電子光子簇射計數器

高能電子或光子在介質中會產生電磁級聯簇射。當高能電子或光子進入介質時，簇射產生的次級粒子(正負電子和光子)數目隨著介質的深度增加而迅速增加，次級粒子的平均能量也隨著減小，它們以原始入射粒子的方向為軸而對稱分佈。當次級粒子的平均能量接近於該介質的臨界能量Ec時，粒子的增殖將逐步停止，在某一介質深度，次級粒子的數目達到極大值。隨後，次級帶電粒子將以電離和激發介質原子為主要方式損失能量，逐漸被介質吸收。因此，次級粒子數目在達到極大值以後將隨介質深度而近似按指數衰減。只要介質具有足夠的深度，簇射產生的次級粒子將全部被介質吸收，它們的全部能量都沉積在介質中。

根據能量沉積的測量，人們可以測到入射電子或光子的能量。根據能量沉積分佈的測量，可以確定入射電子或光子的入射方向。按照這種計數器的結構和它們的運行方式可以把它們分為兩類：全吸收型和取樣型電子光子簇射計數器。

電子光子簇射計數器通常包括：碘化鈉晶體組成的閃爍譜儀和鉛玻璃切倫科夫計數器。碘化鈉晶體（輻射長度λo=2.6cm，臨界能量Ec=12.5MeV）和鉛玻璃（例如含有53％氧化鉛的透明玻璃,λo=2.84cm，Ec＝17.3MeV；折射率n≈1.65）都能有效地引起電子光子級聯簇射，它們既是簇射介質，又是對帶電粒子靈敏的探測元件。簇射產生的次級粒子（正負電子）在碘化鈉晶體中沉積能量，晶體又把沉積的能量成比例地轉換成閃爍熒光，經光電倍增管轉換成與能量成正比的電荷量輸出。在鉛玻璃中簇射產生的正負電子，當它們的速度超過切倫科夫閾速度（見切倫科夫輻射）──相應電子動能Ek>150keV時，正負電子將產生切倫科夫光，光的產額和超過閾速度的次級正負電子的徑跡長度成正比。切倫科夫光由光電倍增管成比例地轉換成電荷輸出。因此，在一定測量精度範圍內，輸出電荷量和次級正負電子的徑跡總長度成正比，即和入射電子或光子的總能量成正比。全吸收型電子光子簇射計數器通常做成積木式結構，如圖1所示。每塊晶體（或鉛玻璃）由獨立的光電倍增管來收集光，各光電倍增管輸出電荷量的總和正比於入射高能電子或光子的能量。能量沉積在各單元的分配代表了簇射次級粒子數目的橫向（與入射粒子方向垂直的平面內）分佈，分析各單元輸出電荷量的分佈重心，就能確定入射電子或光子的空間方位。

電子光子簇射計數器是由簇射介質和取樣探測元件組成，幾種常用的單元如圖2所示。實際用的簇射計數器可以由這樣一些基本單元構成。高能電子或光子入射到這種計數器中，在簇射介質（常用的有鉛,λo=0.56cm，Ec=7.2MeV；鎢，λo=0.35cm, Ec=7.9MeV）中產生電磁級聯簇射，次級正負電子穿越各探測元件（塑料閃爍體、多絲室或電離室的靈敏區）在其中的能量沉積成正比地轉換成電脈衝幅度。雖然沉積在簇射介質中的能量是無法測量的，但只要合理選取簇射介質的取樣厚度和探測元件的取樣厚度，並使總體布局最佳化，就可以用蒙特－卡羅法來模擬簇射次級粒子在量能器中的能量沉積分佈，並通過實驗刻度，從而找出探測元件的輸出電荷量和簇射次級粒子在整個計數器中的能量沉積的定量關係，實現對入射電子或光子的能量測量。

只要取樣的“顆粒度”足夠細，各個取樣單元的輸出電荷量將描繪出級聯簇射能量沉積的空間分佈。能量沉積的橫向分佈的重心直接和入射電子或光子的橫向坐標相關聯。不僅如此，能量沉積的橫向分佈和縱向分佈還明顯地依賴於入射粒子的性質。因此，可以根據各取樣單元輸出電荷量的橫向和縱向分佈的特點來確定入射電子和光子的方向和鑒別粒子。

一個完善的電子光子簇射計數器（包括相應的讀出電子學器件）應能精確地測量入射電子或光子的能量和它們的入射方向，還應能夠排除強子和μ子造成的本底，因此希望這種計數器有好的能量解析度和能量線性，還要有好的空間解析度和高的粒子鑒別能力。

蒙特－卡羅模擬和實驗結果表明，要吸收全部次級粒子所需的計數器的縱向深度, Eo是被測電子或光子的能量，可見所需的計數器的縱向深度隨被測粒子的能量以對數方式增加。因此，一個簇射計數器測量能量範圍有可能覆蓋幾個量級，這是一般磁譜儀所無法實現的。隨著加速粒子能量的增加，電子光子簇射計數器已經成為高能物理實驗中不可缺少的實驗設備。