muon壽命測(cè)量實(shí)驗(yàn)

1、宇宙線子平均壽命的測(cè)量實(shí)驗(yàn)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(shí)每刻都受到子照射，并對(duì)人類(lèi)進(jìn)化過(guò)程產(chǎn)生影響。1937年由美國(guó)科學(xué)家J.C.Street和E.C.Stevenson在宇宙線實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到了子，并明確的指出了它的存在。子帶有一個(gè)單位的基本電荷，其質(zhì)量為105.658MeV/c2，平均壽命約2.197s。對(duì)它的壽命測(cè)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(cè)定結(jié)果，也是對(duì)愛(ài)因斯坦相對(duì)論中時(shí)間膨脹效應(yīng)的有力證據(jù)。本實(shí)驗(yàn)利用一個(gè)大面積粒子探測(cè)器（面積約450平方厘米），來(lái)探測(cè)宇宙線子，通過(guò)專(zhuān)門(mén)研制的可編程邏輯電路實(shí)現(xiàn)對(duì)子的平均壽命測(cè)量。實(shí)驗(yàn)的目的是：1

2、. 加深相對(duì)論效應(yīng)及宇宙線子性質(zhì)的認(rèn)識(shí)；2. 掌握宇宙線子平均壽命的測(cè)量原理;3. 學(xué)習(xí)短時(shí)間間隔的一種現(xiàn)代測(cè)量方法。實(shí)驗(yàn)原理地面上為何能探測(cè)到來(lái)自宇宙的子。宇宙射線在大氣中發(fā)生簇射過(guò)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(qiáng)相互作用，只通過(guò)與物質(zhì)的電磁相互作用和弱相互作用的衰變，具有較強(qiáng)的穿透力。它通過(guò)衰變成電子（e）和中微子（）方式衰變：實(shí)驗(yàn)證明到達(dá)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(cè)，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(dá)地面似乎是不可能的。大量的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明地面上觀測(cè)者可

3、以測(cè)量到子。在海平面上每平方厘米每分鐘大約有1個(gè)子，平均能量在幾個(gè)GeV數(shù)量級(jí)。這是由于子高速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了相對(duì)論時(shí)間膨脹效應(yīng)，地面參考系測(cè)量的子“運(yùn)動(dòng)壽命”，比其“靜止壽命”要長(zhǎng),也可以認(rèn)為在運(yùn)動(dòng)參考系觀測(cè)，子到達(dá)地面飛行距離變短。如何探測(cè)子衰變平均壽命。實(shí)驗(yàn)由塑料閃爍體配合光電倍增管構(gòu)成子探測(cè)器。相比其它測(cè)量帶電粒子的探測(cè)器（如電離室、半導(dǎo)體探測(cè)器等），塑料閃爍探測(cè)器易制成較大的尺寸，具有探測(cè)效率高和時(shí)間響應(yīng)快特性，是現(xiàn)代核與粒子物理實(shí)驗(yàn)常用的探測(cè)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(kù)侖散射。高能量子可直接從閃爍體中穿出，并在徑跡周?chē)a(chǎn)生電子以及熒光光子等次級(jí)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(jì)算機(jī)模擬上述兩個(gè)過(guò)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(shí)間內(nèi)（為ns量級(jí)）退激發(fā)并發(fā)射出熒光。熒光經(jīng)過(guò)光電倍增管轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。停止在閃爍體中的子信號(hào)就是粒子的“到達(dá)”探測(cè)器的信號(hào)，而子衰變產(chǎn)生的電子信號(hào)，稱(chēng)為“衰變”信號(hào)。由于微觀粒子（包括子）的衰變具有一定的統(tǒng)計(jì)性，因此實(shí)驗(yàn)上對(duì)子的壽命測(cè)量，實(shí)際是通過(guò)測(cè)量到達(dá)-衰變信號(hào)的時(shí)間差的分布，進(jìn)而計(jì)算得到子平均壽命。設(shè)子的平均壽命為，子產(chǎn)生時(shí)

