Detectors for Particle Radiation pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Cambridge University Press

作者:Konrad Kleinknecht

出品人:

页数:260

译者:

出版时间:2001-02-15

价格:USD 53.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780521648547

丛书系列:

图书标签:

粒子探测器
辐射探测
核物理
高能物理
半导体探测器
闪烁体探测器
气体探测器
探测原理
辐射测量
实验物理

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具体描述

This textbook provides a clear, concise and comprehensive review of the physical principles behind the devices used to detect charged particles and gamma rays, and the construction and performance of these many different types of detectors. This second edition has been thoroughly revised and updated to include all the latest developments in detector technology. Detectors for high-energy particles and radiation are used in many areas of science, especially particle physics and nuclear physics experiments, nuclear medicine, cosmic ray measurements, space sciences and geological exploration. This second edition includes several new chapters, covering micro-strip gas chambers, silicon strip detectors and CCDs, scintillating fibres, shower detectors using noble liquid gases, and compensating calorimeters for hadronic showers. This lucid textbook is well illustrated throughout with examples from the many areas in science in which these detectors are used. It provides both a coursebook for students in physics, and a useful introduction for researchers in other fields.

粒子探测技术：从基础原理到前沿应用本书导读本书旨在为物理学、工程学、材料科学以及相关领域的学生、研究人员和专业技术人员提供一个全面而深入的粒子辐射探测技术导论。在现代科学探索和技术应用中，对各种类型粒子辐射的精确测量和识别能力是至关重要的。无论是高能物理实验中对基本粒子行为的探究，核医学中对体内病变的诊断与治疗，还是环境监测中对放射性污染的控制，高效可靠的探测器都是核心工具。本书系统地梳理了粒子辐射探测的物理基础，详细阐述了各类探测器的设计原理、性能评估标准以及实际应用案例，并展望了该领域未来的发展方向。 --- 第一部分：探测基础与辐射相互作用第1章辐射场与粒子溯源本章首先界定了“粒子辐射”的范畴，涵盖了带电粒子（如质子、电子、离子）、中性粒子（如光子、中子、伽马射线）以及更复杂的重离子和次级粒子。我们将探讨这些辐射场的基本特性，包括其能量谱、空间分布和时间结构。随后，重点分析了辐射在物质中传播时所经历的基本相互作用机制。对于带电粒子，能量损失主要通过电磁相互作用，包括碰撞损失（连续性损失）和激发损失。本书将深入介绍BETHE-BLOCH公式的物理意义及其在不同能量范围内的适用性，这是理解能量沉积和射程计算的关键。此外，对于高能粒子，辐射（轫致辐射）也是重要的能量损失途径，本章将详细探讨其发生的条件和概率。对于光子（X射线和伽马射线），相互作用方式随能量变化显著：低能主要通过光电效应，中等能量主导康普顿散射，高能则以对产生为主。我们将剖析这三种机制的截面依赖性，这对选择合适的探测材料至关重要。中子作为不带电粒子，其探测依赖于其在物质中的核反应。本章会详细介绍热中子和快中子捕获反应（如 $^{3} ext{He}(n,p) ext{T}$ 或 $^{10} ext{B}(n,alpha) ext{Li}$ 反应）的截面特性，以及这些反应产生的次级带电粒子如何被进一步探测。第2章探测器响应与性能指标理解探测器的物理响应是设计和使用中的核心。本章从信号的产生入手，阐述了辐射粒子与探测介质相互作用后，如何将能量转化为可测量的信号（如电荷、光子或晶格缺陷）。我们将定义并详细解析衡量探测器性能的关键参数：能量分辨率（Energy Resolution）：定义为探测器区分相近能量的能力，通常用半高全宽（FWHM）表示。本章将探讨统计学影响（如居里-菲舍尔效应）、电子学噪声以及材料缺陷对分辨率的贡献。效率（Efficiency）：包括绝对效率和相对效率，分析了探测器几何尺寸、吸收长度以及触发机制对效率的影响。时间分辨率（Timing Resolution）：对于测量粒子到达时间或衰变时间至关重要的参数，涉及信号的上升时间、扩散过程和电子学滤波器的影响。线性度与动态范围：描述探测器输出信号与入射粒子能量之间的关系，以及其能够有效测量的能量范围。本底与噪声：区分环境本底（宇宙射线、天然放射性）和探测器自身产生的电子噪声，介绍降低噪声的技术。 --- 第二部分：主流探测器技术与物理原理第3章闪烁体探测器：光产生与收集闪烁体是应用最为广泛的探测介质之一，本章聚焦于其工作原理：高能粒子激发介质中的原子或分子，这些激发态随后通过辐射弛豫释放出光子。我们将分类讨论有机闪烁体（如塑料、液体）和无机晶体闪烁体（如 $ ext{NaI}( ext{Tl})$、 $ ext{LaBr}_3( ext{Ce})$）。对于无机晶体，深入探讨激活剂的作用、发光中心的物理机制，以及衰变时间的特性。在信号收集方面，本书详细介绍了光电倍增管（PMT）和硅光电倍增管（SiPM）的工作原理。重点分析了SiPM作为固态光探测器的崛起，对比了它们在增益稳定性、抗磁场能力和体积方面的优劣。第4章半导体探测器：电荷收集与精确测能半导体探测器（SDDs）以其卓越的能量分辨率著称。本章解析了pn结或PIN结构在偏置电压下的电场分布。粒子进入半导体材料后，通过电离产生电子-空穴对，这些载流子在电场作用下漂移，形成可测量的瞬态电流信号。详细研究了不同材料体系的特性：高纯锗（HPGe）：作为绝对的能量标准，分析其低温操作需求和电荷收集效率。硅（Si）探测器：讨论其在粒子物理实验（如径迹探测）和X射线成像中的应用，包括表面势垒型、卒沃克（Swept-Out）型等结构。宽带隙半导体：重点分析$ ext{CdZnTe}$（CZT）和$ ext{HgI}_2$等材料，它们在室温下工作和高光子能量探测方面的优势。讨论电荷收集效率的非理想性（如电荷俘获和陷阱效应）如何限制其性能。第5章气体电离探测器：从电离室到比例计数管气体探测器是基于粒子在惰性气体中电离产生电子和离子对的原理。本章的结构遵循信号的放大倍数： 1. 电离室（Ionization Chamber）：主要用于测量高剂量率或精确测量电荷量，信号不经内部放大，重点在于对饱和电流的精确测量。 2. 正比计数管（Proportional Counter）：讨论盖革-穆勒（GM）效应的临界点，详细分析托马斯漂移理论在描述气体增益（Gas Multiplication）中的应用，以及如何通过调节电压获得稳定的线性增益。 3. 盖革-穆勒计数管（GM Counter）：侧重于其高增益和“燃尽”现象，主要用于计数而不是精确测能。 --- 第三部分：特殊粒子探测与前沿技术第6章中子探测的独特挑战中子探测是粒子探测领域的一个专门分支，因为它需要通过间接机制实现。本章深入研究了几种主要的中子探测方法：气体填充探测器：重点介绍$^{3} ext{He}$ 填充探测器的工作原理，分析其高效率与慢化剂（Moderator）的配合，以实现热中子的高效捕获。闪烁体方法：讨论含有硼或锂的复合闪烁体，以及如何利用锂玻璃或 $ ext{ZnS}( ext{Ag})$ 基体实现对中子和伽马射线的分辨（PSD）。快中子探测：分析使用氢富集材料（如有机闪烁体或聚乙烯）通过弹性散射 $ ext{n-p}$ 反应，将中子能量转化为质子反冲能量，进而进行能量测量的技术。第7章径迹探测与成像系统对于高能物理和核物理研究，记录粒子的空间轨迹至关重要。本章探讨了径迹探测器（Tracking Detectors）的演进：云室与气泡室：作为历史基础，简述其原理。漂移室（Drift Chambers）与微模式气体探测器（MPGDs）：重点介绍$ ext{GEM}$ (Gas Electron Multiplier) 和 $ ext{Micromegas}$ 的结构，分析它们如何实现毫米级甚至亚毫米级的空间分辨率。硅微条探测器（Silicon Strip Detectors）：阐述其在大型对撞机实验中的核心地位，分析电荷收集路径和读出电子学对空间定位精度的影响。第8章先进读出电子学与数据获取探测器产生的微弱信号必须经过精密的电子学处理才能转化为可分析的数据。本章涵盖了信号链的各个环节：前置放大器（Preamplifier）与滤波：讨论电荷敏感放大器（CSA）的噪声特性、极性选择和滤波器的设计（如CR-RC滤波）对脉冲形状和时间性能的影响。脉冲分析与波形数字化：对比传统的多道分析器（MCA）与高速模数转换器（ADC）在实时波形采集中的优势与挑战。时间测量技术：介绍时间符合（Timing Coincidence）电路、恒比形（Constant Fraction Discriminator, CFD）在精确时间测量中的作用，以及对时间分辨的优化方法。 --- 第四部分：实际应用与未来展望第9章辐射探测的应用领域本章将理论知识与实际需求相结合，展示探测器技术在不同领域的深度应用：高能与核物理：介绍大型探测器量规（Calorimeter）的设计理念（晶体与液体氩），以及寻找稀有事件所需的极低本底环境。医学物理与成像：探讨PET（正电子发射断层扫描）中需要超快时间分辨的$ ext{LYSO}$闪烁体，以及医用$ ext{CT}$中高能X射线碘化镥探测器的特性。国土安全与核查：分析如何利用便携式高纯锗或$ ext{NaI}$探测器进行伽马射线普查，以及快速识别特定核素的挑战。空间科学：讨论航天器对辐射环境的测量，需要具备高可靠性、抗单粒子翻转（SEU）能力的半导体探测器系统。第10章探测器材料与工艺的未来本书最后展望了该领域的技术前沿。材料科学的进步正不断推动探测器性能的极限：新型闪烁体研究：探索具有更短衰变时间、更高光产额的卤化物钙钛矿或新型氧化物晶体。深层半导体：讨论碳化硅（$ ext{SiC}$）和金刚石等宽带隙半导体的潜力，它们有望在高温或强辐射场下保持稳定性能。集成化与小型化：介绍将传感器、前端电子学和信号处理单元集成在同一芯片上的$ ext{ASIC}$技术，以构建更紧凑、更低功耗的探测阵列。辐射硬化设计：面对高通量辐射环境，探讨如何通过结构优化和材料选择来提高探测器的长期工作稳定性。 --- 本书特色总结：本书结构严谨，从微观的粒子-物质相互作用入手，逐步过渡到宏观的系统设计与应用实践。书中不仅详细解析了经典探测器的物理机制，更融入了当前研究热点，如$ ext{SiPM}$的快速发展、$ ext{MPGD}$技术在空间分辨率上的突破，以及新型半导体材料在极端条件下的应用前景。通过对性能参数的量化分析和对典型案例的深入剖析，读者将能够系统地掌握粒子辐射探测的核心理论，并具备设计、选择和优化相关系统的工程能力。