章节用h1

X.X用h2

X.X.X用h3（或者老师ppt写的小标题）

h4h5h6随便用

第四章

4.1 气体探测器基本原理

特点

  1. 对被测粒子影响小
  2. 较快的时间响应（粒子穿过到探测器读出数据的时间短？），空间分辨率好
  3. 探测器可以做的奇形怪状
  4. 寿命比996打工人长
  5. 便宜

原理

入射粒子特别快地穿过探测器，期间与气体作用发生电离，把电离出来的粒子收集起来就可以知道粒子的运动信息（收集方法：电场）

气体电离

包括入射粒子直接产生的电离（原初电离）和产生的粒子再产生粒子（次级粒子）

能产生的电离的最小入射粒子能量

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引入两个新的概念

比电离：单位长度上产生的电子-离子对数目

平均电离能：产生一对电子离子对所需要的平均能量

知道平均电离能，可以估算总电离，直接拿能损除以平均电离能，总电离数约等于等于3~4倍的原初电离

气体电离能都差不多在30ev左右如果是混合气体计算公式如下

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电子和离子在气体中的运动（外加电场）

扩散：密度大到密度小的区域

电子吸附：电子和中性原子吸附形成负离子

复合：电子和正离子复合形成中性原子

漂移：沿着电场方向做定向运动

前三种不利于我们收集电离电荷，以便探测粒子轨迹

漂移

不是开车那个漂移，单纯的粒子在电场作用下定向运动

离子的漂移

离子因为质量大，容易在碰撞的时候损失能量，所以动能变化不大

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  • u为平均定向运动速度，$\mu$定义为离子迁移率

  • 对于所有的气体，离子迁移率在一个大范围之类和E/P无关（$E/P \le 3 \times 10^3 V\cdot cm^{-1} \cdot atm^{-1}$）
  • 离子迁移速度的数量级为$10^3cm/s$典型时间为几百$\mu s$到几百ms，

电子的漂移

质量小，很容易漂移

  • 简单表达式

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  • 复杂表达式

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  • 电子漂移速度数量级为$10^6 cm/s$典型时间$1\mu s$

  • 有些气体在电场很大的时候电子速度增大达到饱和

存在外磁场并且外磁场不是平行于电场的时候，电子漂移会出现一个和电场的夹角，称为洛伦兹角

但是我们ALICE没有这个问题所以略过

电荷的收集和放大

这里我们考虑外加电场的电压和收集到的离子数量的关系

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  1. 区域1：复合区

    • 离子漂移速度小，电子吸附扩散复合很多

  2. 区域2：饱和区

    • 吸附扩散复合影响减小，在这个区域内存在坪区，也就是当电压达到某一个阈值的时候，总电离数全部被收集达到饱和

  3. 区域3：正比区&有限正比区

    • 由于电压的增加，电离出来的离子、电子可以产生次级电离了，次级电离粒子又会引起连锁反应，这样会引起雪崩过程。我们会收集到很多的粒子，该现象称为气体放大

    • define气体放大倍数\(M = \frac{N}{N_0}\)，也就是收集到的电荷数量除以原来的总电离数目（就是没有电压的时候收集到的离子数目，图线的截距）
    • 在这个区域的后面一段，由于正离子移动很慢，阻唉了电子的移动，减少了次级离子的增加，所以这一段称为有限正比区，这个效应称为空间电荷效应
  4. 区域4：GM区
    • 在这个区域，由于空间电荷效应，收集到的粒子饱和了，且不同种类入射电子在这个区域收集到的总粒子都是一样的
  5. 区域5：连续放电区
    • 气体被击穿了

4.2 三种典型气体探测器

显然这里的气体探测器结构原理差不多（差别不大，但是还是有差距的），但是电场强度差别很大，具体的差别可以从上面的图看出来，使用不同的电压可以实现不同的功能达到不同目的

电离室

工作在饱和区，上图的区域二

饱和区的特点可以看上面，扩散复合吸附的影响减小，并且没有气体放大，这个时候收集的电荷总数就是原初电离

由上图可以知道，输出信号和入射粒子总类有关

信号产生原理

在电离室内部存在一个电荷的时候(假设为负电荷)，这个电荷会在两个电极板（正和负）上面感应正电荷，在电离室内部的电荷移动的时候，感应的电荷也会变化，引起外部回路的电流的变化

