宇宙线_轻子寿命测量实验和电子学设计_图文(精)
大学物理实验-μ子寿命测量实验报告
数据处理：
1阈电压与μ子计数关系：
选取比较平缓的有一段，以出去放大器输出信号中包含的噪声信号。
试验中选取200mV 。
2半小时测量：
理论上的公式为：t 时刻衰变数目τ/0t e N N −=，
T ∆内衰变总粒子数()
τ/1T e K N ∆−−=
平均寿命s µτ759.1=，误差19.9%
3.12小时测量
平均寿命s µτ297.2=，误差4..55%
4.200小时
平均寿命s µτ124.2=,误差3.32%
平均寿命s µτ322.2=,误差5.69%
实验总结;
通过测得结果可以看出测量时间长，测得的结果也更加符合统计规律，误差相对较小。
对于半小时的测量则比较粗略，误差稍大。
通过实验我们掌握了宇宙线μ子平均寿命的测量，加深了相对论效应及宇宙线μ子性质的认识。
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=0.2087N0=5.083N’=1.551t0=1.152（2）当两个闪烁体相距1.11m时：A=1.986N0=3.832N’=2.41t0=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=-3.640nst2=-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。
宇宙线μ子寿命测量的简化方法
宇宙线μ子寿命测量的简化方法田怡;胡陆国;孙保华【摘要】μ子是地球表面可以探测到的主要宇宙射线,是标准模型中一种重要的基本粒子.μ子衰变产生电子和中微子.通过μ子寿命的测量不仅可以加深学生对μ子衰变性质的理解,还可以加深对狭义相对论时间膨胀效应的认识.本文通过NaI(Tl)闪烁体探测器捕捉宇宙射线μ子及其衰变电子信号,介绍了一种在实验室中测量μ子平均寿命的简易实验方法.【期刊名称】《大学物理》【年(卷),期】2018(037)010【总页数】3页(P36-37,65)【关键词】μ子寿命;简易实验方法;NaI(Tl)探测器【作者】田怡;胡陆国;孙保华【作者单位】北京航空航天大学物理科学与核能工程学院,北京100191;北京航空航天大学物理科学与核能工程学院,北京100191;北京航空航天大学物理科学与核能工程学院,北京100191【正文语种】中文【中图分类】O5721936年，C. D. Anderson 和S. H. Neddermeyer在宇宙线研究中首次观测到μ子 [1].次年，J. C. Street和E. C. Stevenson在云室中确认了这个质量在电子和质子之间的粒子的存在[2].μ子是太空中的初级宇宙射线与大气层中的原子核发生反应产生的，μ子衰变产生电子和中微子.目前已知μ子带有一个单位的电荷，质量为105.658 MeV/c2，自旋1/2，衰变平均寿命为2.196 981 1(22) μs [3].μ子产生于离地面15 km的高空，速度接近光速.需要50 μs左右才可以到达地面，是μ子寿命的25倍左右.测量μ子寿命可验证狭义相对论的时间膨胀效应，以及确认标准模型中的费米耦合常数.在过去的寿命测量实验中，一般使用多个探测器利用延迟符合方法测量衰变时间分布，成本较高[1].目前在国内，复旦大学等少数高校开展了μ子寿命测量实验，在北航已开设了μ子速度测量的探索性实验 [4].为了易于学生实验操作和分析，本实验参考1970年R. E. Hall等人的简化实验 [5]，使用NaI(Tl)闪烁体探测器+时间甄别器+时间幅度转换器+多道分析器实验装置展开了对μ子寿命的研究.1 实验装置NaI(Tl)是实验室常用的闪烁体探测器之一，密度大，平均原子序数高，发光效率大，对射线有较强阻止本领 [6，7].本实验使用的是圣戈班公司生产的NaI(Tl) 探测器，捕捉阻停的μ子信号及其随后的衰变电子信号.NaI(Tl)晶体的直径和高度均为12.7 cm，时间分辨在ns量级.实验装置如图1所示.NaI(Tl) 探测器的输出信号经过时间甄别器(ORTEC 584)定时；定时信号分为两路，一路经过延迟插件(ORTEC GG8020)延迟200 ns作为时间幅度转换器TAC(ORTEC 567)的start输入信号；另一路信号不经延迟，作为TAC的stop输入信号；TAC的量程设为10 μs，其输出信号输入到多道分析器MCA(ORTEC 927)；MCA总谱长为1 024道，通过USB线连接到计算机进行数据的采集.2 测量原理本实验测量原理如图1所示，深黑色信号表示探测器阻停μ子信号，浅灰色表示其后的衰变信号.探测器输出的信号经时间甄别后一路延迟TD时间作为start信号，一路不延迟作为stop信号，利用TAC可测得两路信号时间差ΔT.由于μ子衰变时间为TD+ΔT，从而得到μ子衰变时间的分布.对于任意时刻t，图1 μ子寿命测量实验装置及原理图此后 dt时间内衰变的事件数dN满足式(1)，也即衰变事件的时间分布满足指数分布规律，式中N0为t = 0时未发生衰变的粒子数目.指数拟合μ子衰变的时间分布得到衰变常数λ，平均寿命τ由λ的倒数可得=-λN0e-λt(1)通常在测量衰变寿命的实验中，为了正确关联所研究的衰变粒子及其随后的衰变事件，在保证统计的基础上，应尽量降低探测器接收衰变粒子及本底的计数率，以减少由于计数率过高带来错误关联事件，从而得到准确的寿命结果.在本实验中，已知μ子通量约为2 cm-2min-1，由NaI(Tl)探测器尺寸可估算出通过μ子频率约为4 Hz.因此主要的本底来源为环境中的γ本底.为了减少本底影响，在本实验中通过设置时间甄别器的阈值，将信号频率限制在10 Hz以下.由图1可知μ子衰变时间为TD+ΔT，则TD时间内发生衰变的事件不能被当前系统测量.因此在当前寿命测量方法中，GG8020的延迟时间TD选择不能过长.本实验中延迟时间为200 ns，μ子在这段时间内发生衰变的概率为9%.在本次实验中，MCA记录的信号计数率大约为0.02 Hz，每组实验测量时间在38 h左右.3 数据分析3.1 TAC时间刻度为了获取准确的时间信息，需要对TAC进行时间刻度.本实验中利用插件ORTEC 462来进行时间刻度.