電子漂移速度測量

(清華大學 實驗物理教學中心)

電子漂移速度測量

(清華大學 實驗物理教學中心)

1 主要內容

20世紀初云室的發明實現了氣體中帶電粒子運動徑跡的測量，但其記錄方法早期多為照相法，圖像需特殊的測量器具分析，工作過程緩慢且繁瑣. 物理學家夏帕克(G. Charpak)發明了多絲正比室，很好地解決了上述困難，因此獲1992年諾貝爾物理學獎.

實驗涉及到力學、電磁學和高能物理等諸多分支學科，其設計思想源自高能物理實驗中多絲室和漂移室的應用.

漂移室的結構與多絲正比室類似. 典型的正比室是在細絲和導體管壁間加高壓，帶電粒子穿過充氣管使氣體電離，釋放電子而變成正離子. 在電場作用下，電子向管心的細絲(即陽極)運動，接近細絲處電場非常強，電子被電場加速獲得足夠的能量使氣體發生次級電離，釋放更多的電子. 這一過程反復發生便形成電子和正離子的雪崩，二者的運動在陽極絲產生感應電信號，從而給出帶電粒子通過的信息.

圖1為實驗裝置. 具體的實驗過程是，利用紫外激光電離氣體分子中的電子，在外加電場的作用下，電離的電子加速運動，但由于與氣體分子的頻繁碰撞而受到阻力作用，該阻力與速度成正比. 二者競爭導致電子很快達到平衡狀態，遂以恒定的速度向陽極面漂移. 測量入射激光的位置、激光脈沖與陽極信號之間的時間差，可以利用示波器或自編軟件確定電子的漂移速度.

圖1 實驗裝置

2 創新點

實驗內容涉及到諸多物理分支學科：

1)力學：電場中電子漂移過程運動符合力學理論中牛頓運動方程，即速度正比阻尼項.

2)電磁學(細圓柱體周圍的電場分布、電離過程與信號放大)：漂移室結構、電場分布規律以及電子電離的規律適用于電磁學理論.

3)高能物理學(氣體漂移室的徑跡測量)：利用漂移室測量帶電粒子徑跡，是現代粒子物理與核物理實驗中帶電粒子最為常用的測量方法.

3 主要成效

通過漂移室/多絲正比室的基本使用，學習力學、電磁學和高能物理的綜合理論及實驗技能，初步了解其在物理實驗、醫學、生物學、材料科學、天文學等研究領域中的測量手段和重要作用.

本實驗由教師全程負責，實驗中心技術人員作為支撐，由助教指導本科生完成，歷時2年，仿效了科研工作運作模式，即文獻調研、相關知識學習、方案設計、討論與實施、重復及優化、結論分析等過程. 以基本實驗儀器或部件示波器、電源等為基礎，結合研究對象漂移室，實現了電子漂移速度的測量. 2015年12月，獲清華大學學生實驗室建設貢獻一等獎，并由本科生在國際物理教育大會 (ICPE2015) 做口頭報告.

(執筆：肖志剛)