太初有光。光是美好的。此后不久,人们开始寻求对光的全面理解。虽然出版记录一开始有些零散,但公元前五世纪,希腊哲学家恩培多克勒得出结论,光由从眼睛发出的光线组成。欧几里得在其关于光传播的经典著作《光学》中,使用今天可能被称为局部现实主义的论证对这一观点提出了质疑。欧几里得假设光线是由外部光源发出的。但直到公元 1000 年伊本·海赛姆 (Ibn al-Haytham) 提出这一观点后,这一观点才被确立为科学依据。17 世纪的笛卡尔将光本身的特性描述为“压力”,它通过空间从光源传输到眼睛(探测器)。这个想法后来由惠更斯和胡克发展成为光的波动理论。大约在同一时间,伽森狄提出了相反的观点,即光是一种粒子,牛顿接受了这一观点并进一步发展了这一观点。杨氏 1803 年的双缝实验和菲涅尔的衍射实验普遍认为,光作为粒子和波的不同视角已经得到解决,有利于波动图像。在 19 世纪 60 年代,麦克斯韦方程以一种优雅而令人满意的方式进一步证实了这一结论:预测以光速传播的偏振电磁波。1897 年,J.J. Thomson 发现离散粒子携带负电荷在真空中移动,电磁学的波与流体观由此出现问题。随后在 1900 年,普朗克在“绝望之举”中援引了量化的电磁能量束来推导黑体辐射定律 [2, 3],这一步不仅包含了玻尔兹曼在统计力学中的先前猜想,而且与传统理解背道而驰。它最初被认为是推导的产物,后来得到纠正,但爱因斯坦在 1905 年对光电效应的描述 [4] 中更加认真地对待光量子理论。随后在 1913 年,玻尔援引了能量和角动量的量化来解释在氢-巴尔末系列中观察到的离散光谱发射线。1924 年,德布罗意基于这些想法假设不仅光,而且物质粒子也具有波状特性,这一假设彻底失败了。随后出现了量子光,这真是太棒了。随后,海森堡、玻恩、薛定谔、泡利和狄拉克等一系列发现和进步建立了量子力学的框架。就本书而言,1927 年,狄拉克将电磁场量化,有效地发展了光理论,涵盖了引发整个革命的物理现象。20 世纪 30 年代,首次在单光子水平上直接探测到光。20 世纪 50 年代原子级联光子对源 [5] 的出现及其在 20 世纪 70 年代和 80 年代的使用 [6–9] 使第一个单光子源问世。
电流在金属物体中产生相反的磁场。电子电路分析接收器处的脉冲衰减,并通过感测由该附加磁场引起的衰减时间的细微差异来识别金属物体的存在。 连续波 (CW) 探测器发射连续振荡的磁场,该磁场还会在通过门户的金属物体中感应涡流和磁场。在这些探测器中,电子设备分析接收器处相位和振幅的微小变化,以识别金属物体的存在。被动探测器感测物体与地球磁场的相互作用。使用被动金属探测的 WTMD 测量由移动的铁磁物体引起的检测空间磁场中断。铁磁物体是能够被磁化的含铁金属,例如钢合金。非磁性金属,例如铝,不会被地球磁场磁化,因此无法被被动 WTMD 检测到。由于几乎所有枪支都使用铁钢合金作为组件,因此这些探测器可用于许多安全应用。
人们普遍认为,颗粒大小分布各不相同,从燃烧火焰附近占主导地位的亚微米直径颗粒,到阴燃烟雾特有的一个或多个数量级的颗粒。实际的颗粒大小分布取决于许多其他变量,包括燃料及其物理组成、氧气的可用性(包括空气供应和火气排放)以及其他环境条件,尤其是湿度。此外,颗粒大小分布并不是恒定的;随着火气冷却,亚微米颗粒会聚集,而非常大的颗粒会沉淀。换句话说,随着烟雾远离火源,颗粒大小分布显示较小颗粒相对减少。在大多数火灾中都大量存在的水蒸气在充分冷却后会凝结形成雾颗粒——这种现象经常出现在高烟囱上方。由于水凝结物与其他烟雾颗粒混合时基本上是透明的,因此可以预期它会将混合物的颜色变为更浅的颜色。
磁共振成像 (MRI) 是一种重要的诊断方式,它利用强大的静磁场,可能会造成严重危害。铁磁物体被磁共振 (MR) 系统的孔径所吸引,这种潜在的强烈吸引力被称为导弹 (或射弹) 效应。当铁磁物体被放置在离扫描仪磁铁太近的地方时,磁场相互作用会变得非常强烈,以至于人力无法阻止。钢制气瓶和灭火器等物品可以以 30 到 40 英里/小时的速度进入磁铁,这与它们从 40 英尺高的建筑物掉落到地面时的速度相同。钢制气瓶在快速向磁铁移动时变成导弹,其获得的动能在撞击时消散。一个 15 磅重的气瓶作为射弹可能会严重伤害个人和/或严重损坏 MR 系统。
