火花室-观测微观粒子的眼睛

前言

从古至今，人类从不缺乏对未知事物的好奇。古人观天，凭借的是一双眼睛，随着科技的发展，人们逐渐学会利用工具替代“眼睛”去观测万物，例如望远镜、相机等。随着观测物体的尺度越来越小，人类发明了更加精密的仪器，例如显微镜。当我们需要观测微观粒子时，上述“眼睛”无法完成观测微观粒子的任务，科学家们发明了专门观测微观粒子的“眼睛”，即粒子探测器。我们的火花室正是观测微观粒子的诸多“眼睛”之一。

一. 火花室基本介绍

1.1 什么是火花室 ？

火花室是一种用来探测带电粒子的装置。它是早期许多基本粒子物理学家用来探索组成宇宙的亚原子粒子的探测器设备之一，也是少数可以将宇宙线粒子的运动轨迹以可见的形式呈现出来的探测器之一。因此，火花室在粒子物理实验以及教学中有着广泛的应用。
本火花室实验主要目的是用火花室来观测高能带电宇宙线粒子的运动轨迹；使人们对于生活中不能用肉眼直接观察到的微观粒子有一个形象的直观的感受，帮助人们初步接触和了解粒子物理的世界。
下图1是清华大学建造的火花室：

图1: 清华大学的火花室

1.2 从无到有：火花室简史

火花室探测器的历史久远，是科学界早期使用的粒子探测器之一，最早可以追溯到20世纪50年代末，到60年代初已经得到了较为广泛的应用。许多科学家为火花室的发展做出重要贡献，下面简单列出火花室发展中较为重要的历史节点，部分可参考附录中火花室的发展：

1. 1928年，汉斯·盖格和瓦尔特·米勒在基尔大学首次演示了粒子探测器，即盖格-米勒计数器。
2. 1955年，汉宁（Henning）制作了第一个火花室。
3. 1959年，日本人福井（Fukui）和宫本（Miyamoto）对于火花室性能的改进做出了重要贡献，所以广泛认为福井和宫本是火花室的发明者。
4. 1962年，大体积的火花室被用于发现缪子型中微子。
5. 1988年，利昂·莱德曼(Leon Lederman)、梅尔文·施瓦茨(Melvin Schwartz)和杰克·斯坦伯格(Jack Steinberger)因在1962年发现了缪子中微子而获得了诺贝尔物理学奖。图2为梅尔文·施瓦茨与探测到缪子型中微子的10吨大型火花室探测器。

图2：1988年诺贝尔奖得主梅尔文·施瓦茨(Melvin Schwartz)与火花室

二. 火花室如何工作 ？

在具体介绍我们的火花室之前，有必要全局的对火花室的工作过程和原理有简单的了解:

2.1 火花室的工作过程

火花室通常由一堆导电板组成，这些板之间的间距约为1厘米，浸在惰性气体中，如果带电粒子穿过，再加上几千伏高压后，火花室内就会产生明亮的火花，显示带电粒子留下的痕迹，并发出特定的声音，如同缩小版的自然界的闪电现象，如下图3。

图3: 火花室的火花径迹

2.2 火花室的工作原理

通过火花室的工作过程可以发现火花室的工作原理在于火花是如何产生的，也就是火花放电的过程，这个方法首先是由Gremacher于1935年提出的，如图4所示。

1. 两块极板之间瞬间加载直流高压，当带电粒子穿过两块极板之间时，使得极板间气体电离，产生电子离子对。
2. 在电场的作用下，电子离子对平行于电场方向反向加速运动，当电子离子加速到一定能量后，继续电离气体，产生更多电子离子对，这个过程称为雪崩过程。
3. 当电子离子积累到一定数量后，产生反向电场与原电场叠加，使得中间电场强度减弱，部分电子离子对复合，发出较高能量的光子。
4. 较高能量的光子传播到其他区域，将气体电离，再经过雪崩的过程，形成更多的电子离子带。
5. 最后，形成一条连接正负极板的电阻极小的电子离子导带，电极间发生导通放电现象，电子离子复合，退激可以产生可见光子，并可伴随一个电脉冲信号，从而能够将粒子记录下来。

图4：火花室发光原理

三. 清华大学火花室

3.1 清华火花室的工作过程

清华大学火花室的工作流程，如图5所示。
带电粒子穿过火花室，首先会经过火花室顶部的闪烁体产生信号；之后粒子在纳秒量级（一次眨眼约0.1 s = 100,000,000 ns）时间内穿过火花室壳体，并将内部气体电离；最后粒子穿过火花室底部的闪烁体。此时上下闪烁体探测器的输出的信号符合，表示探测到一个带电粒子入射。符合信号控制电子学开关将高压加到金属板电极表面，此时壳体内部被带电粒子电离的气体粒子还未复合，所以电子离子对在电场作用下运动，产生雪崩效应，并在极板之间形成电阻极小的离子导带，电极瞬间放电，电子离子带退激发光，显示出带电粒子运动径迹。

图5：清华大学火花室工作示意图

3.2 清华火花室的机械设计

清华大学的火花室的整体采用了模块化设计，这样相比于传统的火花室利于调节大小以对应不同的教学和实验要求，每个火花室模块主要由三部分构成，火花室的模块结构图如下图6：

