宇宙线轻子寿命测量实验和电子学设计图文精.docx
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宇宙线轻子寿命测量实验和电子学设计图文精
第30卷第1期核电子学与探测技术
Vol.30No.1
2010年1月NuclearElectronics&DetectionTechnology
Jan.2010
宇宙线轻子寿命测量实验和电子学设计
吕治严,李澄,吴雨生,邵明,孙勇杰
（中国科学技术大学近代物理系,安徽合肥230026
摘要:
采用可编程逻辑器件,设计了一种新的读出电子学和逻辑电路,仅使用一个闪烁探测器配合
该读出电路,实现对宇宙线子寿命测量。
实验证明该读出方法不仅简便,而且有着很好的测量精度,可用于一些粒子寿命及时间测量的科学实验中。
关键词:
可编程逻辑;轻子;寿命测量
中图分类号:
O572.32+3文献标识码:
A文章编号:
02580934（201001009604
收稿日期:
20081022
作者简介:
吕治严（1984,男,安徽省旌德县人,硕士研究生,核与粒子物理专业。
子是大自然最基本的粒子之一。
1936年,S.H.Neddermeyer和C.D.Anderson在宇宙线云室观测中最早探测到了子径迹。
1937年J.C.Street和E.C.Stevenson在宇宙
线实验中观测到了子,并明确的指出了它的存在,F.Rasetti等人于1941年首次测定了其寿命[13]
。
子带有一个单位的基本电荷,其质量为105.658MeV/c2,不参与强相互作用。
子作为一种比电子重的轻子,其自身具有很大的不稳定性,至今仍然是人们未能完全了解且有待研究的对象。
子寿命为2.197106
s。
它的寿命测量具有重要的物理意义,例如标准模型中的费米耦合常数,便可以利用其寿命的精确值确定。
海平面上子通量的测定结果也是爱因斯坦相对论效应的有力证据。
在粒子物理实验中,对于平均寿命大于109
s的不稳定粒子,传统的衰变寿命测量方法是直接测量衰变事例的时间分布,计算出粒子的寿命。
实验上通常采用延迟符合法测量子平均衰变寿命。
该方法至少需要两个探测器,分别记录衰变的起止时间,并需要TDC记
录其衰变时间大小。
这种方法至少需要两路读出电子学,以及相关的逻辑电路及数据处理系统,使得实验装置的仪器费用较高。
可编程逻辑器件PLD（ProgrammableLogicDevice[4,5],自90年代后被广泛开发和应用于许多领域的电路设计中,并在核电子学中得到进一步发展。
使用PLD来开发逻辑电路及数据处理,不仅可以大大缩短设计时间,减少PCB面积,而且有效提高系统的可靠性和设计成本。
本文利用可编程逻辑器件,设计了一种专门的电子学读出电路,进行信号的逻辑分析与处理,采用该读出电路后,不需要专门时间-数字转换电路和数据获取电路,就可以实现对子寿命直接测量,测量精度达到实验要求,大大减少了测量系统和费用。
1探测原理
当大气中子进入闪烁探测器,大部分高能子会穿过闪烁体,而较低能的子会与原子碰撞而损失动能,其中部分将停止在闪烁体中。
碰撞损失的能量使闪烁体分子激发,在极短的时间内（为ns量级激发态发射出荧光回到基态。
产生的荧光光子由光电倍增管转换成表征子停止!
的脉冲信号。
图1是子在塑
96
料闪烁探测器中衰变示意图。
图1子在探测器中衰变示意图
停止在闪烁体内的子很快发生衰变:
∀e+ve+v（1
产生的电子,被闪烁探测器探测,形成子衰变!
