多丝正比探测器

多丝正比探测器即多丝正比室，是六十年代后期发展起来的对带电粒子进行综合描述的一种新型探测器。它对带电粒子探测效率高，空间和时间分辨率好，已成为高能物理实验不可缺少的工具，在中能和低能核物理、天体物理、宇宙线物理以及医学、生物学等领域中也日益受到注意。

图1 多丝室结构原理
1. 入射粒子 2. 阳极丝 3. 阴极
4. 密封窗

工作原理及典型结构 图1是多丝正比室的典型结构。主要包括阳极丝平面、阴极丝平面、框架、密封窗和保护条等。
阳极丝平面是由许多平行而且等间距的金属细丝组成(图1每一点代表一根垂直走向的阳极丝)，它位于两个平行的阴极丝平面之间。要保证有相同的气体放大，从而得到好的能量分辨，必须选择均匀的阳极丝。阳极丝之间的距离S称为丝距，阳极平面与阴极平面的距离L称为极间距。阴极一般采用50～100μm的铜丝、不锈钢丝或镀金钼丝等组成丝平面，丝距按0.5～1mm排列，作用基本上能和平板电极一样，但可减少多次散射。室内通入工作气体(甲烷、氙气或其他混合气体)，并在阳极与阴极之间加上直流高压，这便构成了一个多丝正比室。每根阳极丝相当于一个独立的圆柱形正比计数管的阳极。当入射粒子进入多丝正比室时，就和在普通正比计数管中一样，在最近一根阳极丝上形成电脉冲。
原则上讲，位置分辨决定于阳极丝的丝距S,S越小位置分辨越好。但是目前制造<1mm丝距的室在技术上还有一定困难。
在定位测量中，通常用两层丝平面平行而丝的取向正交的阳极丝来确定入射粒子的位置。图2示出一组阳极丝X取向，另一组Y取向。当入射粒子进入室内A点时，由X_A,Y_A两根阳极丝的符合输出信号就能确定入射粒子位置在A处。
但是，如果有两个（或更多）粒子同时进入室内A、B两处时，则不仅在XAYA和XBYB有符合信号输出，而且

图2 二重符合定位示意
为输出信号符号

图3 三重符合定位示意

在X_AY_B和X_BY_A也有输出，这就难以鉴别粒子的真正位置。为了去伪存真，必需再加一层阳极丝，使它与原来的两层丝平面平行而丝的取向Z与X或Y成一斜角 (见图3)，一般15～30°。这样便由X_AY_AZ_A和X_BY_BZ_B的三重符合信号定出两个入射粒子的位置在A和B。这种正比室是由三层阳极丝平面和四层阴极丝平面组成。为了减少探测器的厚度，有人正致力于用一层阳极丝和两层阴极丝平面来组成三维坐标。
记录多丝正比室信息的电子学线路称为多丝室的读出系统。多丝室的用途不同，其规模和结构也不同，相应的读出系统也多种多样。在较早和较简单的系统中，为了减少电子学线路，多根丝共用一套放大器、甄别器，用延迟线将各丝串联起来接到一个共用放大器上，利用信息到达放大器时间不同来区别信息产生的位置。目前一般的读出系统是每根丝有一套相应的电子学线路，包括信息模拟放大、甄别、存贮等，而后用不同的读出逻辑来获取数据送入计算机，利用电荷分除法、信号脉冲串中心法等来处理数据，确定信息产生的中心位置或精确位置。
工作气体的选择主要根据在一定电压下有高的气体放大倍数； 对光电子有好的猝灭； 电子的漂移速度尽可能快； 阻止本领高及不易老化。通常采用甲烷作为工作气体，有时也用氙或其他混合气体。例如67.6%氩+25%异丁烷+0.4%氟里昂13(B₁)+7%二甲醇缩甲醛就是一种较好的混合气体，它可以获得10⁷～10⁹的气体放大倍数，且随工作电压的变化甚小。此外可以使灵敏区控制在丝的附近从而改善位置分辨。
主要性能及应用 由于多丝正比室的定位精度高达1mm甚至100μm以上，对进入室内的带电粒子的探测效率高达99.5%以上，在高能物理实验中最主要是用来对带电粒子描迹。用穆斯堡尔效应分析物质结构时，多丝室也是最合适的探测器。在天体物理学中，要利用高能γ线探索银河系中是否存在高能电子、高能核与基本粒子的反应时，这种测量必须在大气层之上进行，多丝室也很适用，因为它体积小、重量轻且结构简单，故可把带有转换器的多丝正比室放在气球或人造卫星上进行测试。此外，多丝正比室对低能X线的效率高，可用来精确测定银河系和银河系外0.2～20keV的X线源的位置、光谱和瞬时特性，其测量原理为： 通过测量X线在多丝室内产生的次级电子来定出X线的能量与位置。
多丝正比室在医学和生物学中也日益受到注意。医学上常用充10几个大气压的氙气的多丝室（有时甚至充液氩）作为60～360keV能量的X线照相机； 或者在多丝室前面安置一个孔状或蜂窝状的准直器并兼作γ线和高能X线的转换器（常用铅或铅铋混合物等固体转换器），这时进入多丝室内的已是转换器发出的光电子，位置分辨取决于准直孔的距离。例如用241Am的60keV γ线照射病人的甲状腺，使其从自然界吸取的非放射性碘激活而放出28.6keV的特征X线，然后用多丝室作体外测量(效率13～18%)，就可得知甲状腺中碘的分布情况从而诊断肿瘤。又如给病人吞服135I，用三重符合定位的多丝正比室测量，可立即由电视屏显示出甲状腺碘的分布情况。还有，用五个多丝室分别置于人脑的前、后、左、右和上方，每个多丝室前面安置一个由直径为0.5mm的不锈钢管堆集成的平行孔准直器，作为X线高分辨率照相机，可同时在三维空间对脑瘤定位。
有一种生物医学用的X线照相机，是用充氙的多丝正比室测量¹⁵³Gd的42keVX线照射骨组织后的透射情况。用充10个大气压氙的多丝正比室和^99mTc的γ线也可清楚地获得动物甲状腺、骨胳和肝、脾的图象。
正电子照相，对核医学来说有许多优点(见“发射计算机断层仪”条)，用多丝正比室作为照相机的探头，可有较好的空间分辨率。在分子生物学中，用多丝正比室配合X线衍射可分析蛋白质分子的结构，还可通过在肌肉纤维上的衍射对活着的细胞进行研究。
根据实际应用要求不同，多丝室也可做成圆柱形或其他形状，它们在其他领域也正在得到日益广泛的应用。