多絲正比室

多絲正比室技術起源於正比計數管，但夏帕克對其作了重大改革。經典的正比計數器如蓋革-繆勒管，是由一根細絲裝在直徑約為1cm的管子中央構成的。在細絲和管壁間加幾千伏的高壓。帶電粒子穿過充氣的管子，會使氣體電離。在這個過程中，氣體的中性原子會釋放帶負電的電子，而變成帶正電的離子。在電場的作用下，電子向管心的細絲（即陽極）運動。接近細絲的地方電場非常強，電子大大加速，於是就有足夠的能量使氣體遊離，因而有更多的電子被釋放，這些電子又被加速，這樣就形成了電子和正離子的雪崩。正是由於電子和離子的運動，引起了陽極絲產生一電信號，給出帶電粒子通過的信息。正比計數管確定粒子位置的精度大約是1cm，即計數管本身的尺碼。

現在的粒子物理實驗要求記錄粒子徑跡能夠做到高精度和大面積覆蓋，用一層層這樣的老式正比計數管覆蓋大的面積是不現實的，也不可能達到需要的空間精度。突破來自夏帕克發明的多絲正比室。圖92-1示意性地表明瞭多絲正比室的結構原理。這種裝置由大量平行細絲組成，所有這些細絲都處於兩塊相距幾釐米的陰極平面之間的一個平面內，陽極細線的直徑約為十分之一毫米，間距約為一或幾毫米。當時人們普遍認為，這類多絲結構會因相互感應等問題而不能正常工作。夏帕克則與人們普遍的想法相反，1968年提出，每根絲都會像正比計數管一樣地工作，並可使空間精度達到一毫米或者更小些。每根絲都能承擔極高的粒子記錄速率，可高達每秒幾十萬次，在當時這已是異常的高速率了。同時，多絲正比室結構易於做成大面積，並能以模塊方式組成所需的各種體積和形狀，適於進行不同規模和特點的實驗。

多絲正比室的每根絲都單獨配備一個放大器。現代電子學正好可以提供能源消耗極小的密集型放大器，這樣就使建造數萬以致數十萬的電子讀出系統成為可能。這樣的裝置還有一個非常重要的好處：能夠用計算機記錄信號，並處理大量數據。同過去以照相為主的記錄帶電粒子徑跡方法相比，新探測器成千倍地提高了獲取實驗數據的速度，並能最大程度地選擇出實驗者所希望研究的事例，高效地分析那些真正揭露物質內部秘密的粒子間的相互作用。 早在1968年提出多絲正比室的同時，夏帕克就致力於進一步發展多絲正比室。其中一項就是漂移室。漂移室的結構和多絲室基本相同，預先測定電子在氣體中漂移速度，通過測量從粒子通過瞬間產生原始電離到電離電子漂移到陽極絲產生電信號之間的時間間隔，由此可以確定原始電離距離陽極絲的位置。這樣就可以大大提高測量徑跡位置的空間分辨率，達到小於0.1mm，同時保持多絲正比室的優點。這一設想由夏帕克和他的合作者以多種形式實現，進一步推動了實驗粒子物理學的發展。

夏帕克1968年的發現帶動了不同類型絲室的大規模發展。目前，粒子物理學每一項實驗都要用到某種類型的徑跡探測器，這些探測器都是從夏帕克最初的發明發展而來的。夏帕克本人一直處在這一發展的中心地位，數以千計的科學家，包括在歐洲核子研究中心和在其它地方工作的科學家，都得益於這一發展。裏希特和丁肇中於1974年發現粲夸克，並由此獲1976年諾貝爾物理學獎，在他們的工作中就使用了幾種多絲正比室。1983年，歐洲核子研究中心發現中間玻色子，也用到了多絲室。從80年代中期開始，夏帕克積極地從事把多絲正比室這一系列探測器推廣到粒子物理學以外的領域，使高能物理的技術成果直接為人類謀福。在他的指導和參與下，這一技術已經有效地運用到幾乎所有成像和精確顯微的領域裏，特別是在生物學和醫學方面。在日內瓦大學醫學中心和法國一些醫療中心，上述儀器已成功地應用於X射線和β射線的成像診斷中。由多絲正比室引發的一系列新探測器在實際應用方面取得的成就越來越引人注目，這門新技術顯示出了廣闊的前景。

多絲正比室的斷面圖如下所示。由兩塊作負電極的平行金屬網中間夾有作正電極的平行排列的金屬絲平面構成一個單元，固定在絕緣框架上,室中充以氬和甲烷或二氧化碳等混合氣體(Ar(90 % )+CH₄(10%))。陽極通過電阻接地, 並由陽極引出信號。陰極上加負高壓，使室內產生很強的電場。電極間加直流高壓，電壓處在正比區。當高能帶電粒子穿過多絲正比室，使路徑上的氣體原子電離，電離產生的電子在附近某一金屬絲的電場中形成雪崩式的電離增殖，其放電的總電量正比於初始電離中的電子數目，放電形成的負脈衝正比於該粒子的電離損失。利用專門的電子線路可確定入射粒子穿過室的位置，進一步由多個單元定出粒子的徑跡。室的上下二端用高強度的薄膜密封成為探測器窗口。

