核物理与粒子物理实验方法

Experimental Methods in Nuclear and Particle Physics

课程简介

本课程介绍辐射与物质相互作用、核辐射探测器、统计方法、核电子学、数据获取、数字信号处理和加速器基础。

学习目标与前置知识

• 掌握常用核辐射探测器的工作原理和基本实验技术；
• 能够读懂实验论文中有关实验装置和实验方法的内容；
• 能够使用 ROOT 完成基本的数据处理、绘图与拟合；
• 了解具有代表性的新型探测技术及其在实验研究中的应用。

学习本课程前应修完《原子核物理》。数据分析作业使用 ROOT；尚未接触 ROOT 的学生可按编程与 ROOT 入门开始学习。

参考书

• W. R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, 2nd ed., Springer-Verlag, 1994.
• G. F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, 4th ed., Wiley, 2010.
• H. Kolanoski and N. Wermes, Particle Detectors: Fundamentals and Applications, Oxford University Press, 2020.
• 《原子核物理实验方法（上册）》，第三版，原子能出版社。
• 《粒子探测技术》。

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课程内容

第一章　射线与物质的相互作用

1. 重带电粒子与物质的相互作用
2. 电子与物质的相互作用
3. γ 射线与物质的相互作用
4. 中子与物质的相互作用

第二章　放射性测量中的统计学

1. 二项分布、Poisson 分布和 Gaussian 分布
2. 事件的时间间隔分布
3. 中心极限定理
4. 误差传播
5. 参数估计：最大似然法和最小二乘法

第三章　探测器信号的一般特征

1. 脉冲信号形成
2. 核探测器等效电路与 RC 电路
3. 能量分辨率与时间分辨率
4. 探测效率

第四章　气体探测器

1. 气体电离和传输过程
2. 雪崩放大机制与气体探测器工作区
3. 电离室、正比室、MWPC 与 PPAC
4. 漂移室与 TPC
5. MSGC、MGC 与 GEM

第五章　闪烁探测器

1. 闪烁体探测器的一般特性
2. 无机闪烁体和有机闪烁体
3. 脉冲形状甄别
4. 光电倍增管
5. 切伦科夫辐射与粒子鉴别

第六章　半导体探测器

1. PN 结与耗尽层
2. 硅探测器和高纯锗探测器
3. 位置灵敏探测器
4. 半导体光敏元件

第七章　核电子学

1. 傅里叶变换、带宽与阻抗
2. 同轴电缆中的信号传输、反射与阻抗匹配
3. 前置放大器、主放大器与 ADC
4. 时间甄别方法与 TDC
5. 符合测量

第八章　数据获取系统

1. 数据获取系统的基本组成
2. 触发与基本触发逻辑
3. VME 系统
4. 实验应用实例：¹⁴O 破裂截面测量实验

第九章　探测器信号的数字化处理

1. 数字化与混叠误差
2. Nyquist 采样定理与 Flash ADC
3. FPGA 与数字化算法
4. 能量信号：梯形滤波算法
5. 时间信号：CFD、采样相位偏移、DAC 与 up-sampling
6. 波形信号处理：脉冲形状甄别与 pile-up 分析

第十章　Accelerators for Nuclear Physics

1. 离子源与束流产生
2. 静电加速器、回旋加速器、直线加速器、同步加速器
3. 束流光学：磁刚度、偶极磁铁、四极磁铁、传输矩阵
4. 放射性离子束：In-flight、ISOL、磁分离器
5. 加速器应用：中子源、对撞机、同步辐射

教学安排

各章学时、上课时间和考核方式见课程安排。

课程作业与学习资料

• 课程作业
• 编程与 ROOT 入门
• 学习资料与实例