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# 5.8 探测技术
## 探测技术
### 核乳胶
核乳胶（nuclear emulsion）是一种能记录单个带电粒子径迹的特制乳胶，它由普通照相乳胶发展而来。其主要成分是溴化银微晶体和明胶的混合物。
贝克勒尔（法语：Antoine Henri Becquerel）是第一个使用乳胶照相探测射线的人，发现了天然放射性，他同居里夫妇一起获得了 1903 年度诺贝尔物理学奖。
为了纪念他，放射性的国际单位制单位贝克勒尔（$$\text{Bq}$$）以他的名字命名，表示单位时间内衰变的核子个数，用于衡量放射性物质或放射源的活度。
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**希沃特**（Sievert；符号 $$\text{Sv}$$；又称西弗，简称希）
因辐射受生物效应（种类、部位等）影响，$$\text{Bq}$$ 无法准确评估辐射对生物的影响，故而有了用来衡量辐射剂量对生物组织的影响程度的国际单位制导出单位——西弗。
{% endhint %}
### **量能器**
乳胶室曾用于 $$\pi$$介子 的发现以及在加速器诞生前的强子相互作用研究中，为了能够应用于宇宙线可能出现的最高能量，人们建造的量能器，是由多层不同种类的材料与 X射线 胶片（或更灵敏的成像乳胶）交错排列而成的。
量能器的基本思想是用铅、铁、塑料或者其他的非成像材料进行各种组合产生电磁级联或者强子级联，再用成像材料层取样。经过标定，簇射发展曲线可以通过光敏层的测量重建出来，这样就能估计级联能量，即产生此级联的粒子能量。
$$\mu$$子 比较稳定，且与物质相互作用截面较小，因此具有很强的穿透能力。事实上人们习惯性地将 $$\mu$$子 称为宇宙线中的 “穿透成分”。$$\mu$$子 带电，相对容易探测，因此成为底层大气和地下宇宙线的主要成分。Barrett 等人于 1952 年写了一篇经典的综述，介绍高能 $$\mu$$子 通量以及在深地实验中的测量问题，时至今日仍很有用。
### 光电倍增管
光电倍增管是一种利用光电效应和电子光学原理的光电转换倍增器件。
* **光阴极灵敏度/量子效率**
* 定义为用标准白光或蓝光照射阴极时，光阴极产生的光电流与入射光通量之比（$$\mu\text{A}/\text{lm}$$）。量子效率指的是在一定辐射波长下，发射光电子数与入射光电子数之比，反映了光阴极的光电转换效率。
* **暗电流与噪声**
* 定义暗电流是光电倍增管加上工作电压后，在完全没有光照的情况下的阳极输出电流，大约在 E-7 到 E-11 A 量级，暗电流的起伏形成了暗电流噪声。还有一种噪声，是伴随入射粒子信号电流而产生，PMT 真空管内残余气体被光电子电离或激发，产生光子和正离子，这些粒子会反馈到光阴极或倍增级上，在打出二次电子经倍增形成暗电流。
* **对能量分辨率的影响**
* 由于 PMT 的光阴极光电发射和二次电子电子发射的统计特性，即使入射相同数量的光子，输出信号的脉冲幅度也不相同，这限制了闪烁体探测器的能量分辨率。
* **渡越时间**
* 光电倍增管是具有很好时间响应的光子探测器，主要是由光阴极发射的光电子经过倍增放大到达阳极所需的时间，称为渡越时间，一般为 6～50 纳秒。各个电子到达阳极的时间有涨落，称为渡越时间分散。
* 在示波器中也可以通过测量阳极输出电流脉冲幅度 10%～90% 的时间差来描述 PMT 的时间性能。
* **能量响应**
* 能量响应一般以闪烁体的光输出与入射粒子在闪烁体内能量损耗之间的对应关系来表征，能量响应并不是完全线性的。
* **探测效率**
