強(qiáng)子量能器

電腦繪制的ATLAS探測(cè)器剖視圖展示出內(nèi)部各種設(shè)備。

μ子譜儀：

（1）受監(jiān)控漂移管

（2）薄隙室

磁鐵系統(tǒng)：

（3）端冒環(huán)狀磁鐵

（4）外筒層環(huán)狀磁鐵

內(nèi)部探測(cè)器：

（5）躍遷輻射跟蹤器

（6）半導(dǎo)體跟蹤器

（7）像素探測(cè)器

量能器：

（8）電磁量能器

（9）強(qiáng)子量能器

ATLAS探測(cè)器是由以相互作用點(diǎn)為中心的一系列同中心軸圓柱殼型設(shè)備和其兩端的圓盤(pán)型設(shè)備所組成，主要分為四個(gè)部分：“內(nèi)部探測(cè)器”（Inner Detector）、量能器、μ子譜儀和磁鐵系統(tǒng)。其中每一個(gè)部分又細(xì)分為好幾層。各個(gè)探測(cè)器的功能相互補(bǔ)充 ：內(nèi)部探測(cè)器精確地確定粒子的軌跡，量能器測(cè)量那些被截止粒子的能量，μ子系統(tǒng)則提供高度穿透性μ子的額外測(cè)量數(shù)據(jù)。磁鐵系統(tǒng)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)促使帶電粒子在移動(dòng)于內(nèi)部探測(cè)器時(shí)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，μ子譜儀可以從偏轉(zhuǎn)的曲率測(cè)得這些粒子的動(dòng)量。

中微子是唯一不能直接被探測(cè)到的已知穩(wěn)定粒子；從仔細(xì)分析被探測(cè)到的粒子的動(dòng)量不平衡現(xiàn)象，可以推斷出中微子的存在。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，探測(cè)器必須是密封探測(cè)器，并必須探測(cè)到所有除了中微子以外的粒子，避免存在有任何探測(cè)盲點(diǎn)。保持探測(cè)器在質(zhì)子束附近的高輻射區(qū)具有良好性能，這是工程學(xué)的一個(gè)極大挑戰(zhàn)。

超環(huán)面儀器內(nèi)部探測(cè)器

內(nèi)部探測(cè)器的內(nèi)圓柱面始于距離質(zhì)子束軸幾厘米的位置，而外圓柱面則向外延伸至1.2m半徑，在質(zhì)子束軸方向總長(zhǎng)度為7m。通過(guò)探測(cè)散射出的帶電粒子與在各個(gè)不同位置的材料的相互作用，可以跟蹤這些粒子的運(yùn)動(dòng)，這是內(nèi)部探測(cè)器的基本功能，所獲得的數(shù)據(jù)能夠揭示粒子的種類(lèi)及其動(dòng)量方面的細(xì)節(jié)信息。由于內(nèi)部探測(cè)器沉浸于2Tesla磁場(chǎng)，移動(dòng)于其空間的帶電粒子會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其方向顯示了帶電粒子的電性，其角度則顯示了粒子的動(dòng)量大小。根據(jù)軌跡的起點(diǎn)可以給粒子身份確認(rèn)提供有用的信息。例如，假若一系列粒子軌跡的初始點(diǎn)不是質(zhì)子與質(zhì)子的碰撞點(diǎn)，這就標(biāo)志著這些粒子是源于底夸克的衰變。

內(nèi)部探測(cè)器具有三個(gè)部分，下面將予以詳細(xì)說(shuō)明。

像素探測(cè)器

像素探測(cè)器（Pixel Detector）是該探測(cè)器最里面的部分，包含了三個(gè)筒形層，在兩端的端帽（end-cap）分別有三個(gè)圓盤(pán)。對(duì)于每個(gè)粒子軌跡可以給出三個(gè)精確位置。在這些筒形層與圓盤(pán)上面，總共裝有1,744個(gè)同樣的模塊。每個(gè)模塊可以測(cè)量2cm×6cm的面積，其探測(cè)材料是由厚度為250μm的硅構(gòu)成。每個(gè)模塊包含16個(gè)用于讀出數(shù)據(jù)的芯片和其他相關(guān)電子元件。探測(cè)的最小單位是1個(gè)像素，尺寸為50μm×400μm。每個(gè)模塊含有47,268像素，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用來(lái)在相互作用點(diǎn)附近精確跟蹤粒子，又有16個(gè)內(nèi)嵌的、用于讀出數(shù)據(jù)的芯片和其他相關(guān)電子元件。像素探測(cè)器總共有超過(guò)8千萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)讀出通道，是讀出通道總數(shù)的一半，如此龐大的規(guī)模在設(shè)計(jì)和工程方面造成了巨大挑戰(zhàn)。除此之外，由于像素探測(cè)器離相互作用點(diǎn)很近，會(huì)暴露于強(qiáng)烈輻射，這是另一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。該探測(cè)器的每一個(gè)元件都必須進(jìn)行強(qiáng)化，從而能夠抵抗核輻射，在接受大量輻射之后還能保持正常工作。為了降低幅射線(xiàn)的損害，溫度必需保持在-6°C左右。

