CN110376635B - 测量宇宙射线μ子寿命的实验仪器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量宇宙射线μ子寿命的实验仪器及测量方法。包括测量组件、光导组件、光电信号传输组件和数据传输组件；光导组件为放置于测量组件与光导组件之间的有机玻璃光导，有机玻璃光导连接到塑料晶体未封装的一端和光电倍增管的探测端之间，测量组件、光导组件、光电信号传输组件均置于不透光封闭的铝制外壳中；宇宙射线μ子透过铝制外壳照射到测量组件的塑料晶体上，经塑料晶体发生荧光效应产生光电子，光电子经光导组件光导全反射作用后被光电信号传输组件的光电倍增管探测，传输到计算机分析处理。本发明是一种新仪器，开拓了原有相关实验的范围，也开拓了一种新的方法，将寿命分析扩展为能谱分析，具有研究价值。

Description

测量宇宙射线μ子寿命的实验仪器及测量方法

技术领域

本发明涉及了一种物理实验测量仪器，尤其是涉及了一种宇宙射线μ子实验仪及寿命能量测量方法。

背景技术

μ子产生于宇宙射线中的π介子在穿过大气层时发生衰变，μ子的静止寿命只有2.2微秒，会迅速衰变成一个电子、一个反电子中微子和μ子中微子。μ子作高速运动，由狭义相对论的时间膨胀效应，使得μ子衰变时间延长，从而有机会到达地面。μ子衰变方程为：

高能量的μ子在穿过塑料闪烁体时会激发荧光光子，如果μ子在塑料晶体中发生了衰变，衰变产生的电子也会在塑料闪烁体中激发荧光光子。而光电倍增管将荧光信号转变为电信号，传输到示波器上显示为峰。示波器上显示的单峰，就是一个μ子穿过塑料晶体事件。示波器上显示的双峰，就是一个μ子在塑料晶体中发生衰变的事件。

现阶段高校的宇宙射线寿命的测量大都依靠本校核物理专业开展，实验仪器大都专业而且精密，但是现有的μ子寿命测量实验大都以计数的方式间接的计算μ子寿命，计数的结果很不直观且不具有说服力。本发明能够完整的记录信号波形并再现便于分析，自主设计分析软件分析采集的数据，找到所有记录的μ子，并能对μ子的寿命、能量作进一步分析，除此之外，本方案还能对其他高能粒子进行多道能谱分析。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明采用了FPGA板和AD/DA转换模块组成数据传输组件，能够在屏幕上看见μ子穿过塑料晶体时形成的信号波形图，寻找峰值和分辨μ子是否发生衰变。以及能够对μ子的平均寿命和衰变前后的能量分布进行分析，让质能转换关系更加直观。

本发明的原理如下：

宇宙射线μ子从宇宙中产生，根据相对论效应μ子在接近光速的条件下寿命边长而可以到达地面，塑料晶体的表面出射光来自,闪烁体内部发出的荧光在薄膜表面折射的透射光；侧面出射光主要是荧光在薄膜闪烁体上下表面多次反射传到边缘的出射部分,而普通反射在经过几次之后就可认为全部由表面透射,只有全反射能够保持能量几乎没有损失地来回反射,因此侧面出射光主要来自全反射。为使产生的荧光全部由侧面出射,进入光电倍增管,我们对塑料晶体做表面抛光处理并包裹铝膜。

当μ子进入塑料闪烁体时，μ子与塑料闪烁体物质碰撞而产生了荧光效果，荧光效果的光电子经过铝膜的反射作用后几乎全部进入光导，在光导中发生全反射进入光电倍增管，此时光电倍增管将光信号放大转换成一个电信号。

根据爱因斯坦质能方程：E＝mc²，当μ子和塑料闪烁体碰撞后由于能量的损失，可能发生衰变，这时衰变产生的电子也会和塑料闪烁体发生碰撞，产生的光子由光电倍增管放大转换成第二个电信号，这两个电信号发生之间的时间就是μ子衰变的时间。

根据AD/DA模块采集到的数据进一步对μ子的能量进行分析，分析前只需做简单的定标即可。

本发明采用的技术方案：

一、一种测量宇宙射线μ子寿命的实验仪器：

实验仪器包括测量组件、光导组件、光电信号传输组件和数据传输组件；测量组件为一块长方体的塑料晶体，光电信号传输组件为光电倍增管，光导组件为放置于测量组件与光导组件之间的有机玻璃光导，有机玻璃光导连接到塑料晶体未封装的一端和光电倍增管的探测端之间，测量组件、光导组件、光电信号传输组件均置于不透光封闭的铝制外壳中；数据传输组件包括AD/DA转换模块、USB高速传输模块、FPGA板与计算机组成，光电倍增管的电信号输出端依次经AD/DA转换模块、FPGA板、USB高速传输模块与计算机连接。

