实验四 宇宙线缪子飞行时间测量实验报告

实验四宇宙线缪子飞行时间测量

一、实验原理

宇宙线缪子在穿过闪烁体时将沉积能量，从而产生信号。缪子穿过两个相距一定距离的闪烁体产生的信号将会产生时间差，对这个时间差进行测量，再将两个闪烁体紧贴在一起，再次测量信号的时间差，将二者相减，就可以得到缪子飞过这段距离所用的飞行时间，进而得到缪子的速度。

二、实验内容及步骤

1. 按图示中的A图搭建设备，两块闪烁体上下分开一米左右，测量A情况时间分布。

2. 按图示中的B图搭建设备，两块闪烁体紧贴在一起，测量B情况时间分布，估计两组探测器的固有时间差和时间分辨。

3. 测量闪烁体的三维尺寸，及A图中两块闪烁体的间距。

三、实验结果与思考

1、当两个闪烁体紧贴在一起时：

具体时间间隔记录如下：

统计结果如下：

统计直方图如下：

2、当两个闪烁体相距1.11m时：具体时间间隔记录如下：

统计结果如下：

统计直方图如下：

3、根据计算缪子射线的角度与其产生信号的时间差的关系大致为：

t=(h/cosθ+h*tanθ)/v

可得：

cosθ=2*A*t/(A2*t2+1)

(A=v/h)

缪子的角分布为：

I=I0*cos2θ

故计数在不同时间差上的分布应该为：

N=N0*(2*A*(t0-t)/(A2*(t-t0)2+1))2+N’

用MATLAB中的cftool工具对两组数据进行拟合，可得：

（1）当两个闪烁体紧贴在一起时：

A=0.2087

N0=5.083

N’=1.551

t0=1.152

（2）当两个闪烁体相距1.11m时：

A=1.986

N0=3.832

N’=2.41

t0=1.229

对于两组数据，θ=0，也就是计数最大点所对应的时间差分别为：

t1=-1/0.2087+1.152=-3.640ns

t2=-1/1.986+1.229=0.725ns

故缪子的飞行时间为：

dt=t2-t1=0.725+3.640=4.365ns

飞行速度为：

dh/dt=1.11/(4.365*10-9)=2.54*108m/s

可见缪子的飞行速度较为接近光速。

4、该实验之所以可以测量近光速粒子的飞行时间，是因为仪器的时间精度较高，在本次实验中时间的最小刻度值达到了40ps，而近光速粒子穿过一米左右的距离所花费的时间略大于3.33ns，故可以被仪器探测到，且测量的精度较好。测量的关键在于将两

个闪烁体相距一定距离时所测得的时间差与两个闪烁体紧挨着时所测得的时间差相减，从而消去了测量仪器所产生的延时。