半導(dǎo)體跟蹤器

半導(dǎo)體跟蹤器（Semiconductor Tracker, SCT）是內(nèi)部探測(cè)器的中間部分。它含有四個(gè)筒形層，在兩端的端帽分別含有九個(gè)圓盤(pán)。對(duì)于每個(gè)粒子軌跡它可以給出至少四個(gè)精確位置；筒形層總共裝有2,122個(gè)相同模塊，而圓盤(pán)總共裝有1,976個(gè)模塊，大約分為三種不同類(lèi)型。

半導(dǎo)體跟蹤器的概念和功能與像素探測(cè)器相似，但是最小單位的形狀不是微小像素，而是窄長(zhǎng)細(xì)條。每個(gè)細(xì)條可以測(cè)量80μm×12.6cm的范圍，測(cè)量面積比較大，比較符合經(jīng)濟(jì)效益。每個(gè)筒形層模塊裝有兩層長(zhǎng)方形硅傳感器。每個(gè)傳感器含有768個(gè)窄長(zhǎng)細(xì)條，可以測(cè)量62mm×124mm的面積。圓盤(pán)模塊裝有兩層楔子形硅傳感器。每個(gè)傳感器含有768個(gè)高窄梯形細(xì)條，高度有6cm或12cm兩種，窄度從55μm到95μm。半導(dǎo)體跟蹤器總共具有620萬(wàn)個(gè)讀出數(shù)據(jù)通道，總測(cè)量面積達(dá)到61m。

由于半導(dǎo)體跟蹤器測(cè)量粒子的范圍比像素探測(cè)器更大，具有更多的采樣點(diǎn)，大致相等的（雖然是一維的）精確度，對(duì)于基本跟蹤散設(shè)粒子在垂直于粒子束的平面的運(yùn)動(dòng)，它是內(nèi)部探測(cè)器的最關(guān)鍵儀器。

躍遷輻射跟蹤器2005年9月，躍遷輻射跟蹤器的筒形層部分已經(jīng)在地面組裝完畢，正在利用宇宙線(xiàn)進(jìn)行測(cè)試。

躍遷輻射跟蹤器（Transition Radiation Tracker, TRT）是內(nèi)部探測(cè)器的最外面部分，是由麥管跟蹤器（straw tracker）和躍遷輻射探測(cè)器共同結(jié)合而成的儀器。躍遷輻射跟蹤器主要有兩個(gè)功能：第一是準(zhǔn)確地跟蹤帶電粒子。第二是正確地辨識(shí)電子。

躍遷輻射跟蹤器的探測(cè)原件是漂移管（麥管），直徑為4mm。長(zhǎng)度有144cm（筒形層部分）與37cm（端帽部分）兩種麥管。躍遷輻射跟蹤器總共擁有298,000條麥管。每個(gè)粒子軌跡會(huì)穿過(guò)平均35條麥管。軌跡位置測(cè)量的不確定度大約是200μm。雖然精確度不如前面所述的兩種探測(cè)器，但為了降低覆蓋大體積以及獲得躍遷輻射探測(cè)能力這兩種因素所帶來(lái)的高額成本，這較低的精確度是必要的犧牲。每一條麥管里都充滿(mǎn)了氙氣體混合物，當(dāng)帶電粒子經(jīng)過(guò)時(shí)，氣體混合物會(huì)被離子化。麥管保持著-1500V電壓，迫使陰離子朝著位于麥管中心軸的細(xì)導(dǎo)線(xiàn)移動(dòng)，從而產(chǎn)生電流脈沖（信號(hào)）于鍍金的細(xì)鎢導(dǎo)線(xiàn)。分析這些出現(xiàn)脈沖信號(hào)的導(dǎo)線(xiàn)所形成的圖案，就可以確定離子運(yùn)動(dòng)的軌跡。

