muon壽命測量實驗

1、宇宙線子平均壽命的測量實驗意義和目的 子是自然界中存在的基本粒子之一。地球上的生物每時每刻都受到子照射，并對人類進化過程產(chǎn)生影響。1937年由美國科學(xué)家J.C.Street和E.C.Stevenson在宇宙線實驗中觀測到了子，并明確的指出了它的存在。子帶有一個單位的基本電荷，其質(zhì)量為105.658MeV/c2，平均壽命約2.197s。對它的壽命測量和物理特性的研究具有重要的科學(xué)意義。海平面上子的通量的測定結(jié)果，也是對愛因斯坦相對論中時間膨脹效應(yīng)的有力證據(jù)。本實驗利用一個大面積粒子探測器（面積約450平方厘米），來探測宇宙線子，通過專門研制的可編程邏輯電路實現(xiàn)對子的平均壽命測量。實驗的目的是：1

2、. 加深相對論效應(yīng)及宇宙線子性質(zhì)的認(rèn)識；2. 掌握宇宙線子平均壽命的測量原理;3. 學(xué)習(xí)短時間間隔的一種現(xiàn)代測量方法。實驗原理地面上為何能探測到來自宇宙的子。宇宙射線在大氣中發(fā)生簇射過程產(chǎn)生大量的介子。子主要是介子衰變產(chǎn)生，大多數(shù)子產(chǎn)生在大氣上層。由于子不參與強相互作用，只通過與物質(zhì)的電磁相互作用和弱相互作用的衰變，具有較強的穿透力。它通過衰變成電子（e）和中微子（）方式衰變：實驗證明到達地面的子大多數(shù)產(chǎn)生在15km的高空，產(chǎn)生子速率接近光速。在子靜止的參考系觀測，子產(chǎn)生到衰變的平均壽命約2.197s，則子飛行的平均距離約為六百多米，想要到達地面似乎是不可能的。大量的實驗證據(jù)表明地面上觀測者可

3、以測量到子。在海平面上每平方厘米每分鐘大約有1個子，平均能量在幾個GeV數(shù)量級。這是由于子高速運動時產(chǎn)生了相對論時間膨脹效應(yīng)，地面參考系測量的子“運動壽命”，比其“靜止壽命”要長,也可以認(rèn)為在運動參考系觀測，子到達地面飛行距離變短。如何探測子衰變平均壽命。實驗由塑料閃爍體配合光電倍增管構(gòu)成子探測器。相比其它測量帶電粒子的探測器（如電離室、半導(dǎo)體探測器等），塑料閃爍探測器易制成較大的尺寸，具有探測效率高和時間響應(yīng)快特性，是現(xiàn)代核與粒子物理實驗常用的探測器之一。子在塑料閃爍體中，主要的能量損失方式是電離能損并伴隨一些庫侖散射。高能量子可直接從閃爍體中穿出，并在徑跡周圍產(chǎn)生電子以及熒光光子等次級粒子

4、；一些較低能量子在閃爍體中停止并衰變，衰變產(chǎn)生的電子則繼續(xù)與閃爍體中發(fā)生作用損失能量并使閃爍體分子激發(fā)，而中微子直接穿出。圖1利用計算機模擬上述兩個過程產(chǎn)生的物理圖像。 圖1高能子入射(直接穿出)和低能子入射(停止并衰變)圖像（模擬結(jié)果）閃爍體中被激發(fā)的分子在極短的時間內(nèi)（為ns量級）退激發(fā)并發(fā)射出熒光。熒光經(jīng)過光電倍增管轉(zhuǎn)換成電信號。停止在閃爍體中的子信號就是粒子的“到達”探測器的信號，而子衰變產(chǎn)生的電子信號，稱為“衰變”信號。由于微觀粒子（包括子）的衰變具有一定的統(tǒng)計性，因此實驗上對子的壽命測量，實際是通過測量到達-衰變信號的時間差的分布，進而計算得到子平均壽命。設(shè)子的平均壽命為，子產(chǎn)生時