根据MCA记录的TAC输出信号的幅度(道址CH)与其start和stop输入信号的时间间隔ΔT成正比，即如下关系ΔT=a+b×CH(2)式中a和b是常数.在本实验中，ΔT单位为μs，时间刻度得b值为0.009818±0.000 003.3.2 衰变曲线拟合本实验进行了3次测量，为了简化分析过程，直接拟合MCA记录的道址-计数衰变谱.拟合bin宽度为10个道址(对应0.10 μs).图2为第一次测量得到的μ子衰变谱及拟合曲线.本实验中本底近似为常数，衰变谱采用e(a·CH+b)+c的函数拟合(式子中a ， b ， c为常数，CH为道址).根据式(2)可知，拟合得到的系数a是λ的0.009 82倍，进而得到μ子寿命.3次测量拟合得到μ子寿命结果如表1所示，序号1即为第一次测量.3次测量结果加权平均，最终μ子寿命为2.07(9) μs.图2 μ子衰变谱及其拟合曲线表1 μ子寿命测量结果序号123τ/μs2.028(156)2.105(157)2.084(142)3.3 讨论本文工作利用NaI(Tl)探测器多次测量μ子寿命，结果为2.07 (9) μs，与自由μ子寿命2.197 μs相比偏短，相对误差约为6%.这是由于在宇宙线中包含μ+和μ-，在海平面二者的比例近似为1∶1[5，8] ，本实验中测得的是两者混合衰变的平均寿命.其中，μ+的寿命不受探测器材料的影响.而μ-除了衰变为电子和中微子外，在衰变前还可被探测器材料的原子轨道俘获.μ-俘获速率随着探测器材料的有效原子序数增加而增大，导致μ-寿命变短[9].因此本实验用NaI(Tl) 探测器测得的μ子寿命会小于自由μ子的寿命.4 总结本工作利用实验室最常见的NaI(Tl)探测器结合通用电子学，介绍了一种在实验室测量宇宙射线μ子寿命的简易实验方法，测得的μ子寿命为2.07(9) μs.本实验所用到的方案简单，易于学生理解掌握；探测器和电子学为实验室通用，易于实验平台的搭建；对宇宙射线μ子寿命的测量将加深学生对μ子衰变过程和相对论时间膨胀效应的理解.此外，在有条件的实验室，还可以利用本实验方法拓展不同探测器测量宇宙线μ子寿命的实验，研究μ-在不同材料中的原子俘获对其寿命的影响. 参考文献:【相关文献】[1] 吕治严，李澄，吴雨生，等. 宇宙线μ轻子寿命测量实验和电子学设计[J]. 核电子学与探测技术， 2010， 30(1):96-99.[2] Street J C， Stevenson E C. New Evidence for the Existence of a Particle of Mass Intermediate Between the Proton and Electron [J].Physical Review， 1937， 52(9):1003-1004.[3] Patrignani C， et al. Particle Data Group. Review of Particle Physics [J]， Chinese Physics C， 2016， 40:32.[4] 刘文斌，李海鹏，李明，等. μ子的速度测量[J]. 大学物理，2016，35(7):56-58.[5] Hall R E， Lind D A， Ristinen R A. A Simplified Muon Lifetime Experiment for the Instructional Laboratory [J]. American Journal of Physics， 1970， 38(10):1196-1200.[6] 复旦大学，清华大学，北京大学,合编.原子核物理实验方法[M].3版.北京:原子能出版社，1997.[7] Leo W R. Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments [M]. Berlin: Springer-Verlag， 1994.[8] Rossi B， High-Energy Particles [M].New Jersey: Prentice Hall， 1952.[9] Suzuki T， Measday D F. Total nuclear capture rates for negative muons [J]， Physic Review C， 1987， 35(6).。
少子寿命实验报告
一、实验目的1. 了解光电导法测试少数载流子寿命的原理。
2. 熟练掌握LTX2高频光电导少数载流子寿命测试仪的使用方法。
3. 测量非平衡载流子的寿命。
二、实验原理少子寿命是指半导体材料中少数载流子的平均生存时间。
在半导体器件中，少数载流子的寿命对器件的性能具有重要影响。
光电导衰减法是测量少数载流子寿命的一种常用方法。
其原理是在样品上施加一定频率的高频电场，使样品中的载流子产生振荡，从而产生光电导现象。
通过测量光电导衰减曲线，可以计算出少数载流子的寿命。
三、实验仪器与材料1. 仪器：LTX2高频光电导少数载流子寿命测试仪、样品测试夹具、示波器、信号发生器、频率计、稳压电源等。
2. 材料：样品（如硅单晶、锗单晶等）、光注入源、腐蚀液、钝化液等。
四、实验步骤1. 准备样品：将样品进行清洗、切割、抛光等处理，使其表面光滑、平整。
2. 设置实验参数：根据样品类型和测试要求，设置合适的测试频率、测试时间等参数。
3. 连接仪器：将样品夹具、信号发生器、示波器、频率计、稳压电源等仪器连接好，确保连接正确、牢固。
4. 光注入：使用光注入源对样品进行光注入，产生非平衡载流子。
5. 测量光电导衰减曲线：打开测试仪，记录光电导衰减曲线。
6. 数据处理：对光电导衰减曲线进行拟合，计算少数载流子的寿命。
五、实验结果与分析1. 光电导衰减曲线：实验测得的光电导衰减曲线如图1所示。
图1 光电导衰减曲线2. 少子寿命计算：根据光电导衰减曲线，拟合得到少数载流子的寿命为5.6×10^-6 s。
3. 影响因素分析：（1）样品材料：不同材料的样品，其少子寿命不同。
例如，硅单晶的少子寿命一般比锗单晶长。
（2）样品制备：样品的制备过程对少子寿命有较大影响。
如样品表面粗糙度、杂质浓度等都会影响少子寿命。
（3）光注入强度：光注入强度越大，产生的非平衡载流子越多，从而影响少子寿命。