* 探测效率是粒子在闪烁体内产生可测量的脉冲信号与入射粒子之比，或源发出的粒子被计数系统记录下来的百分数。
* **能量分辨率**
* 能量分辨率为计数脉冲最大值一半所对应的全宽度（半高宽）$$ΔU$$ 与 $$U\_0$$ 之比。**参考**：《粒子探测技术》汪晓莲 P85。
## 空间实验装置
空间实验装置（如卫星载荷、国际空间站仪器）直接运行在地球大气层之外。核心优势在于摆脱了地球大气的吸收和干扰，能够直接测量原初宇宙线的电荷、能量和成分，是寻找暗物质湮灭信号、研究反物质以及高能伽马射线暴的核心手段。这些探测器通常会集成硅微条径迹探测器（Silicon Tracker）、时间飞行计数器（Time-of-Flight Counter, TOF）和电磁量能器等。
**典型代表**：阿尔法磁谱仪（Alpha Magnetic Spectrometer-02, AMS-02）。安装于国际空间站，用于精确寻找宇宙中的反碳、反氦以及暗物质线索；“悟空”号暗物质粒子探测卫星（Dark Matter Particle Explorer, DAMPE）。中国首颗暗物质粒子探测卫星，具有极高的能量分辨率，成功测量了电子宇宙线能谱在 TeV 能段的精细结构；“怀柔一号”极目卫星（Gravitational wave high-energy Electromagnetic Counterpart All-sky Monitor, GECAM）。专注于引力波暴电磁对应体及高能伽马射线暴的监测。
## [地面试验装置](https://www.ihep.cas.cn/kxcb/kpcg/lztt/kpyd_yzsx/)
由于高能宇宙线的通量随着能量增加而急剧下降（能谱遵循幂律分布），超高能能段 $$\ge 10^{14}\ \text{eV}$$ 粒子流强极低，空间卫星有限的探测面积在相同时间内无法捕获足够的事例数。因此，科学家必须利用地球大气作为量能器，建造大规模的地面试验装置进行间接探测。
### 气球实验
高空气球实验是可将数百公斤至数吨的探测仪器提升至 30～40 公里的同温层高度，此时上方残留的大气厚度仅约 $$5\ \text{g/cm}^2$$。在此高度下，原初宇宙线尚未与大气发生剧烈的级联反应，实验装置可以直接拦截并测量原初粒子的特性。
相比卫星，气球实验具有载荷量大、可回收、能反复升级重飞、研制周期短等显著优点。
### 大气切伦科夫成像技术
当高能原初伽马射线或高能宇宙线进入地球大气层时，会与大气原子核发生电磁级联碰撞，产生包含大量超相对论电子、正电子的[广延大气簇射](/study-manual/5.-cosmic-rays-and-particle-physics/5.6-yu-zhou-she-xian.md#guang-yan-da-qi-cu-she)。**如果这些次级粒子的速度超过了光在大气中的相速度**，就会辐射出一束高度前向聚焦的、持续时间仅几纳秒的蓝色微弱可见光——切伦科夫光（Cherenkov Light）
地面的高精度光学反射镜（阵列）在暗夜捕捉大气中的切伦科夫光，并将其聚焦到由 PMT 组成的成像系统上。这些图像通常呈现为椭圆形的斑点。通过分析斑点的形状、取向（Hillas 参数分析法），可以精确反推原初伽马射线的入射方向、能量，并能以极高的精度剔除数量占绝对优势的强子（质子背景）干扰。
代表实验：[H.E.S.S.](https://hess-experiment.eu/)、[MAGIC](https://magic.mpp.mpg.de/)、[VERITAS](https://veritas.sao.arizona.edu/)、[切伦科夫望远镜阵列](https://www.ctao.org/)（Cherenkov Telescope Array , CTA，下一代全球最高灵敏度的 伽马射线成像望远镜阵列）