5、刻（t=0時(shí)刻）數(shù)目為，t時(shí)刻數(shù)目為N，則服從指數(shù)衰變規(guī)律為：，單個(gè)子在時(shí)間間隔dt內(nèi)衰變概率為：。在本實(shí)驗(yàn)中，來(lái)自宇宙線子的通量很低，每次擊中探測(cè)器的事例可以看成單子事例。設(shè)第i個(gè)子的產(chǎn)生時(shí)間為，則相對(duì)一個(gè)公共的時(shí)間零點(diǎn)，衰變概率為：如果第i個(gè)子到達(dá)探測(cè)器的時(shí)刻為，那么時(shí)間間隔內(nèi)，這個(gè)子衰變的概率是：如果實(shí)驗(yàn)共測(cè)量到M個(gè)子,則在時(shí)間差以?xún)?nèi)衰變的總的子數(shù)N為：因此通過(guò)測(cè)量得到的時(shí)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(shí)驗(yàn)裝置 整個(gè)測(cè)量裝置包括：閃爍探測(cè)器，高壓電源，信號(hào)處理和數(shù)據(jù)通訊接口，以及計(jì)算機(jī)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(cè)量裝置工作原

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

7、 子壽命測(cè)量裝置實(shí)驗(yàn)步驟和內(nèi)容1） 將高壓電源線（紅色）與探測(cè)器連接；探測(cè)器信號(hào)線（黑色）與信號(hào)處理儀器測(cè)量面板上的信號(hào)輸入端連接； USB接口線與計(jì)算機(jī)相應(yīng)接口連接。2） 將各部件電源線接好，檢查無(wú)誤后，打開(kāi)高壓電源和信號(hào)處理儀器電源。并將探測(cè)器工作高壓設(shè)置為-600v。記錄下電壓及電流大小。3） 從信號(hào)處理儀器放大器輸出觀測(cè)信號(hào)，記錄放大信號(hào)特征（幅度、上升時(shí)間，信號(hào)寬度、頻率），并粗略估計(jì)放大倍數(shù)和噪聲信號(hào)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(hào)中包含的噪聲信號(hào)。5）打開(kāi)計(jì)算機(jī)，執(zhí)行數(shù)據(jù)獲取軟件：muon.tcl（見(jiàn)附錄1），獲取子的衰變信號(hào)，要求累積數(shù)

8、據(jù)足夠長(zhǎng)（ >10小時(shí) ），存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件.6）利用origin軟件（見(jiàn)附錄2）處理數(shù)據(jù)，計(jì)算子的平均壽命。7）打印出實(shí)驗(yàn)曲線和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，回答思考題，給出實(shí)驗(yàn)條件，寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。附錄1：數(shù)據(jù)獲取軟件muon.tcl軟件使用介紹 1.打開(kāi)muon.tcl,彈出如下對(duì)話框:2單擊“設(shè)置”按鈕，彈出下圖對(duì)話框，按提示選擇通信端口、量程、采樣計(jì)數(shù)區(qū)間數(shù)及測(cè)量時(shí)間，并保存退出。3點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕開(kāi)始收集數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)中可以點(diǎn)擊同一按鈕實(shí)現(xiàn)“暫?！焙汀盎謴?fù)計(jì)數(shù)”功能，并通過(guò)“監(jiān)測(cè)器”、“計(jì)數(shù)率表”、“穿過(guò)探測(cè)器子計(jì)數(shù)”、“子衰變時(shí)間柱形圖”實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。4結(jié)束實(shí)驗(yàn)點(diǎn)擊停止并保存退出程序5程序會(huì)在計(jì)算機(jī)上同一目錄下建立以測(cè)量開(kāi)始時(shí)間命名的“*.data”ASCII數(shù)據(jù)文件，可以用文本編輯器打開(kāi)，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(shuō)明1. 打開(kāi)origin，導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件2. 對(duì)左邊那列進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)，范圍0-20000，間隔1000，分20個(gè)區(qū)間，作散點(diǎn)圖3. 對(duì)散點(diǎn)圖進(jìn)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(cè)，運(yùn)動(dòng)的子到達(dá)地面的平均壽命是多少？（假設(shè)子的速率為0.998c）。2. 該實(shí)驗(yàn)是如何保證測(cè)量的兩個(gè)信號(hào)恰是同一子的到達(dá)與衰變信號(hào)？3. 解釋