（4）测试参数：测试频率、测试时间等参数对少子寿命的测量结果有一定影响。
少子寿命测试实验报告
少子寿命测试实验报告一、实验目的和任务1、了解光电导法测试少数载流子寿命的原理，熟练掌握LTX2高频光电导少数载流子寿命测试仪的使用方法；2、测非平衡载流子的寿命。
二、实验原理处于热平衡状态的半导体，在一定温度下，载流子浓度是一定的。
这种处于热平衡状态下的载流子浓度，称为平衡载流子浓度。
半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。
如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。
处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度不再是X和X，可以比它们多出一部分。
比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子，有时也称过剩载流子。
寿命的全称是非平衡少数载流子寿命，它的含意是单晶在受到如光照或点触发的情况下会在表面及体内产生新的（非平衡）载流子，当外界作用撤消后，它们会通过单晶体内由重金属杂质和缺陷形成的复合中心逐渐消失，杂质、缺陷愈多非平衡载流子消失得愈快，在复合过程中少数载流子起主导和决定的作用。
这些非平衡少数载流子在单晶体内平均存在的时间就简称少子寿命。
通常寿命是用实验方法测量的。
各种测量方法都包括非平衡载流子的注入和检测两个基本方面。
最常用的注入方法是光注入和电注入，而检测非平衡载流子的方法很多。
不同的注入和检测方法的组合就形成了许多寿命测量方法。
三、实验设备本实验采用LTX2高频光电导少数载流子寿命测试仪。
该仪器灵敏度高，配备有红外光源，可测量包括集成电路级硅单晶在内的各种类型硅单晶及常用的晶体管级锗单晶。
该仪器根据国际通用方法—高频光电导衰退法的原理设计，由稳压电源、高频源、检波放大器、脉冲光源及样品电极共五部分组成，采用印刷电路和高频接插件连接。
整机结构紧凑，测量数据准确、可靠。
四、实验结论实验通过测电压间接的少子寿命指少子的平均生存时间，寿命标志少子浓度减少到原值的1/e所经历的时间，实验中便通过测量最高点电压减少到原值的1/e所经历的时间，与最高点多少无关；当样品含有重金属且存在缺陷时，会产生杂质能级，成为少子的复合中心，从而寿命降低。
宇宙线探测实验数据分析-IHEP
宇宙线探测实验数据分析1陈松战chensz@中科院高能物理研究所9月10-14日“粒子物理数据分析基础和前沿研讨会”@IHEP内容一、宇宙线入门宇宙线基本知识宇宙线研究的物理问题 EAS 及其探测中国宇宙线实验发展历史小结二、EAS 阵列宇宙线数据分析基础实验数据的仿真模拟 实验数据的刻度 数据的重建 成分鉴别数据质量监测（月影与标准烛光Crab ）小结2三、天体源相关数据分析几个坐标系 背景估计 天图分析显著性估计伽马/质子鉴别品质因子 流强估计能谱拟合 小结四、几个物理分析实例GRB 的寻找 全天区扫描 扩展源分析 AGN 的监测宇宙线各向异性分析 日地空间磁场的测量 小结总结一、宇宙线入门3宇宙线基本知识宇宙线研究的物理问题EAS及其探测中国宇宙线实验发展历史1.1 宇宙线基本知识41912年﹐奥地利物理学家Hess乘坐气球五千米高空发现空气电离率升高，说明由地球外辐射（宇宙线）引起。
HESS result宇宙线的发现（1912）5宇宙线全粒子能谱宇宙线的能量从109到1021eV，跨越10多个量级，呈现一个简单的幂律形式，这表明其非热谱性质。
宇宙线：主要为核子，约87%质子，12%α粒子（氦核子），少量锂﹑铍﹑硼、碳﹑氮﹑氧等原子核﹐以及电子、γ射线和中微子。
气球和卫星实验EAS实验LHC6宇宙线能谱全粒子谱几个显著特征：4x1015eV ‘膝’4x1017eV ‘第二膝’1019eV ‘踝’1020 eV ‘GZK 截断’GZK膝踝1.2 宇宙线相关的物理问题7早期在基本粒子方面成果：正电子（1933）、µ子（1937）、π介子（1947）、K介子（1948）、Λ（1951）、Ξ重子（1952）和∑（1953）等。
现在研究内容转向天体物理，主要围绕三个基本问题：起源：宇宙线起源于何处？河内or河外？超新星？AGN？GRB？加速：宇宙线是如何被加速的？传播：星系间介质作用？星际磁场作用？与EBL，CMB作用？宇宙线的起源8宇宙线的起源是所有问题的核心，被称为“世纪之谜”。
宇宙还有240亿年的寿命
宇宙还有240亿年的寿命
刘柳
【期刊名称】《今日科苑》
【年(卷),期】2005(000)001
【摘要】美国科学家根据哈勃望远镜的观察，计算了宇宙中的暗能量，得出了一个新结论——宇宙至少还能活240亿年，这比他们原先预计的要长。
【总页数】1页(P47)
【作者】刘柳
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】N4
【相关文献】
1.一种新的宇宙线μ子寿命测量实验电子学系统设计 [J], 霍文驹;梁昊
2.宇宙线μ轻子寿命测量实验和电子学设计 [J], 吕治严;李澄;吴雨生;邵明;孙勇杰
3.光子的寿命或比宇宙还长：下限为百亿亿年 [J], 中国科技网
4.宇宙线μ子寿命测量的简化方法 [J], 田怡;胡陆国;孙保华
5.人类影响宇宙寿命 [J],
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半导体少子寿命测量技术(课件)
✓ 少数载流子定义 ✓ 少数载流子寿命 ✓ 测量原理 ✓ 测量结果
少子寿命测量技术
少数载流子：
是指半导体中数量上占少数的载 流子。在硼搀杂的P型半导体中， 电子是少数载流子；反之，在磷 搀杂的N型半导体中，空穴是少数 载流子。
少子寿命测量技术
少数载流子寿命：
是指半导体材料在外界注入（光或热） 下，少数载流子从最大值衰减到无注 入时的初值之间的时间。寿命值越大， 相应的材料质量越好。
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少子寿命测量技术
去除硅片损伤层 制绒
扩散前清洗 磷扩散
去除磷硅玻璃
少子寿 命测量
淀积光学减反射膜
丝网印刷电极及背面场
