Department of Engineering Physics

实验一. 观察PMT上的信号

前言

本实验的目的是： 学习如何利用闪烁体和PMT等来探测微观粒子，并且熟悉设备。

  1. 认识基本的粒子探测实验用的设备：PMT，闪烁体，光导，高压和示波器。
  2. 了解他们工作原理，并能实际操作、搭建探测装置。
  3. 初步识别PMT脉冲信号，熟悉它的时间、幅度特征。
我们将从观察PMT上的信号特征开始，逐步实现宇宙线缪子的分离和观测。

一. 实验原理

第一个实验是观察PMT上的信号。PMT上的信号主要来自几个过程，一是来自宇宙线和闪烁体的相互作用，二是PMT光阴极上自己的热电子发射，三是其他噪声，包括基线抖动噪声等电子学噪声，余波等等。

原初高能宇宙线与大气中原子核发生碰撞，发生簇射，产生了大量缪子（μ），到达海平面，如图1所示。

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图1：宇宙线大气簇射过程

海平面的缪子打到实验室内的闪烁体会使得闪烁体变成高能态，然后退激，并放出光子。这些放出的光子通过光导打到了光电倍增管的光阴极，并通过光电效应打出光电子。光电子会飞向光电倍增管的第一打拿极并被收集，随后发射出更多的电子，这些电子又被下一个打拿极收集，不断倍增。倍增后的电子会在输出回路上生成电信号。电信号可以被示波器所接收，形成电压幅度波形。

PMT的光阴极是一层活泼的碱金属，即使没有光照，也会存在一定的热电子发射概率，这些电子也可以在PMT内经历同样的放大过程，形成PMT信号。

我们将从观察PMT上的信号特征开始，逐步实现热电子发射和噪声信号的排除。

二. 实验主要内容

  1. 认识实验设备，包括光电倍增管（PMT），闪烁体，光导，高压和示波器。
  2. 按照示意图（图2）搭建高能宇宙线粒子探测装置，为PMT加高压。
  3. 学习示波器的使用，观察PMT脉冲波形。
  4. 学习PMT对高压的响应。
  5. 热噪声和余波（afterpulse）等的识别及特性观察。

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图2：实验装置连接图

三. 实验器材介绍

下面介绍一下实验过程中需要用到的实验器材:
  1. 首先是高压电源（如图3所示）：高压电源用来给光电倍增管加高压，上面有三个调节旋钮，分别对应了不同档位的调节。粗调一个档位是500V，中间的旋钮一个档位是100V，细调旋钮转一圈是10V。加压要缓慢加压，加压操作之间要间隔10秒。加高压不能超过1900V。

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    图3：高压电源

  2. 塑料闪烁体（如图4所示）：本实验采用的是光电倍增管经过光导和闪烁体耦合。为了保证不漏光，探测器系统全部用黑胶带缠绕。在移动闪烁体的时候，要特别注意扶住颈部的位置，因为那里是光导和光电倍增管（PMT）耦合的位置。

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    图4：闪烁体探测器，内部包含了闪烁体，光导以及带有金属保护壳的光电倍增管

  3. 高压线（如图5所示）：连接高压电源和光电倍增管，给光电倍增管加高压，高压线接头为SHV接头。

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    图5：高压线和SHV接头

  4. 信号线（如图6所示）：连接光电倍增管和示波器，信号线也可以让PMT出来的信号先经过甄别模块或计数模块，再接到示波器，信号线接头为LEMO接头。

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    图6：信号线和LEMO接头

  5. LEMO转BNC：将信号线与PMT或示波器连接时，需要LEMO转BNC作为转接头才能连接上。
    五十欧阻抗：阻抗匹配，50Ω档位是为了最大程度上能够消除传输线上的信号反射，将传输线的影响降到最低。
    三通：为了将信号线和五十欧阻抗能够同时接到示波器上。
    三者分别如图7从左到右所示。

