电子漂移速度测量

(清华大学 实验物理教学中心)

电子漂移速度测量

(清华大学 实验物理教学中心)

1 主要内容

20世纪初云室的发明实现了气体中带电粒子运动径迹的测量，但其记录方法早期多为照相法，图像需特殊的测量器具分析，工作过程缓慢且繁琐. 物理学家夏帕克(G. Charpak)发明了多丝正比室，很好地解决了上述困难，因此获1992年诺贝尔物理学奖.

实验涉及到力学、电磁学和高能物理等诸多分支学科，其设计思想源自高能物理实验中多丝室和漂移室的应用.

漂移室的结构与多丝正比室类似. 典型的正比室是在细丝和导体管壁间加高压，带电粒子穿过充气管使气体电离，释放电子而变成正离子. 在电场作用下，电子向管心的细丝(即阳极)运动，接近细丝处电场非常强，电子被电场加速获得足够的能量使气体发生次级电离，释放更多的电子. 这一过程反复发生便形成电子和正离子的雪崩，二者的运动在阳极丝产生感应电信号，从而给出带电粒子通过的信息.

图1为实验装置. 具体的实验过程是，利用紫外激光电离气体分子中的电子，在外加电场的作用下，电离的电子加速运动，但由于与气体分子的频繁碰撞而受到阻力作用，该阻力与速度成正比. 二者竞争导致电子很快达到平衡状态，遂以恒定的速度向阳极面漂移. 测量入射激光的位置、激光脉冲与阳极信号之间的时间差，可以利用示波器或自编软件确定电子的漂移速度.

图1 实验装置

2 创新点

实验内容涉及到诸多物理分支学科：

1)力学：电场中电子漂移过程运动符合力学理论中牛顿运动方程，即速度正比阻尼项.

2)电磁学(细圆柱体周围的电场分布、电离过程与信号放大)：漂移室结构、电场分布规律以及电子电离的规律适用于电磁学理论.

3)高能物理学(气体漂移室的径迹测量)：利用漂移室测量带电粒子径迹，是现代粒子物理与核物理实验中带电粒子最为常用的测量方法.

3 主要成效

通过漂移室/多丝正比室的基本使用，学习力学、电磁学和高能物理的综合理论及实验技能，初步了解其在物理实验、医学、生物学、材料科学、天文学等研究领域中的测量手段和重要作用.

本实验由教师全程负责，实验中心技术人员作为支撑，由助教指导本科生完成，历时2年，仿效了科研工作运作模式，即文献调研、相关知识学习、方案设计、讨论与实施、重复及优化、结论分析等过程. 以基本实验仪器或部件示波器、电源等为基础，结合研究对象漂移室，实现了电子漂移速度的测量. 2015年12月，获清华大学学生实验室建设贡献一等奖，并由本科生在国际物理教育大会 (ICPE2015) 做口头报告.

(执笔：肖志刚)