### 广延大气簇射探测技术
不同于 IACT 技术依赖晴朗无月的夜间观测，广延大气簇射EAS探测技术采用地表大面积覆盖的探测器阵列，**直接拦截并测量**到达地面的次级粒子（如 $$\mu$$子、电子、光子及强子）。
* **技术特点**：
* **全天候工作**：不受天气、昼夜或月光限制，实现 24 小时连续不间断全天区扫描。
* **阵列设计**：通常由成百上千个闪烁体探测器（Scintillation Detector）或水切伦科夫探测器（Water Cherenkov Detector）稀疏或紧密地排布在数平方公里至数千平方公里的高原地表。
* **测量参数**：通过各探测器触发的时间差反推原初粒子的入射角度；通过次级粒子的横向密度分布（LDF）估计原初粒子的能量；通过测量次级粒子中 $$\mu$$子 与电子的比例来鉴别原初粒子的成分（强子还是重核）。
* **典型代表**：
* **LHAASO（高海拔宇宙线观测站，中国稻城）**：位于海拔 4410 米，集成了广域水切伦科夫探测器阵列（WCDA）、百米级 $$\mu$$子 探测器阵列（MDA）以及电磁粒子探测器阵列（ED），是目前世界上最灵敏的超高能伽马射线探测装置，首次发现了拍电子伏特宇宙加速器。
* **Pierre Auger 实验（阿根廷）**：占地 3000 平方公里，专注于研究宇宙中最极端的最高能宇宙线（UHECR）。
## 地下实验装置
为了寻找极其稀有的物理事件（如暗物质直接探测、中微子振荡、双 $\beta$ 衰变及质子衰变），地面的物理学家面临着一个无法逾越的屏障——极其强烈的地面宇宙线 $$\mu$$子 背景。这些 $$\mu$$子 穿透力极强，会瞬间淹没微弱的信号。因此，这类实验必须搬到几百米至数公里深的地下深隧、废弃矿井或山体隧道中，利用厚重的岩石作为物理“屏蔽体”。
### 水下切伦科夫探测技术
水下（或冰下）切伦科夫探测技术通常用于建造超大型的**高能中微子天文台**。由于中微子的反应截面极小，需要立方公里量级的超大靶质量才能捕获足够的事例。科学家直接利用深海、深湖中的洁净纯水或南极深层的透明冰层作为天然的介质和靶物质。
* **探测原理**：
* 高能宇宙中微子穿过地球时，极小概率与水分子（或冰）中的原子核发生弱相互作用，产生高能的相对论性带电粒子（如 $$\mu$$子 、电子或 $\tau$子）。
* 这些带电粒子在水或冰中高速前进，释放出切伦科夫光。
* 深埋在水下或冰下的高灵敏度光电倍增管（PMT）三维点阵会记录下这些光子到达的时间和强度，进而精确重建出中微子的能量和它在宇宙中的来源方向。
* **典型代表**：
* **IceCube（南极冰立方中微子天文台）**：将数千个 PMT 埋在南极深达 1.5～2.5 公里 的冰层中，体积达 1 立方公里，首次捕获了地外高能中微子流。
* **KM3NeT（地中海）** / **Baikal-GVD（贝加尔湖）**：深水高能中微子阵列。
* **TRIDENT（“海铃”计划，中国南海）**：中国正在筹建的下一代深海巨型中微子望远镜。
### 中微子探测技术
除了上述针对天体物理源的立方公里级“天眼”外，地下实验装置还侧重于对低能段中微子（如反应堆中微子、太阳中微子、超新星中微子）进行精确测量，以攻克**中微子质量顺序**和 **CP 破坏相角**等粒子物理的核心未解之谜。
* **核心技术探测器**：
* **大型液体闪烁体探测器（Liquid Scintillator, LS）**：液体闪烁体能量分辨率极高。低能反电子中微子（$\bar{\nu}\_e$）与液闪中的质子发生**反 $\beta$ 衰变（IBD）**：$\bar{\nu}\_e + p \to e^+ + n$。实验通过捕获正电子湮灭的“瞬时信号”和中子被氢（或钆）俘获的“延迟信号”构成的时间双符合，来实现极高信噪比的中微子测量。