图 3:检测效率和死时间引起的入射光子统计数据失真。具有泊松统计数据 Poisson( k | µT ) 的入射状态,µT = 80(实心方块),由于有限量子效率 η = 0 . 7(空心方块)而有效衰减,见公式 (10)。输出分布保持为泊松分布,具有泊松( m | ηµT )。对于具有可瘫痪死时间 t dead 的探测器,输出统计数据由公式控制。 (11)给出分布泊松(k | ηµT exp(−ηµt dead)),即它仍然保持泊松分布,新的均值为ηµT exp(−ηµt dead)(实心圆)。对于具有非瘫痪死时间t dead 的探测器,输出分布不再是泊松分布,而是亚泊松分布,参见公式(13)(空心圆)。
近几年来,用于核辐射和粒子的半导体探测器发展迅速。虽然这些发展已在大量出版物中有所记载,但以入门教科书的形式收集这些信息似乎很有用,该教科书还包含最新发展背后的基本概念。本书旨在作为学术教学的基础,以及所有从事半导体探测器开发或使用的人员的指南和参考。半导体探测器现在用于科学和技术领域的众多领域,包括核物理、基本粒子物理、光学和 X 射线天文学、医学和材料测试 - 而且应用数量不断增长。与半导体应用密切相关且由半导体应用引发的是用于信号读出的低噪声低功耗集成电子器件的发展。半导体探测器的成功归功于其他类型探测器所不具备的几种独特特性。这些特性的例子有:极高精度的位置测量与高读出速度的结合;直接以电子形式提供信号;同时精确测量能量和位置;以及在公共基片上集成探测器和读出电子器件的可能性。值得注意的是,所有这些发展都源于为基础研究(这里是基本粒子物理学)提供调查工具的需要,而且这些发展的成果现在也造福于其他科学技术领域。在介绍材料时,重点介绍了探测中的物理原理和设备结构,而具体应用和探测器系统则放在一边。大部分内容是关于读出电子器件和探测器放大器系统中的噪声考虑。虽然不涉及探测器系统本身,但本文讨论了目前计划在新建粒子对撞机的严酷辐射环境中应用数万个探测器对探测器性能提出的要求。生产如此大量的探测器需要一种简单的设计,既经济又能应对辐射引起的材料性质的剧烈变化。因此,辐射损伤和设备稳定性领域也得到了广泛的覆盖。
当前使用许多方法来检测或识别爆炸物,包括成像(例如X-射线)和化学识别(例如,离子迁移率光谱法)。但是,广泛的威胁方案创造了需要其他方法。激光 - 基于基于的检测技术,因为它们具有多种威胁和对峙检测功能的潜力,而其他方法可能无法使用。在激光器中,可以仔细控制发射光的特定波长,从而可以通过光谱法改善化学分析。激光器还具有远距离传播强烈能量的独特特性,这有望对爆炸物的僵化发现有望。隔离检测的可能性,设备和操作员可以与爆炸物保持安全距离,在抵抗威胁方面有广泛的应用。
•Regener,Crookes(1908):α-颗粒的性质。+卢瑟福(Geiger)(煤气计数器)
• Nuclear Structure • Nuclear Astrophysics • Hadron physics • Phases of nuclear matter • Theory • Experiments require semiconductor instrumentation development • A natural path of this evolving instrumentation has been on designing and implementing position sensitive detectors • Position sensitive detectors for nuclear structure, nuclear medical imaging and portable spectrometers for use in security and decommissioning