，可在顯微鏡下觀察。它有極佳的位置分辨本領（1微米），阻止本領大，功用連續而靈敏。

雲室和泡室——使入射粒子產生的離子集團在過飽和蒸氣中形成冷凝中心而結成液滴（雲室），在過熱液體中形成氣化中心而變成氣泡（泡室），用照相方法記錄，使帶電粒子的徑跡可見。泡室有較好的位置解析度（好的可達10微米），本身又是靶，目前常以泡室為頂點探測器配合計數器一起使用。

火花室和流光室——這些裝置都需要較高的電壓，當粒子進入裝置產生電離時，離子在強電場下運動，形成多次電離，增殖很快，多次電離過程中先產生流光，後產生火花，使帶電粒子的徑跡成為可見。流光室具有較好的時間特性。它們都具有較好的空間解析度（約200微米）。除了可用照相記錄粒子徑跡外，還可記錄電脈衝訊號，作為計數器用。

固體徑跡探測器——重帶電粒子打在諸如雲母、塑膠一類材料上，沿路徑產生損傷，經過化學處理（蝕刻）後，將損傷擴大成可在顯微鏡下觀察的空洞，適於探測重核。