所述的长方体塑料晶体尺寸为40×20×5cm²，塑料晶体外侧严密包裹有铝膜。

所的长方体塑料晶体为闪烁体C₆H₆。

所述的有机玻璃光导折射率应该处于测量组件的塑料晶体的折射率和光电信号传输组件的光电倍增管外壳折射率之间，能使入射光线发生全反射的有机玻璃体。

工作时，光电倍增管的探测输入端固定在塑料晶体的一端，连接处用硅油密封，以做到不透光。

二、一种测量宇宙射线μ子寿命的方法：

采用上述实验仪器，宇宙射线μ子透过铝制外壳照射到测量组件的塑料晶体上，经塑料晶体发生荧光效应产生光电子，光电子经光导组件的有机玻璃光导全反射作用后被光电信号传输组件的光电倍增管探测到，再由数据传输组件将光电信号传输组件的光电倍增管探测到的电信号发送传输到计算机上保存、分析处理，获得宇宙射线μ子寿命的测试结果。

计算机上针对光电倍增管探测到的电信号分析处理具体为：

FPGA将按照时基顺序将数据传输到计算机中，计算机通过软件保存绘制电信号的波形作为电信号数据，按照以下方式对电信号进行分析处理：

S1、以差分步长s对完整的电信号进行划分，针对每一个电信号段，对于电信号段上每三个相邻的信号点(x_k,y_k)、(x_k+1,y_k+1)和(x_k+2,y_k+2)均采用以下方式处理获得二阶差分，差分结果记为Δ(Y)：具体是首先计算(x_k,y_k)和(x_k+1,y_k+1)的一阶差分Δ(y_k)＝y_k+1-y_k，再计算(x_k+1,y_k+1)和(x_k+2,y_k+2)的一阶差分Δ(y_k+1)＝y_k+2-y_k+1，那么Δ(Y)＝Δ(y_k+1)-Δ(y_k)；

S2、对于所有电信号段，寻找到自身绝对值大于峰值阈值的局部最小电信号值，以二阶差分最大的位于中间的信号点的电信号值作为局部最小电信号值；

S3、对于完整的电信号计算得到的所有局部最小电信号值，根据预设已知设置的最小时间差t_min和最大时间差t_max，进行以下判断：

判断两个局部最小电信号值出现时刻的时间之差是否在最小时间差t_min和最大时间差t_max之间，

若两个局部最小电信号值出现时刻的时间之差在最小时间差t_min和最大时间差t_max之间，则将两个局部最小电信号值之间的电信号段视为μ子衰变信号，两个局部最小电信号值之间的时间差作为μ子寿命；

若两个局部最小电信号值出现时刻的时间之差不在最小时间差t_mit和最大时间差t_max之间，则不作处理，不作衰变。

本发明的有益效果：

本发明采用了一种新的数据传输与分析方式，构成的实验仪是一种新型的宇宙射线μ子测量仪器，其设计原理与教科书上的理论完全符合并且开拓了原有相关实验的范围，利用FPGA完全并行执行指令的特性，采集全部μ子的波形数据并进行分析判断，代替传统的打点计数判断μ子，能够做到实验不脱离书本切新颖有拓展性，作为一个教学展示实验也更加直观方便展示更利于学生的理解与思考其中原理。同时本发明还为测量放射性元素的能量分布提供了方法，有助于设计开发辐射分析装置。

附图说明

图1是本发明实验仪器的结构图；

图2是实施例中对单个μ子波形图以及分析结果图；

图3是实施例中对大量μ子寿命统计分析的结果图；

图4是实施例中对大量μ子能谱统计分析的结果图。

图中：测量组件(101)、光导组件(102)、光电信号传输组件(103)和数据传输组件(104)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明具体实施包括测量组件101、光导组件102、光电信号传输组件103和数据传输组件104；测量组件101为一块长方体的塑料晶体，光电信号传输组件103为光电倍增管，光导组件102为放置于测量组件101与光导组件102之间的有机玻璃光导，有机玻璃光导连接到塑料晶体未封装的一端和光电倍增管的探测端之间，测量组件101、光导组件102、光电信号传输组件103均置于封闭不透光的铝制外壳中。

