清华大学工程物理系：《高能宇宙线粒子探测实验》课程教学资源_实验四 宇宙线缪子飞行时间测量

清苇大学工程物理系 Department of Engineering Physics,Tsinghua Universlty 实验四.宇宙线缪子飞行时间测量 前言 本实验的目的是： 1.掌握一种测量近光速微观粒子速度的方法。 2.理解系统的固有延迟时间。 一.实验原理 到达我们实验室的宇宙线缪子打到闪烁体上，大部分能量较高，把两块闪烁体垂直放置，如果方向合适的话，缪子 会穿过第一层闪烁体，到达第二层。产生的两个触发信号之间就会有一定的时间差。 我们分别测量分隔一段距离的两层闪烁体的信号时间差，以及紧贴在一起的两层闪烁体的信号时间差。分别做出这 两种情况下的信号时间差的直方图。计算他们的差异和飞行距离就可以计算出速度。 二.实验主要内容 A △t1 At2 图1：两种情况下搭建实验设备 1.按图1所示的A图搭建设备，两块闪烁体上下分开一米左右，测量A情况时间差分布。 2.按图1所示的B图搭建设备，两块闪烁体紧贴在一起，测量B情况时间差分布，估计两组探测器的固有时间差 和时间分辩。 3.测量闪烁体的三维尺寸，及A图中两块闪烁体的间距。 三.需要观察或测量的问题 1.测量缪子的飞行时间，测量缪子的平均飞行速度。 2.考虑为什么该实验可以用来测量近光速粒子的飞行时间？测量的精度如何？测量设备的关键性质在哪里？ 四.实验步骤 我们先按A情况把两块闪烁体分开放置，图2是A情况实验装置连接图，实验中可以把一块闪烁体放桌上，一块闪烁 体放在地上，放在地上的闪烁体位于桌上闪烁体的下方。观察两块闪烁体单端的过阈信号，并且观察这两个信号的 符合信号，测量两路信号的时间差

实验四. 宇宙线缪子飞行时间测量 前言 本实验的目的是： 1. 掌握一种测量近光速微观粒子速度的方法。 2. 理解系统的固有延迟时间。 一. 实验原理 到达我们实验室的宇宙线缪子打到闪烁体上，大部分能量较高，把两块闪烁体垂直放置，如果方向合适的话，缪子 会穿过第一层闪烁体，到达第二层。产生的两个触发信号之间就会有一定的时间差。 我们分别测量分隔一段距离的两层闪烁体的信号时间差，以及紧贴在一起的两层闪烁体的信号时间差。分别做出这 两种情况下的信号时间差的直方图。计算他们的差异和飞行距离就可以计算出速度。 二. 实验主要内容 图1：两种情况下搭建实验设备 1. 按图1所示的A图搭建设备，两块闪烁体上下分开一米左右，测量A情况时间差分布。 2. 按图1所示的B图搭建设备，两块闪烁体紧贴在一起，测量B情况时间差分布，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. 需要观察或测量的问题 1. 测量缪子的飞行时间，测量缪子的平均飞行速度。 2. 考虑为什么该实验可以用来测量近光速粒子的飞行时间？测量的精度如何？测量设备的关键性质在哪里？ 四. 实验步骤 我们先按A情况把两块闪烁体分开放置，图2是A情况实验装置连接图，实验中可以把一块闪烁体放桌上，一块闪烁 体放在地上，放在地上的闪烁体位于桌上闪烁体的下方。观察两块闪烁体单端的过阈信号，并且观察这两个信号的 符合信号，测量两路信号的时间差

闪烁体探测器 甄别器 B 高压电源 隔开一定长度 符合 示波器 闪烁体探测器 甄别 图2：实验装置连接图 然后再按B情况把这两块闪烁体叠放在一起，图3是B情况实验装置连接图。同样观察这种情况下单端的过阈信号和 符合信号，测量两路信号的时间差。 叠放 A 闪烁体探测器 高压电源 甄别器 符合 示波器 闪烁体探测器 甄 器 图3：实验装置连接图 观察两种情况下的时间差的直方图，思考其峰值和宽度的含义。 五.时间差测量 可以利用光标测量两路的时间差，也可以添加时间差的测量项。添加时间差测量项的步骤如图4所示，先按下示波 器的measure按钮，添加测量量一延迟。 M10.0s缩放系数：250 噪声滤波 测里 下降时间 延迟 源 相位 正脉中宽度 1●5.00V 285.00V 240.0ns 厂负脉冲宽度 配 500 D+2/1 指示器 选通 颗 执行加 屏幕 图4：添加测量量—延迟 然后如图5所示配置延迟为两端信号首次下降边沿的时间差，最后按下执行测量量