金属化
分类检测
少子寿命测量技术
测量原理：
在稳态和准稳态情况下，产生和复合相等， 通过测量已知量求出有效的少子寿命。
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少子寿命测量技术
测量结果：
少子寿命测量技术
μ子寿命测量实验
μ子寿命测量实验孙腊珍;吴雨生;李澄【摘要】根据粒子的平均寿命测量原理,采用大面积塑料闪烁探测器和可编程逻辑器件设计了宇宙线μ子寿命测量的实验教学装置,使用该装置可实现对宇宙μ子寿命的直接测量. 通过该实验,可使学生对高能物理理论、高能粒子探测器、高能粒子探测技术和数据获取、处理有整体的理解和认识. 本文从实验教学内容和教学方法上对μ子寿命测量实验进行了探讨.【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2010(030)002【总页数】4页(P1-3,19)【关键词】宇宙线μ子;寿命测量;高能粒子探测器【作者】孙腊珍;吴雨生;李澄【作者单位】中国科学技术大学,近代物理系,安徽,合肥,230026;中国科学技术大学,近代物理系,安徽,合肥,230026;中国科学技术大学,近代物理系,安徽,合肥,230026【正文语种】中文【中图分类】O572.3231 引言宇宙线中的μ子主要是由宇宙线中的π介子衰变(π-→μ-+¯νμ,π+→μ++νμ)产生的.大部分的μ子产生在约15 km的高空,由于μ子不参与强相互作用,因而具有较强的穿透力.海平面上μ子的通量近似为1～2 cm-2·min-1,平均能量约为4 GeV[1-2].μ子带有1个单位的电荷,其质量为105.658 M eV/c2,平均寿命约2.197μs[3].对μ子寿命进行测量具有重要的物理意义,例如:可以利用μ子寿命的精确值来确定粒子物理标准模型中的费米耦合常数 G F;在实验室对μ子的观测和寿命测量也是对狭义相对论的时间膨胀效应的有力验证.在高能粒子物理实验中,传统的粒子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μ子平均衰变寿命,该方法至少需要2个探测器以及相关的逻辑电路和数据处理系统,这就使得实验装置复杂,并且仪器设备所需费用较高.中国科学技术大学近代物理系高能物理研究室的教师将科研成果经过精炼,核心提取,并采用大面积塑料闪烁探测器和可编程程序逻辑器件,自行设计了专门的电子学电路和探测系统,研制了既简便又大量减少仪器费用的μ子寿命测量装置,实现了对宇宙线μ子寿命直接测量[4],测量精度达到实验要求.2 实验原理宇宙线中的μ子通过塑料闪烁体时,主要的能量损失方式是电离能损,并伴随库仑散射.高能量μ子可直接从闪烁体中穿出,并在径迹周围产生电子及荧光光子等次级粒子;一些较低能量μ子在闪烁体中停止后,可以自由衰变,也可能与物质的原子核发生作用被俘获而消失.其发生衰变如下:衰变中产生的电子(e)继续与闪烁体发生作用损失能量,并使闪烁体分子激发,而电子反中微子(¯νe)和μ子中微子(νμ)直接穿出.塑料闪烁体中受激发的分子在极短的时间内(约10-10 s)退激发并发射荧光(荧光波长在350～500 nm之间),荧光通过光电倍增管光电转换放大而输出电信号,这个信号将作为μ子的“到达”信号.当停止在闪烁体内的μ子发生衰变,产生的电子被闪烁探测器探测,形成μ子“衰变”的信号.“到达”探测器的信号与μ子“衰变”的信号的时间间隔,即为μ子1次衰变的寿命.由于微观粒子的衰变具有一定的统计性,因此实验上是通过测量时间差的分布,进而计算得到μ子的平均寿命[5-6].宇宙线中μ子的通量很低,每次击中探测器的事例可以看成单μ子事例.设μ子的平均寿命为τ,第 i个μ子的产生时间为 ti,则相对公共的时间零点,μ子在时刻t衰变概率[3]为如果第i个μ子到达闪烁探测器的时刻为 Ti,那么时间间隔ΔT内,这个μ子衰变的概率是:式中 K=e-(Ti-ti)/τ.如果实验共测量到M个μ子衰变事例,则在时间差ΔT以内,衰变的总μ子数N为式中可见在ΔT时间内μ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μ子衰变事例数,利用指数函数拟合方法,可以求得μ子衰变的平均寿命τ.3 实验装置根据μ子寿命测量实验原理,自行设计制作了大面积闪烁探测器(探测面积450 cm2),如图1所示.实验使用的塑料闪烁体的发光衰减时间约为3 ns,与微秒量级的μ子衰变时间相比很小,可以保证时间差测量的相对准确性.图1 实验装置系统框图整个实验测量装置由塑料闪烁探测器[6]、高压电源、数据获取系统以及计算机和分析软件4部分组成.宇宙线中μ子入射到塑料闪烁体,经光电倍增管、放大器、甄别器、可编程逻辑电路(FPGA),最后通过USB接口把数据输入计算机处理.图2是测量装置的照片.2套测量装置共用1个闪烁体和高压电源.图2 μ子寿命测量装置4 实验内容首先将高压电源线(红色)与探测器连接,探测器信号线(黑色)与信号处理仪器测量面板上的信号输入端连接,USB接口线与计算机相应接口连接.将各部件电源线接好,检查无误后,打开高压电源和信号处理仪器电源,并将探测器工作高压设置为-600 V,记录电压及电流值.1)用示波器观测放大器输出信号,并记录放大信号特征(幅度、上升时间,噪声信号);观测甄别器输出信号,记录甄别器输出信号特征(信号宽度、频率).2)调节仪器面板上的电阻以选择合适的阈电压,使得去除放大器输出信号中包含的噪声信号.其方法是将阈电压从0.01～0.5 V连续变化,取10个测量点,作μ子计数-阈电压曲线,并得出合适的阈电压值.3)打开计算机,执行数据获取软件:m uon.tcl,获取μ子的衰变信号,要求累积数据时间足够长(实验安排测量 3～4 h),存储数据文件(自备U盘拷贝数据文件).学生完成实验后,要求利用O rigin软件处理数据,计算μ子的平均寿命,打印出实验曲线和实验结果,如图3所示.可选取感兴趣的相关问题进行探讨:a.在地面参考系观测,运动的μ子(速率为0.998c)到达地面的平均寿命是多少?与实验测量的结果是否矛盾?b.该实验是如何保证测量的2个信号恰是同一μ子的到达与衰变信号?c.解释实验测量的μ子衰变寿命曲线具有一定分布的物理原因.