二 高能探测器

要研究粒子的构造及其相互转化的规律，必须对这些产生出来的基本粒子进行观测分析，这时需要使用专门的仪器设备观察高能粒子和所发生的现象，即高能探测器。例如，记录粒子的数目，分辨粒子的种类和特性，测量高能粒子的飞出角度、路径、能量、动量和速度等。

高能探测器本质上是一类传感器，是利用探测介质的物理或化学性能进行工作的仪器。探测介质有固体、液体和气体等。高能探测器工作条件有的要求改变压力，有的要求加直流高电压，还有的要求加脉冲高电压，等等，不一而足。一般来说，当高能粒子通过探测器时，会使探测介质的原子发生某些物理过程，例如，高能粒子穿过某些液体介质时，会使液体的原子激发和电离，在其附近骤然沸腾形成气泡；高能粒子经过某些气体介质时，会使气体原子电离而产生电火花；高能粒子经过某些晶体时，会产生荧光；等等。这些气泡、电火花、荧光很容易被观测和记录下来，从而探测到高能粒子的存在和运动。

高能探测器因其工作原理、工作条件、探测介质，结构的不同，种类也是多种多样的。如果按记录和测量的方式来分，大致可分为径迹探测器和计数器两大类。径迹探测器类包括气泡室、核乳胶、火花室、流光室等，用来显示、观测、记录粒子运动的轨迹。计数器类也称电子学探测器，包括闪烁计数器、切伦科夫计数器等，用来记录粒子的数目。此外，近年来又研制出兼有上述两类仪器功能的新型探测器，它们既可以短时间内记录大量粒子的数目，又可以定出粒子的径迹，例如多丝正比室、漂移室等。

（一）气泡室

气泡室是 1952 年美国物理学家唐纳德·格拉泽（D.A.Glaser）发明的，是一种用以探测高能带电粒子径迹的粒子探测器（图 2-11）。当带电粒子通过过热液体（如氢、氦、丙烷）时，便会产生气泡，从而在探测器中显示出粒子走过的路径。在 20 世纪 50 年代以后，气泡室风行一时，曾带来许多重大的发现，如发现新粒子、共振态、弱中性流等，为高能物理学立下汗马功劳。唐纳德·格拉泽于 1960 年因发明气泡室获得诺贝尔物理学奖。

（二）盖革-米勒计数器

盖革-米勒计数器是用于探测电离辐射的粒子探测器，根据射线能使气体电离的特性制成，至今仍然是核物理与粒子物理实验室中敏锐的“眼睛”。盖革-米勒计数器是德国物理学家汉斯·盖革（H.W.Geiger）在1908 年为了探测α粒子而设计的（图 2-12），1928 年，盖革又和他的学生米勒（E.W.M üller）对其进行了改进，从而使其可用于所有电离辐射的探测（图 2-13）。

盖革-米勒计数器是根据射线对气体的电离作用制成的，一般由G-M计数管、高压电源、定标器组成（图 2-14）。高压电源为计数管提供工作电压，射线进入计数管内，使气体电离，在离子增殖过程中，受激原子退激，发射紫外光子，由于光电效应产生光电子，从而放大产生电脉冲。定标器用来记录计数管输出的脉冲，由此测量得到单位时间内的射线数。

（三）切伦科夫计数器

目前，在高能物理中，切伦科夫计数器受到广泛使用，其利用切伦科夫辐射现象来记录高能粒子，它由切伦科夫（P.A.Cherenkov）于 1934 年发明（图 2-15）。那么什么是切伦科夫辐射呢？简而言之，在介质中，当匀速运动的高能带电粒子速度超过光在介质中的传播速度时，就会产生微弱的可见光，这种辐射叫作切伦科夫辐射。由光电倍增管记录光子产生的电脉冲，就做成了切伦科夫计数器，它是一个装有透明介质（辐射体）和光电倍增管的暗盒，用于探测高速粒子（图2-16）。切伦科夫计数器具有计数率高、分辨时间短、能避免低速粒子干扰、准确测定粒子运动速度等优点，广泛应用于高能物理和宇宙射线的研究中，在粒子物理发展史上起过重要作用。

（四）大型磁谱仪

随着加速器能量的增长，产生的粒子数目越来越多，需要测量粒子的参数越来越多，面对这些需求，单个探测器无法满足。20 世纪 60 年代末，出现了由多种探测器组成的大型磁谱仪，它可以同时测量粒子的多种性能，例如电荷、质量、自旋、宇称、寿命等，亦可测量粒子的多种运动学参量，诸如能量、动量、速度等。

高能探测器的发展和高能加速器一样，近年来都是越做越大，技术越来越复杂，图 2-17 为费米实验室装备的各种探测器。随着科学技术的发展，一些性能更好的高能探测器将不断涌现出来，让我们拭目以待。

（五）拉索

在此，我们简单介绍一项我国重大的科技基础设施：“拉索”（LHAASO）。“拉索”，高海拔宇宙线观测站，这项大科学工程位于四川省稻城县海子山，当地平均海拔 4410 米。在这片方圆 1.36 平方公里的雪域荒原上建立的设施蔚为壮观，它安装有先进灵敏的高能探测器阵列，为的是研究宇宙线及其起源，这是人类探测宇宙的重要途径（图 2-18）。观测站探测阵列由电磁粒子探测器阵列、缪子探测器阵列、水切伦科夫探测器阵列、广角切伦科夫望远镜阵列组成。

“拉索”主体工程于 2017 年 11 月动工，2021 年 7 月完成全阵列建设并投入运行，2021 年 10 月 17 日通过工艺验收。专家认为，“拉索”是目前世界上规模最大、灵敏度最高的超高能伽马射线巡天望远镜和能量覆盖最宽广的宇宙线观测站，为系统开展高能宇宙线物理、极端条件下高能天体辐射及新物理研究提供了新的手段。

对种类繁多的高能探测器的原理、结构与应用等，这里不可能详细介绍，有兴趣的读者若想深入了解，可翻阅相关资料。 sXFBZHrIOJpaeVc0N77O5oVPoRgIvCXxM2X0m/KKrBMU3sBSCDVJuOScnpmokYm0