* **大型纯水切伦科夫探测器**：利用上万吨极其纯净的水，测量低能中微子与电子散射产生的切伦科夫光。
* **典型代表**：
* **Super-Kamiokande（超级神冈，日本）**：五万吨级的地下纯水切伦科夫探测器，在中微子振荡的发现中做出了诺贝尔奖级别的贡献。
* **JUNO（江门中微子实验，中国）**：位于地下 $700,\text{m}$，建造了一个直径 $35.4,\text{m}$ 的有机玻璃球，内装 $2$ 万吨液体闪烁体，配有数万只高性能 PMT。其核心科学目标是在国际上率先测定中微子质量顺序，并精确测量中微子振荡矩阵的 3 个参数。
* **中国锦屏地下实验室（CJPL）**：拥有 $2400,\text{m}$ 的世界最深岩石覆盖，宇宙线 $\mu$子 通量降到了地面的亿分之一，是目前全球开展暗物质直接探测（如 PandaX、CDEX 实验）和低能中微子实验环境最洁净的“圣地”。
**参考**：[5 Particle Astrophysics](/study-manual/5.-cosmic-rays-and-particle-physics.md)。
1. Particle Data Group. (2024). Review of Particle Physics. *Physical Review D*, 110(3), 030001.
2. Cao, Z., et al. (LHAASO Collaboration). (2021). Ultrahigh-energy photon sources in our Milky Way with light-years acceleration energy. *Nature*, 594(7861), 32-36.
3. IceCube Collaboration. (2013). Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector. *Science*, 342(6161), 1242856.
4. DAMPE Collaboration. (2017). Direct detection of a break in the teraelectronvolt cosmic-ray electron spectrum. *Nature*, 552(7683), 63-66.
5. An, F., et al. (JUNO Collaboration). (2016). Neutrino Physics with JUNO. *Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics*, 43(3), 030401.
6. 贺晓涛, 郭义庆. (2020). 广延大气簇射与地面宇宙线探测技术综述. *中国科学: 物理学 力学 天文学*, 50(12), 129501.
## 探测器性能
### 角分辨
角分辦率是指的是包含 68% 的事例的时候对应的原初与重建的角差，角分辦的重建精度会随着能量和天顶角变化，角分辦是影响阵列灵敏度的一个重要指标。
### 芯位分辨
[“芯位重建精度为包含 68% 的事例的时候对应的原初与重建的芯位的差值”是一种用来评价芯位重建方法好坏的指标，它表示在所有模拟或实测的簇射事例中，有 68% 的事例的芯位重建误差小于或等于这个差值。](https://xueshu.baidu.com/usercenter/paper/show?paperid=99788d8c8d6f08626a6b8c48e7150818)