图6：火花室模块结构图

1. 壳体：为了方便观察带电粒子径迹和用电安全，清华大学火花室的壳体采用透明的绝缘材料亚克力。
2. 电极系统：火花室内部的平面电极则以一定间隔（~1.5cm）平行叠放，平面电极的材料为不锈钢板，通过粘接嵌入火花室腔体中，腔体经过一定的抛光和粘接处理，相邻平板一块接高压脉冲(~2-10 kV)，一块接地（0 V）组成火花室的电极系统。
   我们将三块（两层）电极封装在一个火花室腔体中，中间平板为阳极接高压，上下两块平板为阴极接地。这样构成一个火花室模块。
   通过简单的火花室模块的上下叠，可以达到改变火花室电极层数的目的，从而调节火花室的大小，以适应不同的实验和教学需求。
3. 通气系统：为了保证火花室充入的惰性气体达到实验要求，火花室的通气系统作了特殊设计。
   对于封装好的火花室腔体，有两层电极空间；我们通过腔体一侧塑料软管（直径6mm），使得氖气从上层空间通入，并通过另一侧的软管流动到下层，最后从下层空间的出气口排出。这样的设计可以保证最大程度的将腔体内的其他气体排出，并保持氮气在壳体内的流通。具体通气情况如下图7。





图7：火花室通气系统

3.3 清华大学火花室的电子学部分

通过对于火花室工作过程的了解，我们发现要使火花室正常工作，火花室的供电系统需要满足一定的要求，因此对火花室的电子学部分进行更详细的介绍，下图8为火花室整体的供电线路图：

图8. 火花室供电线路图

3.3.1 触发线路及高压线路

1. 由于带电粒子电离的气体在没有电场的情况下会发生复合，所以系统高压需要气体离子复合前加入，在从粒子进入火花室到高压脉冲加到火花室电极上的延迟时间足够小（小于500ns）。时间延迟过长被电离的惰性气体会重新复合，使雪崩放电效应无法发生，不能观察到发光现象。
2. 要使得雪崩效应能够发生，加到极板两端的高压脉冲幅度在适当范围（2-10 kV）内变化，这会直接影响火花放电的视觉效果，电压过小会观察不到发光现象，电压过大可能会使容器中或外部其他位置的气体击穿产生火花放电现象，有安全风险。
3. 由于火花放电过程需要一定时间，所以高压脉冲需要持续一段时间约为100至500纳秒，使得火花放电的整个过程完整，持续时间过小火花放电无法发生，时间过长容易在火花室各处产生火花放电，但实际不对应带电粒子的运动。
4. 高压脉冲上升时间足够小，根据实验经验在10ns左右为好，脉冲上升时间过长会使火花放电效果变差。

下图9为火花室的等效供电线路图，通过这种线路设计，再采用一定的电子学原件，即可满足上述要求。

图9：等效供电线路

火花室整体的高压触发线路逻辑是:当粒子穿过火花室的上下闪烁体探测器，通过甄别器产生电子学信号，这两个电子学型号输入到符合模块符合，控制电子学高压开关闭合，输出高压到金属极板上，使火花放电过程发生。这里由于火花室的尺寸较小，粒子穿过火花室的时间小于甄别器输出波形的宽度，所以上下甄别器信号可以直接符合。但是对于大尺寸的火花室，则需要将上甄别器信号适当延迟，以保证符合能够发生。通过触发逻辑还可以看出，火花室只能探测同时穿过上下闪烁体的带电粒子。 各种信号的时序如下图10所示。

图10：火花室供电时间示意图

3.3.2 电子学元器件

由于火花室线路的特殊工作要求，火花室的高压供电线路以及各部分电子学元器件均有一定的要求：

1. 高压电源：为了满足火花放电的需求，高压电源需要有能力提供最高为10 kV的电压。并且由于电路中有较为频繁的电脉冲，所以高压源需要在电压变化频繁时能够稳定供电，即针对容性负载的电路，当电路有频繁脉冲时电源不会由于自我保护模式启动而关闭。清华大学火花室采用如下图11所示的高压电源。



图11：高压电源

2. 电容与电阻：为了保护高压电源，需要与高压源串联一个10兆欧的耐压保护电阻，在每一组极板端接入1.6nF电容再并联接入一个10千欧的电阻。这样在高压开关断开时，1.6nF电容两端的电压与电源电压相同，板上积累约十万分之一库伦的电荷；当带电粒子穿过火花室，高压开关闭合，在几十纳秒之内1.6nF上电容迅速发生变化，这个脉冲传递到火花室极板上，火花室极板等效电容为pF量级，快速积累约亿分之一库伦的电荷，使得极板电压迅速升高到一定高度，产生火花放电。

3. 快速高压开关：由于高压加入与粒子穿透的时间间隔要求足够小（100-500ns），高压开关需要迅速响应。清华大学火花室采用了如图12所示的BEHLKE生产的快速高压开关HTS 101-03。



图12：快速高压开关

3.3.3 电路时间特性检验

运用示波器以及特殊高压探头（如图13），对高压触发线路进行测量，得到的电路时间特性测量结果如下图14。用高压探头测量加入8kV高压时的电路时间特性；图中黄色信号表示符合信号的产生，即带电粒子穿过火花室，绿色信号代表金属极板两端的电压变化；从测量结果可见清华大学火花室的时间总延迟在200ns之内，脉冲上升时间在30ns之内，满足火花室的线路特性需求。

图13：高压探头

图14：高压触发线路时间特性

四. 清华大学火花室演示视频

下面链接的视频为清华大学工程物理系建立的火花室模型的工作情况。我们可以通过下面两个视频观察到带点粒子穿过火花室产生的电火花径迹，并且听到火花放电的声音。

五. 火花室应用与推广

参考链接

1. 火花室的发展
2. Birmingham spark chamber
3. Harvard spark chamber
4. Cambridge spark chamber
5. Princeton spark chamber
6. 刘皇风. 火花室[J]. 原子能科学技术,1964,(01):49-62.

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