图3 衰变事例-时间关系曲线d.比较所测数据与 100 h数据结果(由实验室提供)的差别.实验测量误差可能有哪些来源,如何减少这些误差?e.1948年,我国科学家张文裕发现负μ子可以取代电子被原子核捕获形成μ原子,分析μ氢原子与氢原子在原子半径、结合能方面的差异.设想是否可以用μ氘原子实现聚变反应?对问题b的探讨:学生可以利用 GEAN T4软件[4]对入射μ子在探测器中的衰变概率进行模拟.估计测量事例率,分析偶然事例对实验的影响.μ子的测量实验中,对每个事例设置20μs的测量时间窗,只取到达信号与衰变信号时间间隔小于这个窗的事例.对实验进行模拟,宇宙射线的μ子在晶体中衰变比率约2×10-3,而μ子的事例率约为10 Hz,μ子的衰变计数率在每分钟几个左右.伪事例的概率,即20μs内连续有2个无时间关联的μ信号的概率约10-4量级,所以可以认为,经可编程逻辑判选后,所测量输出的数据几乎都是μ子沉积在闪烁体内并且发生衰变的事例.对问题d的探讨:学生可获取不同时期(例如:10 h,1 d,7 d等)的多组数据,用适当的统计方法处理实验数据,并对结果进行统计置信度分析,使学生认识数据的随机性和统计性.学生通过查阅参考书、计算机模拟或实验和数据分析,对感兴趣的问题进行探讨,可进一步理解μ子寿命测量的实验原理,加深对爱因斯坦相对论中时间膨胀效应的理解.同时给出实验条件,写出实验报告.图3给出的是累积收集了18 296个衰变事例的实验结果.由测量数据拟合得到的实验值为τ=(2 124.6±9.6)ns,与文献[2]中给出的μ子静止平均寿命参考值(2 197.03±0.04)ns相近.由于测量时间所限,事例率及事例总样本数偏低,精度略显不足.5 结束语自行研制的μ子寿命测量实验装置相对比较精简,是一个较典型的基本粒子探测实验,测量方法新颖可靠,同时利用宇宙线开设高能粒子物理实验,既节省了经费,又解决了使用放射源开设核物理实验的辐射防护问题.学生通过此实验,加深了对高能粒子物理理论理解,并对高能粒子探测器、宇宙线的探测方法、相关电子学和数据获取与处理等方面有比较系统的了解.参考文献:【相关文献】[1] Coan T E,Ye J.M uon physics user manual[Z].v050201.0.[2] Particle Data Group.Cosmic ray muon detection[Z].Review of Particle Physics,Regentsof the U-niversity of Califo rnia.2006.[3] Lundy R A.Precision measurement of theμ+lifetime[J].Phys.Rev.,1962,125:1 686-1 696.[4] 吴雨生.宇宙线muon寿命测量实验的Geant4模拟[D].合肥:中国科学技术大学,2008.[5] 谢一冈,陈昌,王曼,等.粒子探测器与数据获取[M].北京:科学出版社,2003:171-220.[6] 汪晓莲,李澄,邵明,等.粒子探测技术[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2009:232-274.[7] 林延畅,陈少敏,高原宁,等.μ子寿命测量与高能物理实验创造性人才的培养[J].实验技术与管理2008,25(9):19.。
实验三宇宙线缪子寿命测量
实验三宇宙线缪⼦寿命测量实验三宇宙线缪⼦寿命测量⼀、实验原理由于缪⼦的衰变时间服从指数分布，所以使⽤⽰波器测量缪⼦触发信号和延迟信号之间的时间差，将测得的时间差做出统计直⽅图，⽤最⼩⼆乘法做指数拟合，就可以测出缪⼦的寿命。
在本次实验中，缪⼦进⼊闪烁体后产⽣触发信号，⽽其衰变产⽣的电⼦或正电⼦将产⽣延迟信号，这两类信号将通过PMT输⼊⽰波器中。
这样，我们便可以测量这触发信号和延迟信号的时间差，进⽽通过绘制统计直⽅图并进⾏指数拟合的⽅式得到缪⼦的寿命。
⼆、实验内容及步骤1. 检查已连接好的设备，利⽤⽰波器观察采集5分钟信号，总时间宽度为30s，检查信号情况，查看是否有延迟的衰变电⼦的信号，事例率是否与预估结果相近。
2. 利⽤⽰波器测量缪⼦触发信号和延迟电⼦信号之间的时间差，计算平均时间，做寿命测量的粗略估计。
3. 采集50-60分钟数据，利⽤⽰波器测量时间，做统计直⽅图。
4. 利⽤最⼩⼆乘法拟合实验数据。
三、实验结果具体时间间隔记录如下统计结果如下：统计直⽅图如下：使⽤MATLAB中的Curve Fitting Tool进⾏拟合，结果如下：General model: f(x) = a*exp(-b*x)+cCoefficients (with 95% confidence bounds):a = 12.54 (10.09, 15)b = 0.4673 (0.3316, 0.6031)c = 1.126e-08 (fixed at bound)Goodness of fit:SSE: 3.572R-square: 0.9381Adjusted R-square: 0.9278RMSE: 0.7715可得缪⼦寿命τ=1/b=1/0.4673=2.14µs，与缪⼦的静⽌寿命较为接近。
四、实验思考1. 如何初始检查信号的质量？将PMT输出的信号直接输⼊⽰波器中进⾏观察。
2. 如何利⽤最⼩⼆乘法去寻找参数的最优值？可以对计数取对数，然后利⽤最⼩⼆乘法进⾏直线拟合，就可以⽐较简单地得到最优的参数。
宇宙线的性质与探测技术
宇宙线的性质与探测技术宇宙线是一种自然界的高能辐射，由高能的带电粒子组成，其能量高达数十亿电子伏特，是人类眼中无法观测到的能量级别。
宇宙线是由宇宙中各种星体的核反应和宇宙射线漂移等多种过程所产生，随着宇宙线的不断研究，越来越多的有关它们的性质被揭示，而这也推动了宇宙线探测技术的不断进步。
首先，宇宙线的性质十分独特，一般而言，它们主要由质子、α粒子、电子和光子等组成，其中质子是宇宙线中占比最高的，其次是α粒子。
此外，在极少数情况下，宇宙线中还可能存在连锁反应所产生的的中子和次原子核，它们极其稀有，难以直接观测到。
宇宙线在其自然形态下，并不会对地球上的人类和物体产生显著的危害，但在太空环境下，由于宇宙辐射对于太空舱设备和宇航员会造成损害。
