Department of Engineering Physics

实验二. 宇宙线缪子计数测量

前言

本实验的目的是： 学习测量缪子通量的办法，同时学习如何压低PMT噪声本底。

  1. 观察噪声信号特征，观察它和信号间的差别，学习使用甄别器、逻辑符合模块。
  2. 理解PMT热噪声的随机性质，理解偶然符合的概念，学习如何利用双端符合压低噪声。
  3. 实现对缪子通量的初步测量，对宇宙线缪子通量建立起初步的认识。

一. 实验原理

我们将按照示意图（图1）搭建实验装置。PMT上的热噪声有随机特性，而缪子信号在闪烁体两端在时间上有符合特性。我们将练习符合计数技术，实现缪子信号的分离和通量计算。
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图1：设备连接示意图

二. 实验主要内容

  1. 巩固对基本实验设备（PMT，闪烁体，示波器等）使用的学习，按示意图（图1）搭建实验设备。
  2. 学习使用甄别器。
  3. 利用调节甄别器阈值和PMT电压压低afterpulse。
  4. 闪烁体单端读出计数。
  5. 学习使用逻辑符合模块。
  6. 闪烁体双端符合计数。
  7. 理解并计算偶然计数率，宇宙线粒子计数率。

三. 需要观察或测量的问题

本实验需要观察并解决以下问题：
  1. 如何调整甄别器的阈值？
  2. 如何使用示波器进行计数？
  3. 为什么调节甄别器阈值和PMT电压可以压低afterpulse？
  4. 比较单端的计数率和双端符合的计数率。
  5. 利用单端的计数率计算偶然符合计数率。
  6. 比较双端符合计数率与偶然符合计数率，是否相符？并解释原因。
  7. 实测缪子通量是否与预期值相符，解释原因。

四. 实验器材介绍

首先介绍一下需要用到的一些新的实验装置。

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图2：实验器材组

实验器材组如图2所示，其中第一个是甄别器，用来给信号设定阈值。第二个是扇出单元，用来把一路信号扇出为多路与输入端相同的信号。第三个是逻辑单元，可以将模拟信号转化成逻辑信号。然后是高压电源，在第一个实验已经介绍过了，最后一个是计数单元，用来测量一定时间的事例数。

接下来介绍一下以上实验装置是如何使用的，主要内容如图3所示标注了出来。使用甄别器时，可以将信号从信号输入端口输入，黑色旋钮用于调节触发阈值。要调节哪个通道就用面板下方的银白色小杆切换，在这里可以把触发阈值调到了50mV，触发阈值的设定是根据第一个实验中波形幅度的测量结果来设定的。使用扇出单元时，第一列是信号扇入，第二列是信号扇出，本装置可以扇入四路信号，同时每路信号又可以扇出四路信号。

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图3：甄别器和扇出单元的使用

在图4中，使用逻辑单元时，要注意第一列为通道开关，第二列为信号输入端，符合信号输出在第三列。使用时一定要把需要用到的通道的开关打开，不需要用到的通道开关一定要关闭。这里有个银白色杆可以调节逻辑“与”或者是逻辑“或”。使用计数器时，可以按下面板中间的黑色按钮来设置通道，通道一显示时间，通道二，三，四分别对应于面板下方三个信号输入端的计数。中间三个黑色按钮分别为停止计数，重新设定以及开始计数。计数结果和时间显示在这个面板上方的黑色显示屏上。

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图4：逻辑单元和计数器的使用

如果同学们需要更详细的实验装置的说明书，可以去厂家的网站上下载。这是网址： CAEN 和 ORTEC。 然后只要在网页的搜索框中输入实验装置的型号就可以查找对应的说明书。

五. 实验步骤

本实验需要测量长条闪烁体单端计数和双端符合计数，同时还要验证缪子通量是否与预期值相符。我们预期到达实验室的缪子通量为$1个/\mathrm{cm}^2/\mathrm{min}$，但由于其他因素的影响，实际测量应该有变动，计算通量前我们需要测量探测器面积。实验装置连接图如图5所示。闪烁体探测器出来的信号经过甄别器后到达扇出单元，经过扇出单元扇出后，两路过阈信号到达示波器，另外，先后经过甄别器和逻辑单元出来的符合信号也到达示波器。用示波器同时观察两端信号和双端符合信号。

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图5：实验装置连接示意图

连接好之后就如图6所示。

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图6：连接实物图

实验中我们还需要知道如何压低余波。
在电压一定的情况下，阈值增大，余波超过阈值的几率变小，因此被采集到的频率降低；在阈值一定的情况下，电压增大，余波幅度增大，更有可能超过阈值，从而被探测到的几率变大，所以压低余波可以采用调高阈值或降低电压的方法。但要注意不能为了压低余波而显著影响信号的探测效率。另外，余波在每一个PMT上也具有随机性，双端符合也时很好的压低余波的方法。

图7是示波器上的三路波形图。包括单端的波形和双端符合的方波。在用示波器观察信号的同时用计数器计数。计数时间设置为100秒。计数器通道一显示计数时间，通道二，三显示单端计数，通道四显示双端计数。分别测量100秒内三个通道的计数，并记录了下来，如下面视频所示。

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图7：双端信号和双端符合信号

七. 偶然符合计数率的计算

得到实验数据之后，大家还要计算一下偶然符合计数率，这是公式：

$$\mathrm{n}_{\mathrm{r c}}=2 \mathrm{\tau}_{\mathrm{s}} \mathrm{n}_{1} \mathrm{n}_{2}$$

其中
τs：矩形脉冲宽度;
n1：第一道的平均计数率;
n2：第二道的平均计数率;
nrc：偶然符合计数率。
得到实验数据后需要将偶然符合计数率结果与双端符合计数率做比较，并且可以做进一步思考：你们将会发现偶然符合计数率远小于单端计数率和双重符合计数率。 如果只有闪烁体单端来计数，那么会混有很多暗噪声。那么利用双重符合，就可以极大地压低单PMT的暗噪声计数。

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