实验一报告_利用闪烁体观察高能宇宙线粒子信号

实验一利用闪烁体观察高能宇宙线粒子信号

一、实验原理

高能宇宙线粒子（主要为缪子）在通过闪烁体时，将会在闪烁体内沉积能量，这会使得闪烁体物质中的价电子跃迁到更高的能级，随后再跃迁回原来的能级，并且放出光子。这些被放出的光子通过光导打到了光电倍增管的光阴极上，并按一定概率通过光电效应打出光电子。光电子会飞向光电倍增管的第一打拿极并被收集，随后发射出更多的电子，这些电子又将被下一个打拿极收集，并在之后发射出更多的电子。这个过程不断重复，于是电子就在光电倍增管的打拿极系统中逐级传输并且不断倍增。当倍增后的电子在最后一个打拿极和阳极间运动时，相应的输出回路上会生成电信号，这些电信号将被电子仪器（如示波器）记录和分析，从而得到探测结果。

二、实验内容及步骤

1. 认识实验设备，包括光电倍增管（PMT），闪烁体，光导，高压和示波器；

2. 搭建高能宇宙线粒子探测装置，为PMT加高压；

3. 学习示波器的使用，观察PMT脉冲波形；

4. 学习PMT对高压的响应。；

5. 热噪声和余波（afterpulse）等的识别及特性观察实验结果与思考。

三、实验结果与思考

1、波形观察与分析

经过调节，在示波器上得到分别由两个闪烁体探测器所产生的如下两个波形：

可见1通道波形的特征前沿时间为4.130ns，后延时间为23.72ns，宽度为10.17ns，基线幅度约为20mV；2通道波形的特征前沿时间为4.071ns，后延时间为24.16ns，宽度为8.865ns，基线幅度为-20mV。

2、最小信号脉冲幅度

由于噪声的存在，在示波器上能看到的最小信号脉冲幅度大概为20mV，更小的信号将会被淹没在噪声中，无法被识别。

3、单光电子对应的信号幅度

根据估算，单光电子对应的信号幅度大概为：

R*Q/τ=R*e*M/τ=50*1.6*10-19*1*107/(7.2*10-9)=0.011V=11mV

4、噪声信号判断

当其中一个通道中有信号，另一个通道中无信号时，则该信号很可能不是由宇宙线粒子所产生的，可以认为其为噪声信号。

5、余波观察

在本次实验中，余波的出现几率大概为50%，形状与主波相似，一般出现在主波的后延部分，有时候仅能观察到一个余波，有时候可以观察到幅度依次递减的多个余波。

四、思考题

1. 宇宙线中的缪子是如何产生的？

由来自宇宙中高能粒子（如质子）在穿过大气层时与大气中的微观粒子发生碰撞而产生。

2. 为什么在海平面上接收到的缪子要比电子多得多？

因为缪子的穿透能力比电子强，故有更多的缪子到达海平面。

3. 宇宙线中带电粒子的正负电荷比会一样吗？为什么？

不一样，因为原生的宇宙线中各带电粒子的比例相差较大，且正物质粒子的数量远大于反物质粒子的数量。

4. 为什么高空产生的缪子可以到达地面而不衰变？

因为相对论效应使其在地面坐标系上的寿命要比其静止寿命大很多。

5. 为什么缪子流强会与天顶角有关？

因为不同天顶角的缪子所在大气中穿过的距离不同，所以最终到达海平面的数量有所不同。

6. 宇宙线缪子沿地心穿过地球所需的最小能量是多少？

大约是1.39TeV。

7. 能否估计地球每天从宇宙线中吸收的能量的大小？

大概为1eV/cm*(6371km)2*3.14*24*60*60=1.1*1021eV。

8. 高能缪子穿过5厘米厚的闪烁体时会沉积多少能量

大概为2MeV/cm*5cm=10MeV。