因此，人类需要寻找合适的方法和技术，深入探测宇宙线，以便保护人类科学家设备、设计未来探测任务等。
宇宙线探测技术分为两类，一类是地面探测技术，另一类是空间探测技术。
地面探测站主要是用来探测宇宙线在地球上的表面上到达的粒子和辐射源，如地球大气层中所产生的涨潮现象等。
一般而言，地面探测技术主要采用探测器来直接探测宇宙线的粒子，探测器种类包括宇宙线望远镜和飞行时间探测器等。
飞行时间探测器是一种将被测粒子加速后，通过测算它通过薄膜所需的时间来获得速度和进一步得到质量的测量方法。
相比而言，空间探测技术则是用来直接探测真空中的宇宙线辐射，在探测宇宙线的能量越来越高的情况下，空间探测技术已经成为探测宇宙线唯一的途径。
目前在绕地轨道上的宇宙线探测任务中，涵盖了几乎所有物理学和天体物理学研究中所需的信息。
其中应当提到的是，欧洲宇航局的阿里安5型火箭便在2022年向地球发射了一颗绕地球卫星，它可以提供更为精准的宇宙线探测数据，为宇宙线探测技术的发展奠定了良好的基础。
另一方面，在空间探测技术中，有一种不那么被人熟知但也非常重要的技术，叫做“间接探测”技术。
这种技术不直接探测宇宙线本身，而是探测宇宙线痕迹在地球上所留下的影响，如通过太阳风，可以间接探测到近100兆电子伏特的宇宙射线粒子。
相对论效应下μ子寿命的实验研究
- 7 -高 新 技 术０ 引言在地球表面可以探测到的宇宙射线就是μ子，μ子产生于离地面15 km 的高空，其速度接近光速。
工作人员一般使用多个探测器对μ子进行观测，对其寿命进行测量，并利用延迟符合的方法测量其衰变的时间分布，该方法成本较高。
为了在降低实验成本的同时，可以方便快捷地测量出宇宙线μ子的寿命，研究人员经过研究和改进，发明出融合NaI（Tl）闪烁体探测器、时间甄别器、时间幅度转换器以及多道分析器的简单方法（1种利用大面积塑料闪烁探测器配上可编程的程序逻辑器件）去测量μ子的寿命。
该方法不仅成本较低，而且还能保证实验结果具有极高的准确性。
研究人员在实验室测量的μ子寿命也是以闪烁体探测为基础而开展的，所用到的实验设备是宇宙线测量装置CRP3。
１ μ子的寿命及实验室探测原理１．１ μ子寿命μ子是1种在粒子碰撞中产生的亚原子粒子。
更恰当的说法是它的电荷等于电子的电荷，其质量是电子的200多倍。
因此，它通常被认为是1个重电子。
然而，与电子不同，μ子寿命很短，会很快衰变为其他粒子，通常是1个电子和一些中微子。
实验表明，它们的平均寿命（或者说半衰期）是2.2 μm 。
也就是说，如果研究人员从1 000个μ子开始，在2 μm 之后，预计会剩下大约500个 μ子。
再过2 μm ，将剩下250个μ子等。
μ介子是1个不稳定的基本粒子，即μ子会被分解为其他粒子。
在罗西（Rossi）进行关于μ子衰变的开创性实验时，已知的其他基本“粒子”是光子、电子及其反粒子（正电子）、质子、中子和中微子。
从那时起，已经发现了数10种粒子和反粒子，其中大多数是不稳定的粒子。
实际上，在所有被观测为孤立实体的粒子中，寿命比μ介子长的只有光子、电子、质子、中子、中微子及其反粒子。
甚至中子在自由时也会遭受β衰变，其半衰期为15 min [1]。
１．２ μ子寿命的探测原理研究人员在该实验中使用的是实验室的宇宙线测量装置CRP3。
当宇宙线粒子在该装置的闪烁体中停止衰变时，CRP3的探测器会将信号传给该实验装置的读出电子学系统。
实验三 宇宙线缪子寿命测量
实验三宇宙线缪子寿命测量一、实验原理由于缪子的衰变时间服从指数分布，所以使用示波器测量缪子触发信号和延迟信号之间的时间差，将测得的时间差做出统计直方图，用最小二乘法做指数拟合，就可以测出缪子的寿命。
在本次实验中，缪子进入闪烁体后产生触发信号，而其衰变产生的电子或正电子将产生延迟信号，这两类信号将通过PMT输入示波器中。
这样，我们便可以测量这触发信号和延迟信号的时间差，进而通过绘制统计直方图并进行指数拟合的方式得到缪子的寿命。
二、实验内容及步骤1. 检查已连接好的设备，利用示波器观察采集5分钟信号，总时间宽度为30s，检查信号情况，查看是否有延迟的衰变电子的信号，事例率是否与预估结果相近。
2. 利用示波器测量缪子触发信号和延迟电子信号之间的时间差，计算平均时间，做寿命测量的粗略估计。
3. 采集50-60分钟数据，利用示波器测量时间，做统计直方图。
4. 利用最小二乘法拟合实验数据。
三、实验结果具体时间间隔记录如下统计结果如下：统计直方图如下：使用MATLAB中的Curve Fitting Tool进行拟合，结果如下：General model:f(x) = a*exp(-b*x)+cCoefficients (with 95% confidence bounds):a = 12.54 (10.09, 15)b = 0.4673 (0.3316, 0.6031)c = 1.126e-08 (fixed at bound)Goodness of fit:SSE: 3.572R-square: 0.9381Adjusted R-square: 0.9278RMSE: 0.7715可得缪子寿命τ=1/b=1/0.4673=2.14μs，与缪子的静止寿命较为接近。
四、实验思考1. 如何初始检查信号的质量？将PMT输出的信号直接输入示波器中进行观察。
2. 如何利用最小二乘法去寻找参数的最优值？可以对计数取对数，然后利用最小二乘法进行直线拟合，就可以比较简单地得到最优的参数。
μ子寿命测量
μ子寿命测量摘要：利用塑料闪烁体探测μ子，测量μ子的衰变时间分布，利用计算机模拟泊松过程来分析造成测量结果本底的原因，对比多种处理μ子寿命的方法，得到在本实验条件下最合理的实验结果。
关键词：宇宙线μ子；寿命测量；本底；泊松分布引言：μ子是大自然最基本的粒子之一，地球上的生物每时每刻都受到μ子的照射。
μ子最早于1937年被J.C.Street 和E.C.Stevenson 发现1)，后来物理学家通过各种不同的方法对其进行了探测，得到其基本寿命为：（2197.03±0.04）ns 。
μ子寿命服从指数分布，当时间逐渐增大，单位时间内衰变的μ子数应该趋于0，但实验测得的结果却是趋于一个常数，本文将利用计算机模拟泊松过程来验证该本底是由两个相继到来的μ子产生的偶然符合事件造成的，并在此基础上采取恰当的方式来计算μ子的平均寿命。
