工作原理

详解

特点

简介

英文名：

multiwire proportional chamber

定义：

工作在气体特性曲线的正比区(见气体电离探测器)，且具有多丝结构的一种新型粒子探测器。

用途：

用以探测高能粒子位置的具有多丝结构的气体探测器。

发明者：

1968年G.夏帕克在丝火花室和正比计数器基础上研制成功。它是高能物理实验的主要探测器。

意义

多丝正比室定位精度高，时间分辨率好，允许高计数率。

在丹 布朗的小说《Angles & Demons》一书中发明者G.夏帕克与主人公Langdon有过接触。

工作原理

由两块作负电极的平行金属网中间夹有作正电极的平行金属丝平面构成一个单元，室中充以氩和甲烷或二氧化碳等混合气体。电极间加直流高压，电压处在正比区。当高能带电粒子穿过多丝正比室，使路径上的气体原子电离，电离产生的电子在附近某一金属丝的电场中形成雪崩式的电离增殖，其放电的总电量正比于初始电离中的电子数目，放电形成的负脉冲正比于该粒子的电离损失。利用专门的电子线路可确定入射粒子穿过室的位置，进一步由多个单元定出粒子的径迹。

详解

工作在气体特性曲线的正比区(见气体电离探测器)，且具有多丝结构的一种新型粒子探测器。1968年G.夏帕克等在深入研究正比计数器原理的基础上在欧洲核子中心(CERN)制成第一个可供使用的多丝正比室。正比计数器是由一根阳极丝和一个构成阴极的管子所组成。丝置于管子中心,工作在正比区。原理是:通过加较高电压而获得较大电场强度，粒子在管内电离产生的电子将在二次碰撞间受电场加速获得足够能量，从而再电离其他气体分子，最后收集到的电离数（输出脉冲）将比初始电离大许多,但又正比于初始电离。早在20世纪30年代,正比计数管就已获得广泛应用。但由于管子外壳限制，难以制成空间定位精度高的大面积探测器。1949～1956年有不少人想试制具有多根阳极丝,公用同一阴极,装在同一室壳内的“多丝正比计数器”。但都没有成功。夏帕克指出多丝构造的机制是:在电场和一定气体条件下,入射粒子在阳极丝附近由电离而引起气体放大，产生“雪崩”式的电离增殖，在该丝上建立一个负脉冲，而相邻之阳极丝及阴极丝平面感应出相反极性的正脉冲，至于电容耦合的同极性脉冲通常小于1/10，且可改变电容使之更小。因此，使用只对负极性脉冲灵敏的放大器，就可使每根阳极丝像一个正比计数器一样独立地对入射粒子计数和定位，其定位区域以二根阳极丝距离之半为界，即某丝上有脉冲输出,就表明有一粒子入射在该丝的1/2丝距区域内。

多丝正比室有方形、长方形、圆筒形等。常见的方形室见结构示意图，小的面积仅几十平方毫米，大的达十几平方米。阳极丝常用20μm、40μm直径的镀金钨丝，阴极丝通常用 100μm左右的铍铜丝、镀金钨丝或不锈钢丝。最常见的室框架为玻璃纤维板,窗为涤纶薄膜。气体常用流通式，最有名的是体积之比为75.0％氩＋24.5％异丁烷 ＋0.5％氟里昂13B1构成的“魔异气体”。各丝均接有放大器，并连接计算机进行精确的定位测量和在线分析。

目前多丝室已广泛应用于粒子物理实验，成为高能物理实验的主要探测器之一，许多实验已达到使用几千甚至几万根阳极丝的规模。此外，它还广泛应用于核物理、天文学及宇宙线物理中，并正在逐步应用于医学、生物学等领域，如X 射线、正电子、质子或中子的照相诊断。

多丝正比室获得广泛应用的原因是:定位精度高(几百微米)、时间分辨好 (约20纳秒)、允许高计数率（每秒丝）、直流高压下自触发工作、连续灵敏、能同时计数和定位、易加工成各种形状和尺寸、能在高磁场中工作、有较好的能量分辨本领，并可从一个室单元中同时读出x、y两维坐标。

特点

研究基本粒子间的反应，可以提供粒子性质和粒子间作用力的知识。这些反应通常非常复杂——有时在一个反应中会产生几百个粒子。为了解释这些反应，科学家往往需要记录每个粒子的轨迹。直到1970年，这类记录常用的方法是各种照相法，图片要靠特殊的测量器具进行分析，工作过程缓慢而又劳累。夏帕克发明的多丝正比室很好地解决了上述困难。多丝正比室技术起源于正比计数管，但夏帕克对其作了重大改革。经典的正比计数器如盖革-缪勒管，是由一根细丝装在直径约为1cm的管子中央构成的。在细丝和管壁间加几千伏的高压。带电粒子穿过充气的管子，会使气体电离。在这个过程中，气体的中性原子会释放带负电的电子，而变成带正电的离子。在电场的作用下，电子向管心的细丝（即阳极）运动。接近细丝的地方电场非常强，电子大大加速，于是就有足够的能量使气体游离，因而有更多的电子被释放，这些电子又被加速，这样就形成了电子和正离子的雪崩。正是由于电子和离子的运动，引起了阳极丝产生一电信号，给出带电粒子通过的信息。正比计数管确定粒子位置的精度大约是1cm，即计数管本身的尺码。