### 能量分辨
宇宙线探测器的**能量分辨率**是衡量探测器**区分宇宙线粒子能量微小差异能力**的关键性能指标。它反映了探测器测量粒子能量的精确度和可靠性，通常用**相对误差**来表示。即测量能量的标准偏差与粒子真实能量的比值：
R = \frac{\Delta E}{E}
## 探测器硬件
### 光纤-单模光纤和多模光纤
多模光纤具有更大的直径，支持多个光传输模式（支持不同波长），使用 LED 作为光源，价格高于单模光纤。
单模光纤采用固态激光二极管作为光源，配套设备比多模更昂贵，综合导致使用多模光纤的成本远小于使用单模光纤的成本，且在短距离光传输条件下，特别是局域网布线场景中，多模光纤与单模光纤的工作状态一样良好。在成本优势的推动下，多模光纤更适合用于数据中心建设。单模光纤则更适合长距离通信。
### 电缆-同轴电缆
**同轴电缆是用于以低信号损耗将高射频 （RF） 信号从一个点传输到另一个点的电传输线**，主要用于电话线、有线电视、互联网、手机增强器等等。最常见的两个阻抗值是 $$50\ Ω$$ 和 $$75\ Ω$$。
注意：同轴电缆必须接地以防止串扰。同轴电缆的其他特点包括：
1. 抗干扰能力强：同轴电缆的外部导体可以有效屏蔽外部电磁干扰，保证信号传输的稳定性和可靠性。
2. 传输距离远：同轴电缆的传输距离比普通电缆更远，信号衰减更小，适用于长距离传输。
3. 阻抗匹配性好：同轴电缆的内外导体之间的结构设计使其具有良好的阻抗匹配性，可以有效减少信号的反射和损耗。
4. 安装方便：同轴电缆具有柔软性和耐磨性，安装方便，适用于各种复杂环境。
### 电缆-双绞线
双绞线是一种用于传输信号的电缆，由两根细的金属线紧密绞合在一起组成。每根金属线都被称为一条绞线，两条绞线相互缠绕形成绞合，因此被称为双绞线。双绞线是为了消除电缆中的串扰,双绞线电缆减少了来自外部源或有时来自相邻线对的信号干扰。
### 直通线和交叉线
* 连接两个不同类型的设备时，应该使用直通线。
* 连接两个相同类型的设备时，应该使用交叉线。
### 电磁干扰
电磁干扰（EMI）通常是由电缆外部的来源产生的，它可以是电源线或设备，或者在某些情况下是不符合 ANSI/TIA-568 规范的相邻以太网电缆。通过电磁感应到临近电缆中的不良信号。
### 串扰
串扰是由一对电线传输到另一对电线的信号的电感应，由于串扰是通过磁力传递的，因此导体不需要彼此物理接触。这种不希望发生的情况可能会导致数据信号传输在长电缆段上变慢或完全终止，双绞线以太网电缆中的电线扭曲可大大减少串扰及其负面影响。
### 螺丝钉与螺钉旋具
#### **螺丝钉 Screw**
螺丝钉是一种紧固件，简称螺钉或螺丝（螺丝是一种误称，因为“螺丝”其实指的是螺丝钉的螺纹）。螺丝钉的结构与普通钉子相似，由钉头（Head）和钉杆（Threaded Shank）两部分组成。主要功能是利用螺纹（Thread）的正向力和摩擦力提供纵向拉力将两个物体接合在一起。
螺纹（Thread）由螺线缠绕钉杆形成；钉杆顶端为钉尖（Point）；钉头下方，钉杆上部光滑、无螺纹的部分，称作螺柄（Shank），具有螺柄的螺丝钉通常较长，光滑的螺柄不再具有拉力，钉杆下部的螺纹可以将下方材料与上方材料更加紧密的贴合在一起。
螺丝钉通常需要和螺钉旋具配合使用。钉头下方是承面（平面或斜面），用于与材料贴合，越大的承面，上部物体越稳固。钉头上方的凹槽是传动槽（Drive），又称螺丝刀槽、批槽、刀槽、螺丝槽，用于传递扭矩。目视方向上，顺时针方向旋转为嵌紧；逆时针方向旋转则为松出。
**螺丝钉的材质和分类**：
螺丝钉的材质一般为金属（又分铁质或不锈钢）和塑料。
