電子漂移速度測(cè)量

(清華大學(xué) 實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)中心)

電子漂移速度測(cè)量

(清華大學(xué) 實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)中心)

1 主要內(nèi)容

20世紀(jì)初云室的發(fā)明實(shí)現(xiàn)了氣體中帶電粒子運(yùn)動(dòng)徑跡的測(cè)量，但其記錄方法早期多為照相法，圖像需特殊的測(cè)量器具分析，工作過(guò)程緩慢且繁瑣. 物理學(xué)家夏帕克(G. Charpak)發(fā)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(xué)獎(jiǎng).

實(shí)驗(yàn)涉及到力學(xué)、電磁學(xué)和高能物理等諸多分支學(xué)科，其設(shè)計(jì)思想源自高能物理實(shí)驗(yàn)中多絲室和漂移室的應(yīng)用.

漂移室的結(jié)構(gòu)與多絲正比室類似. 典型的正比室是在細(xì)絲和導(dǎo)體管壁間加高壓，帶電粒子穿過(guò)充氣管使氣體電離，釋放電子而變成正離子. 在電場(chǎng)作用下，電子向管心的細(xì)絲(即陽(yáng)極)運(yùn)動(dòng)，接近細(xì)絲處電場(chǎng)非常強(qiáng)，電子被電場(chǎng)加速獲得足夠的能量使氣體發(fā)生次級(jí)電離，釋放更多的電子. 這一過(guò)程反復(fù)發(fā)生便形成電子和正離子的雪崩，二者的運(yùn)動(dòng)在陽(yáng)極絲產(chǎn)生感應(yīng)電信號(hào)，從而給出帶電粒子通過(guò)的信息.

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置. 具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程是，利用紫外激光電離氣體分子中的電子，在外加電場(chǎng)的作用下，電離的電子加速運(yùn)動(dòng)，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(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致電子很快達(dá)到平衡狀態(tài)，遂以恒定的速度向陽(yáng)極面漂移. 測(cè)量入射激光的位置、激光脈沖與陽(yáng)極信號(hào)之間的時(shí)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(shí)驗(yàn)裝置

2 創(chuàng)新點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及到諸多物理分支學(xué)科：

1)力學(xué)：電場(chǎng)中電子漂移過(guò)程運(yùn)動(dòng)符合力學(xué)理論中牛頓運(yùn)動(dòng)方程，即速度正比阻尼項(xiàng).

2)電磁學(xué)(細(xì)圓柱體周圍的電場(chǎng)分布、電離過(guò)程與信號(hào)放大)：漂移室結(jié)構(gòu)、電場(chǎng)分布規(guī)律以及電子電離的規(guī)律適用于電磁學(xué)理論.

3)高能物理學(xué)(氣體漂移室的徑跡測(cè)量)：利用漂移室測(cè)量帶電粒子徑跡，是現(xiàn)代粒子物理與核物理實(shí)驗(yàn)中帶電粒子最為常用的測(cè)量方法.

3 主要成效

通過(guò)漂移室/多絲正比室的基本使用，學(xué)習(xí)力學(xué)、電磁學(xué)和高能物理的綜合理論及實(shí)驗(yàn)技能，初步了解其在物理實(shí)驗(yàn)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)、天文學(xué)等研究領(lǐng)域中的測(cè)量手段和重要作用.

本實(shí)驗(yàn)由教師全程負(fù)責(zé)，實(shí)驗(yàn)中心技術(shù)人員作為支撐，由助教指導(dǎo)本科生完成，歷時(shí)2年，仿效了科研工作運(yùn)作模式，即文獻(xiàn)調(diào)研、相關(guān)知識(shí)學(xué)習(xí)、方案設(shè)計(jì)、討論與實(shí)施、重復(fù)及優(yōu)化、結(jié)論分析等過(guò)程. 以基本實(shí)驗(yàn)儀器或部件示波器、電源等為基礎(chǔ)，結(jié)合研究對(duì)象漂移室，實(shí)現(xiàn)了電子漂移速度的測(cè)量. 2015年12月，獲清華大學(xué)學(xué)生實(shí)驗(yàn)室建設(shè)貢獻(xiàn)一等獎(jiǎng)，并由本科生在國(guó)際物理教育大會(huì) (ICPE2015) 做口頭報(bào)告.

(執(zhí)筆：肖志剛)