在筒形層部分相鄰麥管之間的空間，填滿(mǎn)了聚丙烯纖維。在端帽部分，相鄰麥管層之間，安插了聚丙烯箔紙層。當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度接近光速的超相對(duì)論性帶電粒子通過(guò)不同折射率材料的界面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生躍遷輻射光子。這主要是發(fā)生在聚丙烯材料與空氣的界面。通常，在躍遷輻射跟蹤器里，由電子產(chǎn)生的光子會(huì)在麥管給出較高的能量（～8-10keV)，而由π介子產(chǎn)生的光子會(huì)給出較低的能量（～2keV）。因此，設(shè)定適當(dāng)?shù)哪芰块撝担ā?keV），從計(jì)算每個(gè)粒子由于躍遷輻射而給出光子能量超過(guò)閾值的次數(shù)，可以有效地辨識(shí)出這粒子是否為超相對(duì)論性電子。

超環(huán)面儀器量能器

拍攝于2005年9月，強(qiáng)子量能器的主要筒形部分，正在等待被移入環(huán)狀磁體內(nèi)。拍攝于2006年2月，強(qiáng)子量能器的延伸筒形部分，正在等待被置入。強(qiáng)子量能器延伸筒形部分的彩色圖像。

載有電流的螺線(xiàn)管包圍在內(nèi)部探測(cè)器的外面，而量能器又包圍在螺線(xiàn)管的外面。設(shè)置量能器的目的是通過(guò)吸收粒子來(lái)測(cè)量它們的能量。這里有兩種基本的量能系統(tǒng)：靠里的是“電磁量能器”，靠外的是“強(qiáng)子量能器”。二者都屬于“采樣式量能器”（sampling calorimeters）。在采樣式量能器里，吸收粒子能量產(chǎn)生粒子簇射的材料與與測(cè)量簇射能量的材料不同，并且隔開(kāi)在不同的區(qū)域。這樣，可以選擇最具指定功能的材料。例如，高密度金屬可以在有限空間吸收粒子能量產(chǎn)生大量的粒子簇射，但這物質(zhì)不適用于測(cè)量粒子簇射所具有的能量。采樣式量能器的缺點(diǎn)是，有些能量沒(méi)有被測(cè)量到，因此，必須估計(jì)整體簇射能量。

電磁量能器（electromagnetic calorimeter）從涉及電磁作用的粒子中吸收能量，這包括了帶電粒子和光子。電磁量能器在測(cè)量能量吸收和能量分布位置這兩個(gè)方面都具有很高的精確度。粒子軌道和探測(cè)器入射粒子束軸之間的角度（確切地講叫贗快度），以及其與垂直平面之間的夾角，測(cè)量的精確度都可以達(dá)到大約0.025弧度。用于吸收能量產(chǎn)生粒子簇射的材料是鉛，而采樣的材料則是液態(tài)氬。為了促使系統(tǒng)足夠冷卻，電磁量能器必須安裝在低溫恒溫器里面。

那些能夠穿透電磁量能器，但會(huì)感受到強(qiáng)作用力的粒子（大多是強(qiáng)子），強(qiáng)子量能器（hadron calorimeter）會(huì)吸收它們的能量。強(qiáng)子量能器在測(cè)量能量吸收以及能量分布位置（大約只能精確到0.1弧度）這兩個(gè)方面的精確度都稍低。用于吸收能量的材料是鋼，通過(guò)閃爍磚片來(lái)采集能量數(shù)據(jù)。量能器的許多性能都綜合考慮到成本和效率（即費(fèi)效，cost-effectiveness）。這套設(shè)備的體積很大，使用了大量的建筑材料。量能器的主要部分，即“閃爍磚片量能器”（scintillating tile calorimeter），內(nèi)半徑為2.28m，外半徑為4.25m，在粒子束軸向覆蓋距離達(dá)12m。

超環(huán)面儀器μ子譜儀

正在組裝中的μ子譜儀的銀灰色“受監(jiān)控漂移管”（monitored drift tube），其主要功能為測(cè)量軌跡徑向坐標(biāo)與動(dòng)量。

μ子譜儀（muon spectrometer）是一個(gè)體積極大的軌跡跟蹤系統(tǒng)，其筒型部分占有空間從量能器外面，半徑大約為4.25m處開(kāi)始，一直延伸到超環(huán)面儀器最外層，即半徑大約為11m處，其端帽部分最外層（受監(jiān)控漂移管）與相互作用點(diǎn)之間的距離為21m。μ子譜儀必需具備有巨大的體積，才能夠精確測(cè)量μ子的動(dòng)量，這些μ子已經(jīng)穿過(guò)了超環(huán)面儀器的其他設(shè)備。這一步驟很重要，因?yàn)檫@些μ子的探測(cè)是一系列有趣物理過(guò)程的關(guān)鍵，假設(shè)在一個(gè)事件中有些μ子被忽略，則事件的總能量將不可能被精確地測(cè)量出來(lái)。