图2：实验装置连接图 然后再按B情况把这两块闪烁体叠放在一起，图3是B情况实验装置连接图。同样观察这种情况下单端的过阈信号和 符合信号，测量两路信号的时间差。 图3：实验装置连接图 观察两种情况下的时间差的直方图，思考其峰值和宽度的含义。 五. 时间差测量 可以利用光标测量两路的时间差，也可以添加时间差的测量项。添加时间差测量项的步骤如图4所示，先按下示波 器的measure按钮，添加测量量——延迟。 图4：添加测量量——延迟 然后如图5所示配置延迟为两端信号首次下降边沿的时间差，最后按下执行测量量

ek停正 M10.05缩放系数：2508 噪声波波 西配 迟 则里间 从：第一下降边沿位王事 信号源边泪 到首次下降边沿（位于2 用元 四迟边沿 按K建测厘以创健此延迟侧厘， 讯边沿 按Menuf取消更改并返回上级菜单， 出现】 首次末次 1● 5.00V 2a5,00V Z40.0ns 320000nsE飞-200mW <10执行添加 500 1●+2//5,429s？1●+2\5.014hs？ 图5：配置延迟为两端信号首次下降边沿的时间差 我们可以在示波器上观察到两块闪烁体单端信号和符合信号，如图6所示，并且此时示波器上显示了两个信号下降 沿的时间差为5.014ns。 M10.0u5缩放系数：250} 噪声波器送闭 1●5,00V 25.00V 240.0ns3.20000ns3-200mW <10Hz 5 00w 1●+2//5423ns？+21L15014s?1349:04 图6：单次缪子飞行的时间差 六.实验关键点 缪子飞行速度接近光速，穿过1米距离的飞行时间约3s,要精确测量这一时间是实验的关键。如下面的公式所 示，每一路的时间测量有很多的延迟和误差，有闪烁体的本征发光时间和光在闪烁体内的传播时间，不确定度在 ns量级，PMT自身的时间测量的延迟和延迟，不确定度也在s量级，还有信号在信号线上的传播时间，示波器的时 间测量延迟。而且每一路因采用了不同的PMT和线缆，得到的时间延迟是不一样的，需要一个刻度测量。 总的延时=闪烁体发光延时(ns量级) +PMT有着自身的时间测量精度TTS(ns量级) +在信号线上传播所导致的延时(ns量级) +示波器测量精度(ps量级) 1.要有贴在一起的测量，这种情况下粒子的飞行时间近似为0，这种情况下测量得到的时间差为两路之间的固有 时间差，可以刻度出两路之间的信号传播的时间差。 2.由上面公式知，有些时延非常大，而且带来的时间晃动也大，可以达到纳秒量级，完全大于待测的时间差3 s。在高统计量下，利用平均值的误差为o/√m的知识，可以显著消除闪烁体发光延时和PMT测量精度的影 响 3.保证两种情况下信号线长度相同来消除信号线长度的影响。 七.计算缪子飞行速度 可以先考虑最简单的近似情况，可以认为两组不同设置下测量得到的时间分布的峰值的差值为飞行时间，两组闪烁 体之间的距离为飞行距离，这样可以得到一个缪子速度测量。 h u=dt 如果需要完整考虑，则要考虑图7的复杂情况。海平面上的缪子存在一个角分布，直射缪子的通量要大于斜射缪子 的通量。左边是隔开一定长度的情况，右边是放在一起的情况

图5：配置延迟为两端信号首次下降边沿的时间差 我们可以在示波器上观察到两块闪烁体单端信号和符合信号，如图6所示，并且此时示波器上显示了两个信号下降 沿的时间差为5.014ns。 图6：单次缪子飞行的时间差 六. 实验关键点 缪子飞行速度接近光速，穿过1米距离的飞行时间约3 ns，要精确测量这一时间是实验的关键。如下面的公式所 示， 每一路的时间测量有很多的延迟和误差，有闪烁体的本征发光时间和光在闪烁体内的传播时间，不确定度在 ns量级，PMT自身的时间测量的延迟和延迟，不确定度也在ns量级，还有信号在信号线上的传播时间，示波器的时 间测量延迟。而且每一路因采用了不同的PMT和线缆，得到的时间延迟是不一样的，需要一个刻度测量。 1. 要有贴在一起的测量，这种情况下粒子的飞行时间近似为0，这种情况下测量得到的时间差为两路之间的固有 时间差，可以刻度出两路之间的信号传播的时间差。 2. 由上面公式知，有些时延非常大，而且带来的时间晃动也大，可以达到纳秒量级，完全大于待测的时间差3 ns。在高统计量下，利用平均值的误差为 的知识，可以显著消除闪烁体发光延时和PMT测量精度的影 响。 3. 保证两种情况下信号线长度相同来消除信号线长度的影响。 七. 计算缪子飞行速度 可以先考虑最简单的近似情况，可以认为两组不同设置下测量得到的时间分布的峰值的差值为飞行时间，两组闪烁 体之间的距离为飞行距离，这样可以得到一个缪子速度测量。 如果需要完整考虑，则要考虑图7的复杂情况。海平面上的缪子存在一个角分布，直射缪子的通量要大于斜射缪子 的通量。左边是隔开一定长度的情况，右边是叠放在一起的情况。 σ/ n−√ vμ = h dt

0:入射缪子与垂线夹角 h:两块闪烁体隔开的垂直距离 d:闪烁体厚度 0 h d 隔开一定长度 叠放 图7：两种情况下缪子可能的路径 在这种复杂情形下，我们需要建模，引入缪子的角分布，系统的模拟两种情况下的时间分布，拟合两种情况下的时 间差的数据分布，最终才能导出缪子在空气中的飞行速度

图7：两种情况下缪子可能的路径 在这种复杂情形下，我们需要建模，引入缪子的角分布，系统的模拟两种情况下的时间分布，拟合两种情况下的时 间差的数据分布，最终才能导出缪子在空气中的飞行速度