5、刻（t=0時刻）數(shù)目為，t時刻數(shù)目為N，則服從指數(shù)衰變規(guī)律為：，單個子在時間間隔dt內(nèi)衰變概率為：。在本實驗中，來自宇宙線子的通量很低，每次擊中探測器的事例可以看成單子事例。設(shè)第i個子的產(chǎn)生時間為，則相對一個公共的時間零點，衰變概率為：如果第i個子到達探測器的時刻為，那么時間間隔內(nèi)，這個子衰變的概率是：如果實驗共測量到M個子,則在時間差以內(nèi)衰變的總的子數(shù)N為：因此通過測量得到的時間差分布曲線，利用指數(shù)函數(shù)擬合方法，可以求得子衰變的平均壽命。實驗裝置 整個測量裝置包括：閃爍探測器，高壓電源，信號處理和數(shù)據(jù)通訊接口，以及計算機和分析軟件四部分儀器。其工作原理如圖2所示。 圖2 子壽命測量裝置工作原

6、理圖當(dāng)子在塑料閃爍體探測器中產(chǎn)生的信號、經(jīng)過放大器和甄別器成形為邏輯信號，然后經(jīng)過可編程邏輯電路（FPGA）對觸發(fā)信號進行邏輯判選。FPGA主要功能是：將接受到的第一個脈沖作為開始時間，對時鐘脈沖進行記數(shù)，在一定時間間隔內(nèi)（例如：10微秒）如果沒有接受到第二個脈沖則電路清零重置；如果在該時間間隔內(nèi)接受到第二個脈沖，則將兩個脈沖的之間的時鐘周期數(shù)輸出，之后清零重置?？梢钥闯鯢PGA功用就是通過觸發(fā)判選電路，找到具有時間關(guān)聯(lián)的子的到達信號與衰變信號，并將這兩個信號的時間差轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)。最后通過USB接口輸入計算機進行數(shù)據(jù)處理。圖3是測量測量裝置的照片。兩套測量裝置可共用同一個閃爍體和高壓電源。圖3

7、 子壽命測量裝置實驗步驟和內(nèi)容1） 將高壓電源線（紅色）與探測器連接；探測器信號線（黑色）與信號處理儀器測量面板上的信號輸入端連接； USB接口線與計算機相應(yīng)接口連接。2） 將各部件電源線接好，檢查無誤后，打開高壓電源和信號處理儀器電源。并將探測器工作高壓設(shè)置為-600v。記錄下電壓及電流大小。3） 從信號處理儀器放大器輸出觀測信號，記錄放大信號特征（幅度、上升時間，信號寬度、頻率），并粗略估計放大倍數(shù)和噪聲信號幅度。4） 調(diào)節(jié)儀器面板上的電阻以選擇合適的閾電壓，用于去除放大器輸出信號中包含的噪聲信號。5）打開計算機，執(zhí)行數(shù)據(jù)獲取軟件：muon.tcl（見附錄1），獲取子的衰變信號，要求累積數(shù)

8、據(jù)足夠長（ >10小時 ），存儲數(shù)據(jù)文件.6）利用origin軟件（見附錄2）處理數(shù)據(jù)，計算子的平均壽命。7）打印出實驗曲線和實驗結(jié)果，回答思考題，給出實驗條件，寫出實驗報告。附錄1：數(shù)據(jù)獲取軟件muon.tcl軟件使用介紹 1.打開muon.tcl,彈出如下對話框:2單擊“設(shè)置”按鈕，彈出下圖對話框，按提示選擇通信端口、量程、采樣計數(shù)區(qū)間數(shù)及測量時間，并保存退出。3點擊“開始”按鈕開始收集數(shù)據(jù)，實驗中可以點擊同一按鈕實現(xiàn)“暫?！焙汀盎謴?fù)計數(shù)”功能，并通過“監(jiān)測器”、“計數(shù)率表”、“穿過探測器子計數(shù)”、“子衰變時間柱形圖”實現(xiàn)實時監(jiān)控。4結(jié)束實驗點擊停止并保存退出程序5程序會在計算機上同一目錄下建立以測量開始時間命名的“*.data”ASCII數(shù)據(jù)文件，可以用文本編輯器打開，并可導(dǎo)入到origin等數(shù)據(jù)處理工具軟件中以供之后的離線處理。附錄2：數(shù)據(jù)處理說明1. 打開origin，導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件2. 對左邊那列進行頻率統(tǒng)計，范圍0-20000，間隔1000，分20個區(qū)間，作散點圖3. 對散點圖進行e指數(shù)函數(shù)擬合，獲得子平均壽命擬合值思考題1. 在地面參考系觀測，運動的子到達地面的平均壽命是多少？（假設(shè)子的速率為0.998c）。2. 該實驗是如何保證測量的兩個信號恰是同一子的到達與衰變信號？3. 解釋