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    图7：LEMO转BNC，五十欧阻抗，三通

  6. 示波器（如图8所示）：示波器上可能需要用到的光标调节，时间窗大小和位置调节，标度调节，阈值调节，信号线接口都在图上标注出来了。

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    图8：示波器

四. 需要观察或测量的问题

  1. 闪烁体，光导，PMT，高压系统，示波器和电缆外观特征，线路连接。
  2. 高压系统的使用，加压操作界面各个参数的意义，PMT加压过程。
  3. 示波器使用，阈值调整，时间范围调整，PMT脉冲信号寻找。
  4. 在示波器上能找到的最小信号脉冲幅度为多少？
  5. 在示波器上看到的基线幅度是多少？
  6. 假定PMT增益为1x107，示波器阻抗为50Ω，单光电子对应的信号幅度为多少？
  7. PMT脉冲波形，特征前沿时间，后延时间，宽度。
  8. 判断一些明显的噪声信号。
  9. 余波（afterpulse）特征，出现的时间位置，几率，形状，统计主脉冲后面1-3微秒内的余波发生的概率，以及3-10微秒内的余波发生概率。

五. 实验步骤

  1. 首先要连接实验装置，本实验的实验装置连接图如图2所示。连好以后一定要用布把闪烁体、光导、PMT系统全部盖好，仔细遮光，然后缓慢加压，先加到1200V，观察信号，逐渐提高电压，直至信号清晰，最多不能超过1900V。
  2. 设置触发阈值，可以通过示波器上的触发菜单调出来，观察到信号，如图9所示。

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    图9：观察信号

  3. 用光标测出示波器上显示的基线幅度。光标可以在示波器上调节出来，用光标测量基线幅度。如下面视频所示。

  4. 对于单个波形，用光标分别测得波形的前沿时间和下降时间，然后计算宽度, 或者可以用示波器上的Measure按钮调出“添加测量”菜单，如图10所示。

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    图10：添加测量量

  5. 基线的幅度会限制可以观测到的PMT脉冲幅度，通过调节示波器上触发阈值，一直到无法分辨出PMT的脉冲和噪声的区别，就得到最小信号脉冲幅度，如下面视频所示。

  6. 示波器余辉时间是指当激发停止后，信号延续显示的时间。我们可以用示波器上的采集按钮，调出波形显示的余辉时间。这里调节为了无穷大，如图11所示。

    a_h.png

    图11：调节余辉时间

  7. 通过调节余辉模式，我们可以看到示波器上的余波。余波产生的原因是信号线内的电磁振荡，残余气体的电离给出信号，余波是我们观测物理信号的一个重要干扰，一般是在主脉冲信号的后面出现，所以也叫后脉冲（afterpulse），同时还会有少量信号在主脉冲信号的前面出现，称为前脉冲（prepulse），如下面视频所示。

    我们可以看到主脉冲前面出现的前脉冲（prepulse）和主脉冲后面出现的后脉冲（afterpulse），并且整体呈现出来了两个重要特征：
    (1) 前脉冲出现的概率要远远小于后脉冲出现的概率，
    (2) 前脉冲的信号幅度要小于后脉冲的信号幅度。
    余波一般集中出现在 $1\mu s-3\mu s$ 范围和 $3\mu s-10\mu s$ 范围，这个时间范围取决于PMT自身的性质。
    计算余波的出现几率可以通过single采样，在 $1\mu s-3\mu s$ 附近和 $3\mu s-10\mu s$ 附近计算余波出现的概率。

    8. 六. 单光电子对应的信号幅度计算

    最后是单光电子对应的信号幅度计算。一个信号有上升时间和下降时间。这里提供一个近似计算，对信号形状做三角形近似。计算三角形区域的面积就能够得到对应的信号积分电荷。

    $$ Q=\dfrac{ I_{\max } (t_{上升}+t_{下降})}{2} = \dfrac{V_{\max}(t_{上升}+t_{下降})}{2R}~, $$

    其中，$I_{\max}$为脉冲信号的最大电流，可以利用脉冲信号的最大电压幅度$~V_{\mathrm{max}}~$和阻抗$~R~$的比值计算出来。一般来说，PMT信号的上升时间和下降时间分布的展宽很小，有着相对比较稳定的值，同时阻抗也是确定的，所以，信号电荷量大小正比于电流峰值，也就正比于电压峰值。

    同时，电荷量又等于增益$~G~$乘以单个电子电荷量$~e~(1.6\times 10^{-19} \mathrm{C}):$

    $$Q=G e~,$$

    由此可以计算出电压幅度为：

    $$V_{\max }=I_{\max } R=\frac{2G e R}{(t_{上升}+t_{下降})}~,$$

    可以和示波器上显示信号幅度互相验证。

    清华大学