1992 年诺贝尔物理学奖——多丝正比室的发明

1992 年诺贝尔物理学奖授予瑞士日内瓦欧洲核子研究中心的夏帕克（Georges Charpak，1924—2010），以表彰他对高能物理探测器，特别是多丝正比室的发明和发展。

粒子探测技术的重大突破

粒子探测技术的重大突破发生在 1968 年，这一年夏帕克首次提出多丝正比室的研究成果。

粒子物理学的新发现和探测器的发展往往密切相关。云室可以记录带电粒子在气体中的径迹。1927 年诺贝尔奖授予 C.T.R.威尔孙，奖励他在云室技术改进方面所做的工作。云室被用于发现第一个反粒子正电子，由于这项工作，祖籍瑞典的 C.D.安德森教授被授予 1936 年诺贝尔物理学奖。1948 年诺贝尔物理学奖给了布莱克特，表彰他发展了云室技术，并用之于研究原子核和宇宙辐射。20 世纪 40 和 50 年代在研究宇宙辐射中用了一种特殊的感光乳胶记录带电粒子的径迹。鲍威尔由于发展了乳胶技术，并发现了 π 介子，获得 1950 年诺贝尔物理学奖。泡室的发明使格拉塞获得 1960 年诺贝尔物理学奖，这项发明对 60 年代粒子物理学的发展有着重要的作用。泡室中充有过热液体，带电粒子的径迹上，液体沸腾，产生小气泡，一串串的气泡可照相留影，然而，图形顶多只能一秒拍摄一张。在 60 年代，大量新的基本粒子被发现，这要归功于气泡技术。阿尔瓦雷斯由于发展了这一技术而获 1968 年诺贝尔物理学奖。

多丝正比室有些什么特点呢？

研究基本粒子间的反应，可以提供粒子性质和粒子间作用力的知识。这些反应通常非常复杂有时在一个反应中会产生几百个粒子。为了解释这些反应，科学家往往需要记录每个粒子的轨迹。直到 1970 年，这类记录常用的方法是各种照相法，图片要靠特殊的测量器具进行分析，工作过程缓慢而又劳累。夏帕克发明的多丝正比室很好地解决了上述困难。多丝正比室技术起源于正比计数管，但夏帕克对其作了重大改革。经典的正比计数器如盖革-缪勒管，是由一根细丝装在直径约为一厘米的管子中央构成的。在细丝和管壁间加几千伏的高压。带电粒子穿过充气的管子，会使气体电离。在这个过程中，气体的中性原子会释放带负电的电子，而变成带正电的离子。在电场的作用下，电子向管心的细丝（即阳极）运动。接近细丝的地方电场非常强，电子大大加速，于是就有足够的能量使气体游离，因而有更多的电子被释放，这些电子又被加速，这样就形成了电子和正离子的雪崩。正是由于电子和离子的运动，引起了阳极丝产生一电信号，给出带电粒子通过的信息。正比计数管确定粒子位置的精度大约是 1 cm，即计数管本身的尺码。

现在的粒子物理实验要求记录粒子径迹能够做到高精度和大面积覆盖，用一层层这样的老式正比计数管覆盖大的面积是不现实的，也不可能达到需要的空间精度。突破来自夏帕克发明的多丝正比室。图 92 – 1 示意性地表明了多丝正比室的结构原理。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，阳极细线的直径约为十分之一毫米，间距约为一或几毫米。当时人们普遍认为，这类多丝结构会因相互感应等问题而不能正常工作。夏帕克则与人们普遍的想法相反，1968 年提出，每根丝都会像正比计数管一样地工作，并可使空间精度达到一毫米或者更小些。每根丝都能承担极高的粒子记录速率，可高达每秒几十万次。在当时这已是异常的高速率了。同时，多丝正比室结构易于做成大面积，并能以模块方式组成所需的各种体积和形状，适于进行不同规模和特点的实验。

