电子光子簇射计数器

根据能量沉积的测量，人们可以测到入射电子或光子的能量。根据能量沉积分布的测量，可以确定入射电子或光子的入射方向。按照这种计数器的结构和它们的运行方式可以把它们分为两类：全吸收型和取样型电子光子簇射计数器。

全吸收型

全吸收型电子光子簇射计数器通常包括：碘化钠晶体组成的闪烁谱仪和铅玻璃切伦科夫计数器。碘化钠晶体（辐射长度λo=2.6cm，临界能量Ec=12.5MeV）和铅玻璃（例如含有53%氧化铅的透明玻璃,λo=2.84cm，Ec=17.3MeV；折射率n≈1.65）都能有效地引起电子光子级联簇射，它们既是簇射介质，又是对带电粒子灵敏的探测元件。簇射产生的次级粒子（正负电子）在碘化钠晶体中沉积能量，晶体又把沉积的能量成比例地转换成闪烁荧光，经光电倍增管转换成与能量成正比的电荷量输出。在铅玻璃中簇射产生的正负电子，当它们的速度超过切伦科夫阈速度（见切伦科夫辐射）-相应电子动能Ek>150keV时，正负电子将产生切伦科夫光,光的产额和超过阈速度的次级正负电子的径迹长度成正比。切伦科夫光由光电倍增管成比例地转换成电荷输出。因此，在一定测量精度范围内，输出电荷量和次级正负电子的径迹总长度成正比，即和入射电子或光子的总能量成正比。全吸收型电子光子簇射计数器通常做成积木式结构，如图1所示。每块晶体（或铅玻璃）由独立的光电倍增管来收集光，各光电倍增管输出电荷量的总和正比于入射高能电子或光子的能量。能量沉积在各单元的分配代表了簇射次级粒子数目的横向（与入射粒子方向垂直的平面内）分布,分析各单元输出电荷量的分布重心,就能确定入射电子或光子的空间方位。

取样型

取样型电子光子簇射计数器是由簇射介质和取样探测元件组成,几种常用的单元如图2所示。实际用的簇射计数器可以由这样一些基本单元构成。高能电子或光子入射到这种计数器中，在簇射介质（常用的有铅,λo=0.56cm，Ec=7.2MeV；钨，λo=0.35cm, Ec=7.9MeV）中产生电磁级联簇射，次级正负电子穿越各探测元件（塑料闪烁体、多丝室或电离室的灵敏区）在其中的能量沉积成正比地转换成电脉冲幅度。虽然沉积在簇射介质中的能量是无法测量的,但只要合理选取簇射介质的取样厚度和探测元件的取样厚度，并使总体布局最佳化，就可以用蒙特-卡罗法来模拟簇射次级粒子在量能器中的能量沉积分布，并通过实验刻度，从而找出探测元件的输出电荷量和簇射次级粒子在整个计数器中的能量沉积的定量关系，实现对入射电子或光子的能量测量。

只要取样的“颗粒度”足够细，各个取样单元的输出电荷量将描绘出级联簇射能量沉积的空间分布。能量沉积的横向分布的重心直接和入射电子或光子的横向坐标相关联。不仅如此，能量沉积的横向分布和纵向分布还明显地依赖于入射粒子的性质。因此，可以根据各取样单元输出电荷量的横向和纵向分布的特点来确定入射电子和光子的方向和鉴别粒子。

一个完善的电子光子簇射计数器（包括相应的读出电子学器件）应能精确地测量入射电子或光子的能量和它们的入射方向，还应能够排除强子和μ子造成的本底，因此希望这种计数器有好的能量分辨率和能量线性，还要有好的空间分辨率和高的粒子鉴别能力。

蒙特-卡罗模拟和实验结果表明，要吸收全部次级粒子所需的计数器的纵向深度, Eo是被测电子或光子的能量，可见所需的计数器的纵向深度随被测粒子的能量以对数方式增加。因此，一个簇射计数器测量能量范围有可能覆盖几个量级，这是一般磁谱仪所无法实现的。随着加速粒子能量的增加，电子光子簇射计数器已经成为高能物理实验中不可缺少的实验设备。

当高能电子或光子进入介质时，簇射产生的次级粒子(正负电子和光子)数目随着介质的深度增加而迅速增加，次级粒子的平均能量也随着减小，它们以原始入射粒子的方向为轴而对称分布。当次级粒子的平均能量接近于该介质的临界能量Ec时，粒子的增殖将逐步停止，在某一介质深度，次级粒子的数目达到极大值。随后，次级带电粒子将以电离和激发介质原子为主要方式损失能量，逐渐被介质吸收。因此，次级粒子数目在达到极大值以后将随介质深度而近似按指数衰减。只要介质具有足够的深度，簇射产生的次级粒子将全部被介质吸收，它们的全部能量都沉积在介质中。

强子量能器与取样型电子光子簇射计数器相似，只是取样的媒质材料和取样厚度的选择不同。强子取样量能器通常选用核吸收长度小而辐射长度适中的材料(常用铁，λ0=17.1厘米)为簇射媒质，并选择适当的取样厚度 ，使它们不仅对次级强子的取样合理，而且还满足对次级粒子中电磁分量的取样要求。

强子量能器设计尺寸取决于吸收全部(约95%)簇射次级粒子所需的媒质的线度，它的深度 L(λ0)≈lnE0，E0为入射强子的能量，以吉电子伏为单位。强子量能器的尺寸通常比电子光子簇射计数器的大。

强子级联簇射中有许多随机过程，存在各种统计涨落因素，如第一次多重产生发生的位置、次级强子中π所占的比例等的涨落。这些因素直接决定了量能器的能量分辨率和空间分辨率。强子级联簇射过程中的统计涨落比电磁级联簇射过程的大得多，所以强子量能器的能量分辨率和空间分辨率等性能一般比电子光子簇射计数器的差 ，但是能量分辨率随入射强子能量的增加而改善(σe/E0∝1/E，σe为测量能量的标准偏差)。