的脉冲信号。
测量出这两次脉冲的时间间隔,可以获知这个粒子的产生到衰变的时间差。
设子的平均寿命为,根据粒子衰变服从的指数规律,单个子在时间间隔dt内衰变概率为:
D（t=e-t/
/（2
由于自宇宙线子的通量很低,每次击中探测器的事例可以看成单子事例。
设第i个子的产生时间为t,则子在时刻t衰变概率为:
Di（t=e-（t-ti/
/（3
如果第i个子到达探测器的时刻为Ti,那么时间间隔T内,这个子衰变的概率是:
P=
#
Ti
+T
T
i
Di（tdt
=
#
Ti
+T
T
i
e
-（t-ti
/
/∃dt=K-Ke
-T/
K=e-（Ti-ti/（4如果实验共测量到M个子,则在时间差T以内衰变的总的子数N为:
N=M
i=1Ki（1-e
-T/
=K（1-e
-T/
K=M
i=1Ki
（5
可见在T时间内子衰变数随时间同样服从指数规律。
实验上通过记录确定时间间隔内的子衰变事例数,利用指数函数拟合方法,可以求得子衰变的平均寿命。
2电路原理和逻辑判选
根据上述探测原理,要求设计电子学电路
实现以下功能:
（1获取从光电倍增管的输出信号;
（2判断出哪些是子的停止信号,哪些是衰变信号;
（3记录它们之间的时间差,并转换成数字信号;
（4实现与计算机的通讯和数据传输。
设计的电路基本原理见图2。
由PMT输出的脉冲信号,经过倒相放大（AD8004之后,
再经比较器（AD8564进行甄别产生一个标准的TTL电平信号,然后输入到可编程逻辑芯片（Max7000B/EMP7128BTC100-10。
通过可编程逻辑器件对输入信号进行逻辑处理,完成上述的主要逻辑,记录下衰变时间。
并将其结果通过USBFIFO传递给计算机进行处理。
设计的可编程逻辑的逻辑功能是:
将接收到的第一个脉冲作为开始时间,对时钟脉冲进行计数,在若干个时钟周期（为10微秒后如果没有接收到第二个脉冲则清零重置,放弃第一个开始时间;如果在该时间宽度内接收到第二个脉冲,则将两个脉冲的之间的时钟周期数输出,之后清零重置。
实验设计的CPLD逻辑见图3。
起始时刻所有内部线路都是低电平,异或门初始处于关闭（由于异或门的特性,当两个输入的任何一者逻辑发生变化,其输出状态即发生变化,高电平为打开,低电平为关闭。
当有信号输入的时刻,即闪烁体测到有效的事例后,信号输入经d触发器产生高电平信号,打开异或门并激活计数器,开始对时钟进行计数。
当在规定的取样时间内再次有信号输入,经过d触发器的电平将再次翻转,导致异或门被关闭,计数器的输出使能为低电平,这个时候停止对时钟信号计数,同时将数据输入到数据锁存器;如果在规定取样时间内没有输入信号,那么计数器的溢出进位变为高,经过d触发器关闭异或门,使计数器输
入使能为低电平,计数停止同时对计数器进行清零。
溢出的数据将不传到数据锁存器里面。
电路中,输出判选单元与数据锁存单元是为了保证与USBFIFO的通讯,当USBFIFO芯片的接受信号为有效的时候,输出使能为高,数据进行输出,并清空数据锁存器。
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图2
电路原理图
图3实验设计的FPGA逻辑图
通过QuartusII6.0模拟软件（Altera公司对上述的电路逻辑进行了编译和模拟,可进一步检验逻辑时序是否正确,结果如下:
（1规定时间内有两个信号的情况（见图4。
这种情况可以输出有效的时间计数。
图中muon为输入信号,clk为时钟,d为输出的数据,txe为USBFIFO芯片的接收信号,wr为输出使能,rd为输入使能,逻辑上无影响;
（2规定时间内只有一个信号的情况（见图5。
这种情况下会自动舍弃,并不会对后面的信号处理逻辑造成影响（这里为了模拟方便,将规定的溢出时间调整到640ns
;
图4可编程逻辑器件逻辑模拟图（1
（3USBFIFO如遇有电脑通讯数据溢出的模拟结果（见图6。
可见锁存器能够进行数
98
图5可编程逻辑器件逻辑模拟图（2
据锁存功能,会等到通讯信号有效后再将数据输出,
等到输出后再次清理。
图6可编程逻辑器件逻辑模拟图（3
3实验结果
实验中的闪烁体为一个长30cm,宽15cm,高15cm的一个长方体。
闪烁体产生的荧光经光电倍增管转换成电信号,经过信号处理电路和可编程逻辑电路处理,最后由USB接口将测
量结果送到计算机。
图7实验测量结果
在实验数据获取过程中,可能存在着两种伪事例:
（1噪声信号导致的伪事例,可以通过幅度甄别除去;（2在一次取样时间间隔内（实验设置为10微秒内,如果再次有另外的信
号输入到可编程逻辑器件的话,将导致伪事例。
我们利用GEANT4软件对本实验进行模拟的结果表明[6],10微秒内连续两个无时间关联的事件发生概率与子在闪烁体中衰变概率之比仅为3%,在本实验设计的允许误差范围之
内。
图8可编程逻辑电路和数据获取仪器的照片
实验测量得到子计数随衰变时间的变化关系如图7所示。
拟合得到子的平均寿命为2.19%0.07s,测量精度小于3%,达到实验要求。
研制的数据获取电子学仪器见图8。
本实验装置现已用于中国科技大学物理实验。
特别感谢美国SouthernMethodist大学叶静波博士提供的有关资料和器材。
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（下转第106页,Continuedonpage106
99
度低通、高通电流模式滤波器,该滤波器可用在视频场合,并对VLSI单片集成技术,有着重要的参考作用。
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