μ子譜儀和內(nèi)部探測(cè)器的工作方式相似，可以通過(guò)被磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)的μ子軌跡來(lái)確定其動(dòng)量；不過(guò)，對(duì)于這過(guò)程，μ子譜儀所使用的磁鐵構(gòu)型有所不同，空間精確度相較更低，體積卻大得很多。

μ子譜儀也是個(gè)觸發(fā)器（trigger），能夠按照簡(jiǎn)單判據(jù)快速地決定，哪些事件比較有價(jià)值，應(yīng)該被記錄下來(lái)，哪些事件與實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)無(wú)關(guān)，應(yīng)該被忽略。μ子譜儀具有單純識(shí)別μ子的功能。μ子譜儀大約擁有1百萬(wàn)讀出通道，其各個(gè)探測(cè)器層總面積達(dá)到12,000m。

超環(huán)面儀器磁鐵系統(tǒng)

拍攝于2006年11月，正在建造中的位于外筒層的環(huán)狀磁鐵系統(tǒng)。八個(gè)不銹鋼真空容管將載有電流的超導(dǎo)線(xiàn)圈緊包在內(nèi)，容管的外表油漆了橘色條紋圖案。這磁鐵系統(tǒng)是由一系列正八邊形內(nèi)金屬架與外金屬架共同鞏固與支撐。

ATLAS探測(cè)器的磁鐵系統(tǒng)細(xì)分為四個(gè)部分，在里層的螺線(xiàn)管磁鐵、在外筒層的環(huán)狀磁鐵、在兩個(gè)端帽的環(huán)狀磁鐵。這個(gè)磁鐵系統(tǒng)的長(zhǎng)度有26米、直徑有20米，共存儲(chǔ)了1.6千兆焦耳（gigajoule）的能量。它會(huì)促使帶電粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而讓其他儀器測(cè)定它們的動(dòng)量。這運(yùn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)是由于帶電粒子受到了洛倫茲力，這個(gè)力的大小與粒子的運(yùn)動(dòng)速度成正比。由于LHC的質(zhì)子碰撞所產(chǎn)生的每個(gè)粒子都會(huì)以接近光速的速度運(yùn)動(dòng)，因此不同動(dòng)量粒子所感受到的力大小相等。根據(jù)相對(duì)論，當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)速度接近光速時(shí)，動(dòng)量和速度并不成正比；高動(dòng)量粒子會(huì)發(fā)生些微偏轉(zhuǎn)，而低動(dòng)量粒子會(huì)發(fā)生顯著偏轉(zhuǎn)，通過(guò)測(cè)量軌跡可以定量曲率，從而確定粒子的動(dòng)量。

載有電流的超導(dǎo)螺線(xiàn)管會(huì)在內(nèi)部探測(cè)器的相互作用點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生相當(dāng)均勻的2特斯拉軸向磁場(chǎng)，直到兩端區(qū)域才降低至0.5特斯拉軸向磁場(chǎng)。這軸向磁場(chǎng)大致與徑向距離無(wú)關(guān)。這強(qiáng)磁場(chǎng)使得即使高能量粒子也能夠發(fā)生足夠明顯的偏轉(zhuǎn)，從而可以確定它們的動(dòng)量。這強(qiáng)磁場(chǎng)接近均勻的方向和強(qiáng)度使得測(cè)量結(jié)果非常精確。大約400MeV以下的粒子會(huì)強(qiáng)烈地偏轉(zhuǎn)，它們會(huì)在磁場(chǎng)中反復(fù)回旋，這樣它們將不會(huì)被測(cè)量到。然而，這能量級(jí)別與質(zhì)子撞擊產(chǎn)生的幾TeV能量級(jí)別的粒子能量相比，卻非常小。

外筒層環(huán)狀磁鐵是由8個(gè)空心超導(dǎo)線(xiàn)圈組成，主要功能是為μ子系統(tǒng)產(chǎn)生大約0.5特斯拉環(huán)狀磁場(chǎng)。粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡與環(huán)狀磁場(chǎng)之間呈大約直角關(guān)系。定義磁場(chǎng)的“彎曲本領(lǐng)”為；其中，是磁場(chǎng)垂直于粒子移動(dòng)路徑的分量、是微小路徑元素、是粒子在探測(cè)區(qū)域里的路徑。那么，在探測(cè)區(qū)域里，彎曲本領(lǐng)可以保持很高數(shù)值。這對(duì)于粒子的動(dòng)量測(cè)量非常重要。