當帶電粒子通過多絲正比室時, 原電離產生的初始電子, 在電場作用下向鄰近的陽極絲漂移, 並從電場中獲得足夠的能量與氣體分子碰撞引起離子增殖產生脈衝信號。設陽極絲半徑為a, 絲距為s, 陽極絲到陰極的距離為s, 則在a遠小於s的條件下, 陽極絲附近的電場的分佈可近似地認為按

規律變化,

為距陽極的距離。

為求得空間任意點的場,將陽極絲面和陰極視為無窮大, 於是可簡化為平面問題即二維問題。選取上圖所示的複平面座標, 則在

的條件下, 圖中的斜線部分與圓筒型計數管一樣。其電場強度和電位表示如下

C為陽極絲單位長度上的電容,其值為

為氣體的介電常數。

工作在氣體特性曲線的正比區(見氣體電離探測器)，且具有多絲結構的一種新型粒子探測器。1968年G.夏帕克等在深入研究正比計數器原理的基礎上在歐洲核子中心(CERN)製成第一個可供使用的多絲正比室。正比計數器是由一根陽極絲和一個構成陰極的管子所組成。絲置於管子中心,工作在正比區。原理是:通過加較高電壓而獲得較大電場強度，粒子在管內電離產生的電子將在二次碰撞間受電場加速獲得足夠能量，從而再電離其他氣體分子，最後收集到的電離數（輸出脈衝）將比初始電離大許多,但又正比於初始電離。早在20世紀30年代,正比計數管就已獲得廣泛應用。但由於管子外殼限制，難以製成空間定位精度高的大面積探測器。1949～1956年有不少人想試製具有多根陽極絲,公用同一陰極,裝在同一室殼內的“多絲正比計數器”。但都沒有成功。夏帕克指出多絲構造的機制是:在電場和一定氣體條件下,入射粒子在陽極絲附近由電離而引起氣體放大，產生“雪崩”式的電離增殖，在該絲上建立一個負脈衝，而相鄰之陽極絲及陰極絲平面感應出相反極性的正脈衝，至於電容耦合的同極性脈衝通常小於1/10，且可改變電容使之更小。因此，使用只對負極性脈衝靈敏的放大器，就可使每根陽極絲像一個正比計數器一樣獨立地對入射粒子計數和定位，其定位區域以二根陽極絲距離之半為界，即某絲上有脈衝輸出,就表明有一粒子入射在該絲的1/2絲距區域內。

多絲正比室有方形、長方形、圓筒形等。常見的方形室見結構示意圖，小的面積僅幾十平方毫米，大的達十幾平方米。陽極絲常用20μm、40μm直徑的鍍金鎢絲，陰極絲通常用 100μm左右的鈹銅絲、鍍金鎢絲或不鏽鋼絲。最常見的室框架為玻璃纖維板,窗為滌綸薄膜。氣體常用流通式，最有名的是體積之比為75.0%氬+24.5%異丁烷 +0.5%氟里昂13B1構成的“魔異氣體”。各絲均接有放大器，並連接計算機進行精確的定位測量和在線分析。

目前多絲室已廣泛應用於粒子物理實驗，成為高能物理實驗的主要探測器之一，許多實驗已達到使用幾千甚至幾萬根陽極絲的規模。此外，它還廣泛應用於核物理、天文學及宇宙線物理中，並正在逐步應用於醫學、生物學等領域，如X 射線、正電子、質子或中子的照相診斷。

多絲正比室獲得廣泛應用的原因是:定位精度高(幾百微米)、時間分辨好 (約20納秒)、允許高計數率（每秒絲）、直流高壓下自觸發工作、連續靈敏、能同時計數和定位、易加工成各種形狀和尺寸、能在高磁場中工作、有較好的能量分辨本領，並可從一個室單元中同時讀出x、y兩維座標。

研究基本粒子間的反應，可以提供粒子性質和粒子間作用力的知識。這些反應通常非常複雜——有時在一個反應中會產生幾百個粒子。為了解釋這些反應，科學家往往需要記錄每個粒子的軌跡。直到1970年，這類記錄常用的方法是各種照相法，圖片要靠特殊的測量器具進行分析，工作過程緩慢而又勞累。夏帕克發明的多絲正比室很好地解決了上述困難。多絲正比室技術起源於正比計數管，但夏帕克對其作了重大改革。經典的正比計數器如蓋革-繆勒管，是由一根細絲裝在直徑約為1cm的管子中央構成的。在細絲和管壁間加幾千伏的高壓。帶電粒子穿過充氣的管子，會使氣體電離。在這個過程中，氣體的中性原子會釋放帶負電的電子，而變成帶正電的離子。在電場的作用下，電子向管心的細絲（即陽極）運動。接近細絲的地方電場非常強，電子大大加速，於是就有足夠的能量使氣體遊離，因而有更多的電子被釋放，這些電子又被加速，這樣就形成了電子和正離子的雪崩。正是由於電子和離子的運動，引起了陽極絲產生一電信號，給出帶電粒子通過的信息。正比計數管確定粒子位置的精度大約是1cm，即計數管本身的尺碼。