粒子探测技术 [探测粒子踪迹的高手――乔治.夏帕克]

时间：2018-12-28 03:28:20　来源：柠檬阅读网本文已影响人

　　乔治・夏帕克（Georges Charpak，1924~2010），法籍波兰人，因对高能物理粒子探测器的发明和发展，特别是对多丝正比室的发明和发展有突出贡献，因而获得了1992年度诺贝尔物理学奖.
　　1924年，夏帕克出生在波兰一个偏僻小城的十分贫困的犹太人家庭，两岁时搬家到巴勒斯坦，两年后又搬回法国.他五岁就开始上小学，学习成绩非常好，由于他的住地生活着各民族的人，讲着不同的语言，所以他童年时就会讲俄语、阿拉伯语和波兰语，还特别喜欢制作船模等，动手能力很强.
　　1931年，夏帕克全家搬到法国，度过了比较稳定的八年.1939年二战爆发，随后德军占领法国，夏帕克参加了地下抵抗组织，由于叛徒出卖而被捕入狱.后来因为他是犹太人而被关进集中营.与他关在一起的有一个叫布劳克的人，此人知识丰富，擅长数学，于是夏帕克就跟他学数学，布劳克给他详细讲述数学各个领域的知识.他们遨游在数学世界里，冲淡了集中营的苦难，淡忘了死亡的威胁.
　　1945年，战争结束，夏帕克重获自由.他决定加入求学者的队伍，去追回在战争中失去的青春.1946年，夏帕克正式加入法国国籍，1948年他从巴黎高等矿业学校毕业，进入法国科学研究中心工作和学习.1955年，31岁的夏帕克获得法兰西学院哲学博士学位.后来，他应邀加入欧洲核子研究中心，深入进行探测器的研究，1968年终于研制出了多丝正比室.
　　科学家们通过研究粒子间的反应来提供粒子性质和粒子间的相互作用力的知识，这就需要记录反应中每个粒子的轨迹.粒子探测器就是可以记录粒子轨迹的仪器，每一次新的探测器出现以后，都会涌现出一批新发现.如威尔逊发明了云雾室、格拉塞发明了气泡室，他们都获得了诺贝尔奖.
　　在夏帕克发明多丝正比室以前，常用的记录方法是各种照相法，图片要靠特殊的测量工具进行分析，工作过程缓慢而又劳累.正比计数管确定粒子位置的精度大约是1厘米，不能满足粒子物理实验中记录粒子径迹的高精度和大面积覆盖的要求.夏帕克发明的多丝正比室解决了上述困难.这种装置由大量平行细丝组成，所有这些细丝都处于两块相距几厘米的阴极平面之间的一个平面内，阳极细丝的直径约为十分之一毫米，间距约为几毫米.夏帕克令人信服地证明了多丝正比室中的每根丝都可以像一根正比计数管一样工作，得到的空间分辨率可达到1毫米或更小.每根丝都可承受高达每秒数十万的计数率，性能指标非常突出.多丝正比室有方形、长方形、圆筒形等.小的面积仅几十平方毫米，大的达十几平方米.阳极丝常用20μm、40μm直径的镀金钨丝，阴极丝通常用100μm左右的铍铜丝、镀金钨丝或不锈钢丝.最常见的室框架为玻璃纤维板，窗为涤纶薄膜.气体常用流通式，最有名的是体积之比为75.0％氩＋24.5％异丁烷＋0.5％氟里昂13B1构成的“魔异气体”.同时，多丝正比室的结构易于做成大面积，并能以模块方式组成所需要的各种体积和形状，适宜于进行不同规模和特点的实验.夏帕克还充分地利用现代电子技术，把探测器同计算机连接起来，用计算机来记录信号，并进行大量数据处理.
　　上世纪70年代中期开始，他在多丝正比室的基础上发展了具有更高径迹定位精度的漂移室，进一步推动了粒子物理实验的发展.（右图为北京正负电子对撞机重大改造工程新谱仪BESIII的主漂移室）.
　　从上世纪80年代中期开始，夏帕克积极从事把多丝正比室这一系列探测器推广到粒子物理学以外的领域，使高能物理的技术成果直接为人类造福.在他的指导和参与下，这一技术已经有效地运用到几乎所有成像和精确显微的领域里，特别是在生物学和医学方面.如X射线、正电子、质子或中子的照相诊断.
　　事实上，Ｊ／φ粒子的发现者和中间矢量玻色子（Ｗ和Ｚ）的发现者都是使用了夏帕克的发明成果.可以说，夏帕克的工作使得粒子物理学家能够把他们的兴趣集中在非常罕见的粒子的相互作用上，并且可以取得预计的成果.按丹麦粒子物理学家汉森的说法：“如果没有夏帕克的成果，那么在过去几十年中世界上核子物理领域不可能有谁能获得诺贝尔物理学奖.”现在，由多丝正比室引发一系列新探测器在实际应用越来越引人注目，这门新技术正在显示出广阔的前景.

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