数据传输组件104包括AD/DA转换模块、USB高速传输模块、FPGA板与计算机组成，光电倍增管的电信号输出端依次经AD/DA转换模块、FPGA板、USB高速传输模块与计算机连接，FPGA板与计算机共同起到示波器的作用，计算机同时还起到保存数据和分析数据的作用。具体实施中，AD/DA转换模块连接到光电倍增管的输出端，通过USB高速传输模块将电信号传输到FPGA板上，再由FPGA板传输到计算机上。

如图2所示，本发明的实验测量过程如下：

具体实施中，长方体塑料晶体材质为闪烁体C₆H₆，长方体塑料晶体的尺寸为40×20×5cm²，塑料晶体外侧严密包裹有铝膜。

宇宙射线μ子透过铝制外壳照射到测量组件101的塑料晶体上，经塑料晶体发生荧光效应产生光电子，光电子经光导组件102的有机玻璃光导全反射作用后被光电信号传输组件103的光电倍增管探测到，再由数据传输组件104将光电信号传输组件103的光电倍增管探测到的电信号发送传输到计算机上保存、分析处理，电信号分析处理具体为：

FPGA将按照时基顺序将数据传输到计算机中，计算机通过软件保存绘制电信号的波形作为电信号数据，按照以下方式对电信号进行分析处理：

S1、预先设置设置峰值阈值y_h和差分步长s；

S2、以差分步长s对完整的电信号进行划分，分为多个长度为s的电信号段，针对每一个电信号段，对于电信号段上每三个相邻的信号点(x_k,y_k)、(x_k+1,y_k+1)和(x_k+2,y_k+2)均采用以下方式处理获得二阶差分，差分结果记为Δ(Y)：具体是首先计算(x_k,y_k)和(x_k+1,y_k+1)的一阶差分Δ(y_k)＝y_k+1-y_k，再计算(x_k+1,y_k+1)和(x_k+2,y_k+2)的一阶差分Δ(y_k+1)＝y_k+2-y_k+1，那么Δ(Y)＝Δ(y_k+1)-Δ(y_k)；

S3、对于所有电信号段，寻找到自身绝对值大于峰值阈值的局部最小电信号值，以二阶差分最大的位于中间的信号点的电信号值作为局部最小电信号值；

S4、对于完整的电信号计算得到的所有二阶差分及其局部最小电信号值，根据预设已知设置的最小时间差t_min和最大时间差t_max，进行以下判断：

判断两个局部最小电信号值出现时刻的时间之差是否在最小时间差t_min和最大时间差t_max之间，

若两个局部最小电信号值出现时刻的时间之差在最小时间差t_min和最大时间差t_max之间，则将两个局部最小电信号值之间的电信号段视为μ子衰变，两个局部最小电信号值之间的时间差作为μ子寿命；

若两个局部最小电信号值出现时刻的时间之差不在最小时间差t_min和最大时间差t_max之间，则不作处理，不作衰变。

从而获得宇宙射线μ子寿命的测试结果。

使用例程：

使用BNC电缆连接器，一端连接宇宙射线μ子采集装置的铝制外壳，铝制外壳内部容纳了测量组件101、光导组件102、光电信号传输组件103，另一端连接数据传输组件104。使用USB typeA数据线，一端连接数据传输组件104，另一端连接计算机。

在计算机上采用数据处理测量方法所构建的μ子分析处理软件，模式选择器中选择软件的采集模式与分析模式。在采集模式下，将存储采集到的μ子波形信号文本信息。在分析模式下，软件将对μ子波形信号文本信息进行分析。

选择采集模式，开始采集，软件波形显示面板上将以一秒一次的频率显示采集到的μ子波形图，图像以时间为横坐标，以幅值为纵坐标。信号采样频率为1Hz，信号单次采样周期为200μs，信号波形最大幅值为±5V，幅值分辨率为256道。一次采集即生成一份文本文件存储μ子信号的波形信息，单击文件列表中的文件可以查看每份文本文件的波形。

选择分析模式，开始分析，计算机将使用二阶差分方法，在全部μ子穿透塑料晶体的信号(图2)中找出发生衰变事件的μ子信号。记录每个衰变事件中产生的μ子信号峰与电子信号峰的时间差，绘制为寿命统计直方图(图3)并计算μ子衰变平均寿命。使用多道分析方法，将μ子信号的峰值进行多道划分与统计拟合，绘制出能谱分析直方图(图4)并计算μ子衰变平均能量。

