高能物理實(shí)驗(yàn)研究需要精確測量實(shí)驗(yàn)中基本粒子衰變的產(chǎn)物或次級粒子的能量,測量粒子能量的探測器稱為量能器(Calorimeter)。粒子穿過介質(zhì)時與介質(zhì)之間的相互作用,因粒子的能量、特性以及介質(zhì)特性的不同而發(fā)生不同的電磁作用、強(qiáng)作用、弱作用過程,量能器分為電磁量能器(EMC)和強(qiáng)子量能器(HAC)兩類。
高能電子或γ光子在介質(zhì)中會產(chǎn)生電磁簇射,其次級粒子總能量損失與入射粒子總能量成正比,收集到總能量損失即可確定粒子的總能量。電磁量能器(Electromagnetic Calorimeter)又稱簇射計(jì)數(shù)器,是利用γ和e等在介子中會產(chǎn)生電磁簇射的原理,通過測量電磁簇射(左圖)的次級粒子的沉積能量,得到γ和e等的能量,它是鑒別γ和e等電磁作用粒子與其它種類粒子的主要探測器。
電磁量能器通常用無機(jī)閃爍體制作,分為全吸收型如碘化鈉(鉈)、鍺酸鉍、鉛玻璃等和取樣型兩種。全吸收型有很好的能量分辨,如CsI可達(dá)2%(1GeV)。取樣型由取樣計(jì)數(shù)器與鉛板交迭而成(右圖為L3探測器的鍺酸鉍電磁量能器)。取樣計(jì)數(shù)器可以是液氬電離室、塑料閃爍計(jì)數(shù)器和多絲室,吸收體多為鉛板,也有使用鎢板的,其能量分辨為10-25%(1GeV)。
強(qiáng)子量能器(hadron calorimeter)利用強(qiáng)子會在介質(zhì)中產(chǎn)生復(fù)雜的強(qiáng)子簇射的原理,通過測量強(qiáng)子簇射過程(左圖)(也包括少量電磁簇射)次級粒子的沉積能量得到入射強(qiáng)子的能量。它是鑒別強(qiáng)子(π、K、p)和其它種類粒子的主要探測器。它不但可以測量帶電粒子,也可測量中性強(qiáng)子(如中子)。
強(qiáng)子量能器通常都是取樣型的,其結(jié)構(gòu)與電磁量能器十分相似,采用塑料閃爍體計(jì)數(shù)器、漂移室,流光室(管)、阻性板室(RPC)和陰極條室(CSC)等與鐵(鈾)板交迭而成。 吸收體用鐵、銅、鉛板,也有用鈾板的,可捕獲簇射中產(chǎn)生的快中子而發(fā)生裂變,從而減少中子的泄漏,改善了量能器的能量響應(yīng)和分辨率。一個適中規(guī)模的強(qiáng)子量能器﹐其能量的測量范圍可以覆蓋幾個量級。隨著加速器能量的提高﹐強(qiáng)子量能器的優(yōu)點(diǎn)會更突出。