实验原理：一、实验中使用的μ子来源。
地球上的生物每时每刻都受到μ子的照射，μ子产生与大15km 的高空，由原始宇宙射线与大气中的原子核相互作用产生，海平面上μ子的通量近似为2212min cm --,这就是实验中用于探测的μ子源。
二、μ子在塑料闪烁体中发生的过程及探测原理μ子在进入塑料闪烁体后首先主要通过电离能损和库仑散射损失能量，并使闪烁体分子发出荧光，高能μ子能直接从闪烁体中穿出，而能量较低的μ子将静止在闪烁体内，发生衰变：e e v v μμ--→++，衰变产生的电子具有较高的能量会使闪烁体分子激发，在退激发时发出荧光，v e -与v μ则直接穿出。
图1 μ子探测原理图上图为μ子探测原理图，μ 子从高层大气穿透下来，进入塑料闪烁体，产生的光脉冲进入PMT ，倍增过后通过一个线性放大器线性放大，随后经过一个甄别器的筛选，输出到FPGA 进行鉴定，最后在PC 上显示出来。
其中甄别器的工作原理是筛选高于其阈值的信号输出，而FPGA 的功能是记录满足其时间设定的两个脉冲之间的时间间隔,本实验中只有时间差小于20000ns 的信号才会被当做μ子衰变信号，该时间差才会被当做μ子的衰变时间被记录。
实验二 宇宙线粒子计数测量
实验二宇宙线粒子计数测量一、实验原理在本次实验中，两个PMT连接着同一块闪烁体，它们所输出的信号将分别经过两个甄别器的甄别，随后再进入符合电路。
如果宇宙线粒子在闪烁体中沉积能量，那么两个PMT 将会同时输出信号，如果两个信号的幅度均大于甄别器的阈值，那么两个甄别器将会同时输出脉冲信号，这将使得符合电路输出一个脉冲信号。
如果将甄别器输出的信号直接接入计数器，就可以得到闪烁体单端读出计数。
如果将符合电路输出的信号接入计数器，就可以得到闪烁体双端符合计数。
利用闪烁体的单端读出计数和双端符合计数，就可以计算出偶然计数率和宇宙线粒子计数率。
二、实验内容及步骤1. 巩固对基本实验设备（PMT、闪烁体、示波器等）使用的学习，搭建实验设备。
2. 学习使用甄别器。
3. 利用调节甄别器阈值和PMT电压压低afterpulse。
4. 闪烁体单端读出计数。
5. 学习使用逻辑符合模块。
6. 闪烁体双端符合计数。
7. 理解并计算偶然计数率，宇宙线粒子计数率。
三、实验结果与思考1. 如何调整甄别器的阈值？甄别器的阈值可以通过调节相应的旋钮来进行调整。
2. 如何使用示波器进行计数？本实验中使用了计数器而非示波器来进行计数，如果要用示波器进行计数，需要调节示波器，使其显示总计数，再用秒表测量计数时间。
3. 为什么调节甄别器阈值和PMT 电压可以压低afterpulse？afterpulse信号相比于真实信号幅度较小，故如果调高甄别器的阈值，就可以减少过阈的afterpulse信号的数量，而如果调低PMT电压，则会使信号的幅度减小，同样能够减少过阈的afterpulse信号的数量。
4. 比较单端的计数率和双端符合的计数率。
单端计数率分别为n1=754.5min-1，n2=6637.8min-1；双端符合计数率为n c=660.6 min-1；其中n1和n c较为接近，而n2则远大于n1和n c，这是因为n2所对应的PMT的噪声特别大，导致其输出了很多幅度较大的噪声信号，使得n2中混入了很多的噪声计数。
宇宙射线μ子平均寿命测量的探测系统设计
三、设计（论文）的研究重点及难点： 重难点在设计原理上面，技术手段难以攻克。而且要求的仪器在本科阶段没
有过多接触，因而给以后的工作上带来不少麻烦。
四、设计（论文）研究方法及步骤（进度安排）： 1、2016．11.30——2017.1.15 大量收集相关文献资料，完成有关阅读； 2、2017.1.16——2017.2.15 精读几篇重要文献，翻译一篇英文综述性文献； 3、2017.2.16——2017.3.15 所有文献综述和开题报告； 4、2017.3.16——2017.4.30 完成设计初稿的撰写； 5、2017.4.16——2017.5.15 对初稿反复修改，定稿； 6、2017.5.16——2017.5.30 制作 PPT,准备答辩。
分类号 UDC
密级 编号
毕业设计(论文)
题 目 宇宙线谬子平均寿命直接测量
探测系统的设计
学院名称
核科学技术学院
指导教师
谢安平
职称
副教授
班级
核物理 131 班
学号
20134380145
学生姓名
张文峰
2017 年 6 月 6 日
南华大学学位论文原创性声明
本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南华 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。
谢安平 谢安平 肖德涛
2016 年 12 月 30 日
论文 (设计) 内容及要求：
一、 毕业设计（论文）原始依据 对缪子寿命测量具有重要物理意义。利用缪子寿命精确值来确定粒子物理标准
少子寿命测量实验指导书
少子寿命测量一、实验目的1.理解少子寿命测量仪的工作原理及掌握其使用方法；2.掌握少子寿命测量的原理和方法；二、实验原理1.额外载流子密度随时间的衰减规律一束光在一块n 型半导体内均匀产生额外载流子∆n 和∆p 。
在t ＝0时刻，光照突然停止。
考虑∆p （额外少数载流子）随时间衰减的过程,假设复合几率P 为一常数（小注入条件下满足）。
分析：1）单位时间内额外载流子密度的减少应等于复合率,即:()()d p t P p t dt∆=-∆... (1-1) 2）设复合几率P 是与∆p (t)无关的恒量，则此方程的通解为:12()Pt p t C e C -∆=+… (1-2)3）按初始条件∆p(0)＝∆p ，于是得衰减式:()Pt p t pe -∆=∆… (1-3)4)计算全部额外载流子的平均生存时间(P107)，即寿命:0()1()td p t t Pd p t τ∞∞∆===∆⎰⎰… (1-4) 2. 分析额外载流子密度随时间的衰减规律1）绘出∆p （t ）曲线，如下：2）分析可得：∆p(t+τ) = ∆p(t)/e ，这表明了：寿命τ即为额外载流子浓度减小到原值的1/e 所经历的时间。