由此可见，本发明的实验仪器是一种新仪器，开拓了原有相关实验的范围，也开拓了一种新的方法，将寿命分析扩展为能谱分析，具有研究价值。

Claims (5)

1.一种测量宇宙射线μ子寿命的方法，其特征在于：方法采用测量宇宙射线μ子寿命的实验仪器，包括测量组件(101)、光导组件(102)、光电信号传输组件(103)和数据传输组件(104)；测量组件(101)为一块长方体的塑料晶体，光电信号传输组件(103)为光电倍增管，光导组件(102)为放置于测量组件(101)与光电信号传输组件(103)之间的有机玻璃光导，有机玻璃光导连接到塑料晶体未封装的一端和光电倍增管的探测端之间，测量组件(101)、光导组件(102)、光电信号传输组件(103)均置于不透光封闭的铝制外壳中；数据传输组件(104)包括AD/DA转换模块、USB高速传输模块、FPGA板与计算机组成，光电倍增管的电信号输出端依次经AD/DA转换模块、FPGA板、USB高速传输模块与计算机连接；

测量方法具体为：

宇宙射线μ子透过铝制外壳照射到测量组件(101)的塑料晶体上，经塑料晶体发生荧光效应产生光电子，光电子经光导组件(102)的有机玻璃光导全反射作用后被光电信号传输组件(103)的光电倍增管探测到，再由数据传输组件(104)将光电信号传输组件(103)的光电倍增管探测到的电信号发送传输到计算机上保存、分析处理，获得宇宙射线μ子寿命的测试结果；

计算机上针对光电倍增管探测到的电信号分析处理具体为：

FPGA将按照时基顺序将数据传输到计算机中，计算机保存绘制电信号的波形作为电信号数据，按照以下方式对电信号进行分析处理：

S1、以差分步长s对完整的电信号进行划分，针对每一个电信号段，对于电信号段上每三个相邻的信号点(x_k,y_k)、(x_k+1,y_k+1)和(x_k+2,y_k+2)均采用以下方式处理获得二阶差分，差分结果记为Δ(Y)：具体是首先计算(x_k,y_k)和(x_k+1,y_k+1)的一阶差分Δ(y_k)＝y_k+1-y_k，再计算(x_k+1,y_k+1)和(x_k+2,y_k+2)的一阶差分Δ(y_k+1)＝y_k+2-y_k+1，那么Δ(Y)＝Δ(y_k+1)-Δ(y_k)；

S2、对于所有电信号段，寻找到自身绝对值大于峰值阈值的局部最小电信号值，以二阶差分最大的位于中间的信号点的电信号值作为局部最小电信号值；

S3、对于完整的电信号计算得到的所有局部最小电信号值，根据预设已知设置的最小时间差t_min和最大时间差t_max，进行以下判断：

判断两个局部最小电信号值出现时刻的时间之差是否在最小时间差t_min和最大时间差t_max之间，

若两个局部最小电信号值出现时刻的时间之差在最小时间差t_min和最大时间差t_max之间，则将两个局部最小电信号值之间的电信号段视为μ子衰变信号，两个局部最小电信号值之间的时间差作为μ子寿命；

若两个局部最小电信号值出现时刻的时间之差不在最小时间差t_min和最大时间差t_max之间，则不作处理，不作衰变。

2.根据权利要求1所述的一种测量宇宙射线μ子寿命的方法，其特征在于：

所述的长方体塑料晶体尺寸为40×20×5cm²，塑料晶体外侧严密包裹有铝膜。

3.根据权利要求1所述的一种测量宇宙射线μ子寿命的方法，其特征在于：

所述的长方体塑料晶体为闪烁体C₆H₆。

4.根据权利要求1所述的一种测量宇宙射线μ子寿命的方法，其特征在于：

所述的有机玻璃光导折射率应该处于测量组件(101)的塑料晶体的折射率和光电信号传输组件(103)的光电倍增管外壳折射率之间，能使入射光线发生全反射的有机玻璃体。

5.根据权利要求1所述的一种测量宇宙射线μ子寿命的方法，其特征在于：

工作时，光电倍增管的探测输入端固定在塑料晶体的一端，连接处用硅油密封，以做到不透光。