多丝正比室的每根丝都单独配备一个放大器。现代电子学正好可以提供能源消耗极小的密集型放大器，这样就使建造数万以致数十万的电子读出系统成为可能。这样的装置还有一个非常重要的好处：能够用计算机记录信号，并处理大量数据。同过去以照相为主的记录带电粒子径迹方法相比，新探测器成千倍地提高了获取实验数据的速度，并能最大程度地选择出实验者所希望研究的事例，高效地分析那些真正揭露物质内部秘密的粒子间相互作用。

早在 1968 年提出多丝正比室的同时，夏帕克就致力于进一步发展多丝正比室。其中一项就是漂移室。漂移室的结构和多丝室基本相同，预先测定电子在气体中的漂移速度，通过测量从（粒子通过瞬间）产生原始电离到电离电子漂移到阳极丝产生电信号之间的时间间隔，由此可以确定原始电离距离阳极丝的位置。这样就可以大大提高测量径迹位置的空间分辨率，达到小于 0.1 mm，同时保持多丝正比室的优点。这一设想由夏帕克和他的合作者以多种形式实现，进一步推动了实验粒子物理学的发展。

夏帕克 1968 年的发现带动了不同类型丝室的大规模发展。粒子物理学每一项实验都要用到某种类型的径迹探测器，这些探测器都是从夏帕克最初的发明发展而来的。夏帕克本人一直处在这一发展的中心地位，数以千计的科学家，包括在欧洲核子研究中心和在其他地方工作的科学家，都得益于这一发展。里克特和丁肇中于 1974 年发现粲夸克，因此获 1976 年诺贝尔物理学奖，在他们的工作中就使用了几种多丝正比室。1983 年，欧洲核子研究中心发现中间玻色子，也用到了丝室。从 80 年代中期开始，夏帕克积极地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谋福利。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。在日内瓦大学医学中心和法国一些医疗中心，上述仪器已成功地应用于 X 射线和 β 射线的成像诊断中。由多丝正比室引发的一系列新探测器在实际应用方面取得的成就越来越引人瞩目，这门新技术显示出了广阔的前景。

获奖者简历

夏帕克  1924 年 8 月 1 日出生于波兰，后移居法国，1946 年成为法国公民，从 1948—1959 年他在法国国家科学研究中心（CNRS）学习和工作，1955 年在巴黎法兰西学院获博士学位。他从 1959 年以后一直在瑞士日内瓦欧洲核子研究中心工作。在那里，夏帕克发明了多丝正比室。这一开创性成果发表于 1968 年。从 1984 年起，还担任巴黎高等物理化学学院约里奥-居里教授。夏帕克是日内瓦大学名誉博士，1985 年成为法国科学院院士。1989 年获欧洲物理学会“高能与粒子物理奖”。60 年代初夏帕克参加了一些重要的物理实验，例如 μ 子磁矩的精确测量和利用 π 介子进行核结构的实验研究。同时，他把注意力集中到对粒子物理实验具有普遍意义的新型粒子探测器的探索上。他曾经研究过好几种新型的火花室，火花室的特点是不必用照相方法，而是利用电流分配和脉冲延迟技术读出粒子的信号。70 年代后，夏帕克和他的合作者进一步把多丝正比室发展成为具有更高径迹定位精度的漂移室。这些新型的粒子探测器性能大大超过了以往各种探测器，使实验粒子物理学迅速改变了面貌。所以可以说，夏帕克发明多丝正比室是粒子探测器发展史上的一个里程碑。从 1979—1989 年，夏帕克和他的同事们成果累累，不断有新的发明，特别是一种所谓的多步雪崩室，可用于光子探测和离子辐射成像。1991 年退休后他仍经常到欧洲核子研究中心和其他高能物理实验中心访问，指导工作。作为粒子探测器大师，他在同行中享有崇高的威望。夏帕克 2010 年 9 月 29 日逝世于巴黎。

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发布时间：2023/12/23 上午10:49:06  阅读次数：1865