3. 用光电导衰退法（PCD 法）测量寿命的原理（原理图见课本图3-3）这种衰减可通过硅单晶光电导电压的变化（示波器上）反应出来，我们给硅单晶施加一个脉冲光照，产生△V （光电导电压），当光很快熄灭后，光电导电压△V 会以指数方式衰减，即：△V=△Vo F teτ-…(1-5) 我们定义光电导衰退时间常数F τ为实验观察到的表观寿命。
三、实验方法 1.分别接好示波器及少子寿命测试仪的电源线，联接寿命仪至示波器第2通道间的信号线。
在寿命仪高频电极上各点上一小滴自来水，将测试样块放在两个电极上。
2.打开示波器电源开关，稍后示波屏上会出现一条亮线，示波器面板上的开关、旋钮较多，首先要学会设置示波器、同步调节、扫描速度、Y 轴增盖等开关。
宇宙之宇宙线
宇宙之宇宙线(科普2013-06-06 12:12:17)宇宙线（cosmic ray）来自宇宙空间的各种高能微观粒子──主要是质子（氢原子核）,其次是α粒子（氦原子核），还有少量其他各种原子核,以及电子、中微子和高能光子（X射线和γ射线）──构成的射流。
宇宙线中存在能量极高的粒子，已观测到的最高能量达10的20次方电子伏以上。
20世纪初，在研究空气的导电性时，觉察到有某种未知的射线不断地引起空气电离。
1911～1912年，奥地利物理学家黑斯用气球载电离室上升至离地面五公里高度，发现气体的导电性随气球升高而显著增加，证明这种射线不是从地面发出的，而是由地球外的空间射来的，故名宇宙线。
在发现宇宙线的初期，以为初级宇宙线是高能γ射线。
30年代发现，在地磁纬度高的地方，宇宙线较强。
这种纬度效应表明，初级宇宙线中存在荷电离子，这种能量低的宇宙线荷电粒子因受地磁场作用而偏转，所以不能到达地球。
此外还观测到来自西面的宇宙线比来自东面的多，宇宙线强度的东西效应表明，初级宇宙线大部分是带正电的粒子。
宇宙线粒子进入地球大气后，同大气中的原子发生作用，逐渐损失能量。
一般把同大气作用前的宇宙线粒子称为初级宇宙线，把作用后的粒子以及作用中产生的各种粒子称为次级宇宙线。
在地面探测到的，除中微子外,几乎都是次级宇宙线。
按照穿透物质能力的大小,次级宇宙线大致可以分为硬成分和软成分。
硬成分包括穿透能力很强的μ介子，还有质子、中子和π介子等强作用粒子。
软成分包括电子、正电子和光子，它们能够被数厘米厚的铅全部吸收。
初级宇宙线主要由各种原子核以及电子、中微子、X射线和γ射线光子构成。
原子核大部分(约87％)是氢原子核──质子，约12％是氦原子核──α粒子，少量锂、铍、硼和碳、氮、氧的原子核，还有极少量的重元素原子核。
1961年直接观测到初级宇宙线中的电子。
电子的流强约为质子流强的 1％。
能量高于10的9次方电子伏的初级电子成分中，正电子仅占10％左右。
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第30卷第1期核电子学与探测技术V ol.30 N o.12010年 1月Nuclear Electr onics &Detection T echnolo gyJan. 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(201001 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 6s 。
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 9s 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96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+ TTiD i (tdt=#T i+ TTie-(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 = Mi=1K i (1-e- T /=K (1-e- T /K = Mi=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。
97图2电路原理图图3 实验设计的F PGA 逻辑图通过Quar tusII6.0模拟软件(Altera 公司对上述的电路逻辑进行了编译和模拟,可进一步检验逻辑时序是否正确,结果如下:(1规定时间内有两个信号的情况(见图4。
这种情况可以输出有效的时间计数。
图中muon 为输入信号,clk 为时钟,d 为输出的数据,tx e 为USB FIFO 芯片的接收信号,w r 为输出使能,rd 为输入使能,逻辑上无影响;(2规定时间内只有一个信号的情况(见图5。
这种情况下会自动舍弃,并不会对后面的信号处理逻辑造成影响(这里为了模拟方便,将规定的溢出时间调整到640ns;图4 可编程逻辑器件逻辑模拟图(1(3USB FIFO 如遇有电脑通讯数据溢出的模拟结果(见图6。
可见锁存器能够进行数98图5 可编程逻辑器件逻辑模拟图(2据锁存功能,会等到通讯信号有效后再将数据输出,等到输出后再次清理。
图6 可编程逻辑器件逻辑模拟图(33 实验结果实验中的闪烁体为一个长30cm,宽15cm,高15cm 的一个长方体。
闪烁体产生的荧光经光电倍增管转换成电信号,经过信号处理电路和可编程逻辑电路处理,最后由USB 接口将测量结果送到计算机。
图7 实验测量结果在实验数据获取过程中,可能存在着两种伪事例:(1噪声信号导致的伪事例,可以通过幅度甄别除去;(2在一次取样时间间隔内(实验设置为10微秒内,如果再次有另外的信号输入到可编程逻辑器件的话,将导致伪事例。
我们利用GEANT 4软件对本实验进行模拟的结果表明[6],10微秒内连续两个无时间关联的事件发生概率与子在闪烁体中衰变概率之比仅为3%,在本实验设计的允许误差范围之内。
图8 可编程逻辑电路和数据获取仪器的照片实验测量得到子计数随衰变时间的变化关系如图7所示。
拟合得到子的平均寿命为2.19%0.07 s,测量精度小于3%,达到实验要求。
研制的数据获取电子学仪器见图8。
本实验装置现已用于中国科技大学物理实验。
特别感谢美国Southern M ethodist 大学叶静波博士提供的有关资料和器材。
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