所以只有在电荷漂移的过程之中回路中才有电流

由于正离子的质量远大于电子，所以在前段时间，电子是脉冲的主要成分（快成份），后段时间是正离子的贡献（慢成分）

具体公式看书去吧，我懒得抄了

正比计数器

工作在正比区（上图的区域三）

在这个区域电子有足够的能量发生雪崩放大

气体放大倍数M\(N_T = M * N_0\)，表示收集到的电荷总数和原初电离的比值

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通常使用的正比计数器是圆柱形的，这就导致电场强度不是均匀的，所以在外围的电离电子一开始不会雪崩，在离中心电极近的地方才会雪崩，由于这个原因，雪崩电子对信号的贡献很小，主要贡献是阳离子向阴极移动

由上面的论证可以看出，这个东西的脉冲幅度和原初电离位置没有关系，因为需要电子跑到阳极附近才会发生雪崩，而在跑到阳极之前，没有雪崩，产生的脉冲很小，被忽略

G-M计数器

工作在上述图像的第五个区域（最右边）（为什么不是第四个，你都叫GM区了，ppt是不是写错了（是的，ppt写错了，和课本有出入，课本写的第四区））这个区域会发生连续放电

显然在这个区域中，仪器灵敏度高，很容易探测，缺点就是不同粒子的脉冲都长一样，没法区分

4.3 气体多丝室

缩写MWPC

说简单一点，就是之前的气体探测器他们都只有一个阳极，信号都在这个阳极上产生，没法分辨电离位置，那我就多加几个阳极，不就可以通过判断哪个阳极吸收了电离的电子来确定位置吗

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多丝正比室

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由上图，可以看到有四个区域（从右往左看）

多丝漂移室

由名字可以得出，这个探测器中，电子只有漂移没有雪崩

时间投影室

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上面漂移，下面雪崩

通过漂移可以测量粒子的Z坐标，通过雪崩可以测量X和Y

第五章

半导体基础

  • 满带：原子核外被电子占满的能级，一般情况下（非一般情况指的是半导体核导体），在外电场的作用时，这些电子不能参与导电
  • 导带：能带被电子占了一部分，在外电场作用时，可以参与导电
  • 禁带：上面两个带中间隔着的区域

导体、半导体、绝缘体的区别在于禁带宽度不同

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一般情况下，半导体的满带被电子占满，导带没有电子，当温度升高或有光照的时候，满带中部分电子会跑到导带去导电，满带中剩下的空穴也参与导电

电子和空穴都是载流子，都能导电

N型半导体

  • 掺杂元素：掺入五价元素（如磷、砷），其外层有5个电子。
  • 导电机制
    • 五价元素与半导体原子（四价）结合时，多余1个电子成为自由电子。
    • 自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子。
  • 特性：主要依靠电子导电，整体显电中性（正离子与电子电荷平衡）。

P型半导体

  • 掺杂元素：掺入三价元素（如硼、镓），其外层有3个电子。
  • 导电机制
    • 三价元素与半导体原子结合时，因缺少1个电子形成空穴（可视为正电荷载体）。
    • 空穴为多数载流子，电子为少数载流子。
  • 特性：主要依靠空穴导电（本质是相邻电子填补空穴的定向移动），整体显电中性（负离子与空穴电荷平衡）。

载流子浓度

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对于掺杂半导体，除了本征半导体（纯硅、纯锗）的电子空穴，还有杂质的电子或者空穴

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PN结

n型半导体的电子多，p型半导体的空穴多（但是他们还是电中性），所以把他们合起来，两个东西的电子和空穴就会中和；中和后n失去电子，p失去空穴，n带正电，p带负电，形成电场，显然这个内部电场会阻止电子和空穴的继续移动

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如果我顺着这个内部电场的方向加一个外加电场，那么PN结区会扩大，反之，我如果加了一个反向的电场，那么PN结区减小，这个原件就可以导电

在顺着内部电场方向加电场的时候，可以用于探测入射粒子，原理和气体探测器差不多，入射粒子在PN结区产生电离，电离出电子空穴对，然后漂移到两级后被吸收，产生脉冲

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载流子性质

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显然，载流子在被探测器吸收之前，自己不能消失