兩個(gè)端帽的環(huán)狀磁鐵也是由8個(gè)的空心磁芯超導(dǎo)線(xiàn)圈組成，主要功能是為μ子系統(tǒng)提供最佳彎曲本領(lǐng)的磁場(chǎng)，滿(mǎn)足這前提，在這區(qū)域的環(huán)狀磁場(chǎng)大約為1特斯拉。彎曲本領(lǐng)大約為1-7.5Tm（特斯拉·米）。稍加比較，螺線(xiàn)管磁鐵可給出大約1.5-5.5Tm的彎曲本領(lǐng)。

超環(huán)面儀器前方的探測(cè)器

ATLAS探測(cè)器的測(cè)量還會(huì)通過(guò)位于前方區(qū)域的一系列探測(cè)器補(bǔ)充。這些探測(cè)器被放置在LHC隧道中遠(yuǎn)離相互作用點(diǎn)的位置。測(cè)量極小角度彈性散射（elastic scattering）的基本思路是為了了解ATLAS相互作用點(diǎn)的絕對(duì)光度。

記錄、分析粒子在其中產(chǎn)生的電脈沖信息，在高能實(shí)驗(yàn)中常見(jiàn)的有多絲室、漂移室、閃爍計(jì)數(shù)器、契倫科夫計(jì)數(shù)器、穿越輻射計(jì)數(shù)器、電磁量能器和強(qiáng)子量能器等。

多絲室和漂移室

多絲室內(nèi)有許多電位絲和信號(hào)絲，充入氣體，工作原理與正比計(jì)數(shù)管相似，可以給出粒子的位置、dE/dx等信息,有較好的位置分辨力。漂移室采用測(cè)量電子漂移到信號(hào)絲的時(shí)間來(lái)定位的方法，因而大大減少了絲和電子學(xué)線(xiàn)路的數(shù)目，并提高了位置分辨力（可達(dá)數(shù)十微米）。漂移室根據(jù)結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)分為多絲漂移室、均勻電場(chǎng)漂移室和可調(diào)電場(chǎng)漂移室三類(lèi)。新出現(xiàn)的噴注室和時(shí)間投影室，在高能粒子物理實(shí)驗(yàn)中也有較大的作用。新型的多步雪崩室、時(shí)間擴(kuò)展室和自猝滅流光室等，也受到了很大的注意。

閃爍計(jì)數(shù)器

常用的是塑料閃爍計(jì)數(shù)器和液體閃爍計(jì)數(shù)器。其特點(diǎn)是易于制成大面積，對(duì)帶電粒子探測(cè)效率接近百分之百，允許計(jì)數(shù)率高，時(shí)間分辨率很好，便于測(cè)量飛行時(shí)間。大面積塑料閃爍計(jì)數(shù)器的時(shí)間分辨力已達(dá)到0.2納秒。

契倫科夫計(jì)數(shù)器

帶電粒子在透明介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其速度超過(guò)光在該介質(zhì)中的傳輸速度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生微弱的可見(jiàn)光──契倫科夫輻射光。它的輻射角與粒子速度有關(guān)，因而提供了一種測(cè)量帶電粒子速度的方法。工作介質(zhì)可以是固體、液體或氣體。它按結(jié)構(gòu)和工作方式可分為閾式、微分式和光學(xué)校正式三類(lèi)。后兩種有較高的速度分辨本領(lǐng)。契倫科夫計(jì)數(shù)器常用于鑒別動(dòng)量相同而質(zhì)量各異的粒子。

穿越輻射計(jì)數(shù)器

高速帶電粒子穿過(guò)兩種介質(zhì)的界面會(huì)產(chǎn)生穿越輻射，其輻射能量與粒子能量成正比。在粒子速度極高，十分接近光速時(shí)，用飛行時(shí)間和契倫科夫計(jì)數(shù)器都無(wú)法通過(guò)分辨速度來(lái)鑒別粒子，而穿越輻射計(jì)數(shù)器提供了鑒別該能區(qū)高能粒子的新方法。

電磁量能器

高能電子或γ光子在介質(zhì)中會(huì)產(chǎn)生電磁簇射，其次級(jí)粒子總能量損失與入射粒子總能量成正比。因此，一旦收集到總能量損失即可確定粒子的總能量。電磁量能器分為全吸收型如碘化鈉（鉈）、鍺酸鉍、鉛玻璃等和取樣型兩種。后者由取樣計(jì)數(shù)器與鉛板交迭而成。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。

強(qiáng)子量能器

高能強(qiáng)子在介質(zhì)中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)子簇射。收集到總電離電荷即可確定強(qiáng)子總能量，通常采用閃爍計(jì)數(shù)器或多絲室與鐵（鈾）板交迭而成。