宇宙线_轻子寿命测量实验和电子学设计

第30卷 第1期核电子学与探测技术

V ol.30 N o.1

2010年 1月Nuclear Electr onics &Detection T echnolo gy

Jan. 2010

宇宙线 轻子寿命测量实验和电子学设计

吕治严,李 澄,吴雨生,邵 明,孙勇杰

(中国科学技术大学近代物理系,安徽合肥230026)

摘要:采用可编程逻辑器件,设计了一种新的读出电子学和逻辑电路,仅使用一个闪烁探测器配合

该读出电路,实现对宇宙线 子寿命测量。实验证明该读出方法不仅简便,而且有着很好的测量精度,可用于一些粒子寿命及时间测量的科学实验中。

关键词:可编程逻辑; 轻子;寿命测量

中图分类号: O 572.32+3 文献标识码: A 文章编号: 0258 0934(2010)01 0096 04

收稿日期:2008 10 22

作者简介:吕治严(1984 ),男,安徽省旌德县人,硕士研究生,核与粒子物理专业。

子是大自然最基本的粒子之一。1936年,S.H.Nedderm ey er 和C.D.Anderson 在宇宙线云室观测中最早探测到了 子径迹。1937年J.C.Street 和E.C.Stevenson 在宇宙

线实验中观测到了 子,并明确的指出了它的存在, F.Rasetti 等人于1941年首次测定了其寿命[1 3]

。 子带有一个单位的基本电荷,其质量为105.658M eV/c 2,不参与强相互作用。 子作为一种比电子重的轻子,其自身具有很大的不稳定性,至今仍然是人们未能完全了解且有待研究的对象。 子寿命为2.197 10 6

s 。它的寿命测量具有重要的物理意义,例如标准模型中的费米耦合常数,便可以利用其寿命的精确值确定。海平面上 子通量的测定结果也是爱因斯坦相对论效应的有力证据。

在粒子物理实验中,对于平均寿命大于10 9

s 的不稳定粒子,传统的衰变寿命测量方法是直接测量衰变事例的时间分布,计算出粒子的寿命。实验上通常采用延迟符合法测量 子平均衰变寿命。该方法至少需要两个探测器,分别记录衰变的起止时间,并需要T DC 记

录其衰变时间大小。这种方法至少需要两路读出电子学,以及相关的逻辑电路及数据处理系统,使得实验装置的仪器费用较高。可编程逻辑器件PLD (Prog rammable Log ic De vice)[4,5],自90年代后被广泛开发和应用于许多领域的电路设计中,并在核电子学中得到进一步发展。

使用PLD 来开发逻辑电路及数据处理,不仅可以大大缩短设计时间,减少PCB 面积,而且有效提高系统的可靠性和设计成本。

本文利用可编程逻辑器件,设计了一种专门的电子学读出电路,进行信号的逻辑分析与处理,采用该读出电路后,不需要专门时间-数字转换电路和数据获取电路,就可以实现对 子寿命直接测量,测量精度达到实验要求,大大减少了测量系统和费用。

1 探测原理

当大气中 子进入闪烁探测器,大部分高能 子会穿过闪烁体,而较低能的 子会与原子碰撞而损失动能,其中部分将停止在闪烁体中。碰撞损失的能量使闪烁体分子激发,在极短的时间内(为ns 量级)激发态发射出荧光回到基态。产生的荧光光子由光电倍增管转换成表征 子 停止!的脉冲信号。图1是 子在塑

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料闪烁探测器中衰变示意图。

图1 子在探测器中衰变示意图

停止在闪烁体内的 子很快发生衰变:

∀e+ v e +v (1)

产生的电子,被闪烁探测器探测,形成 子 衰变!的脉冲信号。测量出这两次脉冲的时间间隔,可以获知这个粒子的产生到衰变的时间差。

设 子的平均寿命为 ,根据粒子衰变服从的指数规律,单个 子在时间间隔d t 内衰变概率为:

D(t)=e -t/

/ (2)

由于自宇宙线 子的通量很低,每次击中探测器的事例可以看成单 子事例。设第i 个 子的产生时间为t ,则 子在时刻t 衰变概率为:

D i (t)=e -(t-ti)/

/ (3)

如果第i 个 子到达探测器的时刻为T i ,那么时间间隔 T 内,这个 子衰变的概率是:

P =

#

T i

+ T

T

i

D i (t)dt

=

#

T i

+ T

T

i

e

-(t-t i

)/

/ ∃dt =K -K e

- T/

K =e -(Ti-ti )/ (4) 如果实验共测量到M 个 子,则在时间差 T 以内衰变的总的 子数N 为:

N = M

i=1K i (1-e

- T /

)=K (1-e

- T /

)

K = M

i=1K i

(5)

可见在 T 时间内 子衰变数随时间同样服从指数规律。实验上通过记录确定时间间隔内的 子衰变事例数,利用指数函数拟合方法,可以求得 子衰变的平均寿命 。

2 电路原理和逻辑判选

根据上述探测原理,要求设计电子学电路

实现以下功能:

(1)获取从光电倍增管的输出信号;

(2)判断出哪些是 子的停止信号,哪些是衰变信号;

(3)记录它们之间的时间差,并转换成数字信号;

(4)实现与计算机的通讯和数据传输。设计的电路基本原理见图2。由PM T 输出的脉冲信号,经过倒相放大(AD8004)之后,

再经比较器(A D8564)进行甄别产生一个标准的TT L 电平信号,然后输入到可编程逻辑芯片(M ax7000B/EMP7128BT C100-10)。通过可编程逻辑器件对输入信号进行逻辑处理,完成上述的主要逻辑,记录下衰变时间。并将其结果通过USB FIFO 传递给计算机进行处理。设计的可编程逻辑的逻辑功能是:将接收到的第一个脉冲作为开始时间,对时钟脉冲进行计数,在若干个时钟周期(为10微秒)后如果没有接收到第二个脉冲则清零重置,放弃第一个开始时间;如果在该时间宽度内接收到第二个脉冲,则将两个脉冲的之间的时钟周期数输出,之后清零重置。

实验设计的CPLD 逻辑见图3。起始时刻所有内部线路都是低电平,异或门初始处于关闭(由于异或门的特性,当两个输入的任何一者逻辑发生变化,其输出状态即发生变化,高电平为打开,低电平为关闭。)当有信号输入的时刻,即闪烁体测到有效的事例后,信号输入经d 触发器产生高电平信号,打开异或门并激活计数器,开始对时钟进行计数。当在规定的取样时间内再次有信号输入,经过d 触发器的电平将再次翻转,导致异或门被关闭,计数器的输出使能为低电平,这个时候停止对时钟信号计数,同时将数据输入到数据锁存器;如果在规定取样时间内没有输入信号,那么计数器的溢出进位变为高,经过d 触发器关闭异或门,使计数器输

入使能为低电平,计数停止同时对计数器进行清零。溢出的数据将不传到数据锁存器里面。电路中,输出判选单元与数据锁存单元是为了保证与U SB FIFO 的通讯,当U SB FIFO 芯片的接受信号为有效的时候,输出使能为高,数据进行输出,并清空数据锁存器。

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