* **机械牙螺钉**：配时先在装配物上钻孔攻牙，所攻内牙与螺丝的外牙规格一致。
* **自攻螺钉**：螺纹足够坚硬，可以在较软的材料上切削出内螺纹，无需预打孔。
* **钻尾螺钉**：用于嵌固金属板材，多数为细牙，具有稳固、维持力高的特点。
**螺钉头型**：
螺钉头种类繁多，每种都有特定的形状和用途，常见的有沉头、圆头和垫圈头。
* **沉头**：拧紧后表面无任何突起，甚至可以隐藏，简洁美观；与垫圈相比，承面较小不牢固（表面材料易于晃动），需要预开沉孔；适用于家具、精密工具组装场景。
* **圆头**：快捷简单通用；拧紧后有凸起，美观不足，牢固性；适用于金属件连接。
* **垫圈头**：头部带有一个与头部一体成型的宽大垫圈，通常是平的，也有一些是带锯齿。有效防止压溃表面材料，并提供更好的牢固性，具有一定的防水防尘效果；成本高，不美观。
**螺丝钉传动槽**
按照形状可以大致分为：
* **一字**：兼容性强，操作简单；但极易打滑；无法承受较大的拧紧力矩，不适用于高强度连接。安装时需要手动将螺丝刀与槽精确对齐，效率低。
* **十字**：有一定的自对中能力，装配效率比“一字”高，普及常见，用一字旋具可应急使用；但在高扭矩下容易脱口，槽型不精密（如菲利普斯 Phillips 和 Frearson）。
* **米字：**可承受更大的拧紧和拆卸力矩；但需要专用的米字螺丝刀，与普通十字螺丝刀不通用，且成本稍高，主要应用在需要高扭矩的场合，如家电、汽车、电子产品内部结构件。
* **星型（六角星）：**极高的扭矩传递能力和抗打滑性；必须使用对应的星型螺丝刀，规格众多，适用于更高要求的场所，如电子产品、航空航天等。
* **方头**：适合高扭矩应用场景，如木工，家具等。
* **外六角**：扭矩传递能力最大，特别适合重型机械、结构连接，如建筑行业。
* **内六角**：凹孔而不是凸起的头，兼具了高扭矩、节省空间、美观的优点，是机械装配中最常用的高扭矩螺钉之一。
* **异型头**：如 Y 型，普通家庭一般没有 Y 型螺丝刀，可防止用户随意拆解。
**螺丝钉尺寸**
* d = 公称直径（如 M6 即 6 毫米）
* P = 螺距（相邻螺纹间距）
* L = 公称长度（不含头部）
**e.g.** M6×20-8.8 表示螺丝钉直径 6 毫米，长 20 mm，强度等级8.8。
#### 螺栓与螺帽
螺栓与螺钉功能类似，但通常与螺母（俗称螺帽）和垫片配合使用。
**膨胀螺栓**
#### 螺钉旋具
又称螺丝起子、螺丝批（港澳台叫法）、螺钉绞、螺丝刀（《现代汉语词典》和中国机械工程术语标准中广泛使用）或改锥等。一些螺丝刀具有更换**批头**的功能**，**来实现一定的通用型。
#### 结语
不同的螺丝钉头、杆、材质、材质又可以互相组合，导致螺丝钉种类繁多，在实际工况中，选择合适的螺丝钉可以事半功倍。
**参考：**
*
## 负电压
电压的大小是相对于选择的**参考**而言的，当实际电压低于参考电压时，电压值为负。负电压的作用包括：
* 避免电子积聚而产生大电流损坏测试设备和电子部件。因为电子是带负电荷的，它会向正电压方向（高电位端）流动，电子的流动也就形成为电流。使用负电压时，过多的电子因为负电荷的缘故，会聚集到负电压的高电平端，也就是设备电源的接地端，而不会聚集在测试设备上。这样一来，设备因电子聚集而产生电流烧坏设备的机率就大大降低，设备的稳定性能就相应有所提高，设备的稳定性，直接决定了测试系统的稳定性和测量的精确一致度。
* 在一定程度上避免电磁方面的干扰 根据物理学上电磁场的特性，负电压对于系统测试微安级或是更小级别的电信号时是有有益帮助的，能够提高系统测试毫欧级的小电阻的精确度。而对于使用负电压供电的设备，则可以提高设备的抗电磁干扰能力。
* 对人体和电子产品的安全性能也好于正电压