宇宙线_轻子寿命测量实验和电子学设计_图文

1、第30卷 第1期核电子学与探测技术V ol.30 N o.12010年 1月Nuclear Electr onics &Detection T echnolo gyJan. 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: O 572.32+3 文献

2、标识码: A 文章编号: 0258 0934(201001 0096 04收稿日期:2008 10 22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.Nedderm ey er 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1 3。 子带有一个单位的基本电荷,其质量为105.658M eV/c 2,不参与强相互作用。 子作为一

3、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2.197 10 6s 。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10 9s 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T DC 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

4、统,使得实验装置的仪器费用较高。可编程逻辑器件PLD (Prog rammable Log ic De vice4,5,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

5、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+ v e +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d t 内衰变概率为:D(t=e -t/ (2由于自宇宙

6、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:D i (t=e -(t-ti/ (3如果第i 个 子到达探测器的时刻为T i ,那么时间间隔 T 内,这个 子衰变的概率是:P =#T i+ TTiD i (tdt=#T i+ TTie-(t-t i/ dt =K -K e- 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 = Mi=1K i (1-e- T /=K (1-e- T /K = Mi=1K i(5可见在 T 时间内 子衰变数随时间同样服从指数规

7、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PM T 输出的脉冲信号,经过倒相放大(AD8004之后,再经比较器(A D8564进行甄别产生一个标准的TT L 电平信号,然后输入到可编程逻辑芯片(M ax7000B/EMP7128BT C100-10。通过可编程逻辑器件对输入信号进行

8、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USB FIFO 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

9、 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U SB FIFO 的通讯,当U SB FIFO 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。97 图2电路原

10、理图 图3 实验设计的F PGA 逻辑图 通过Quar tusII6.0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,tx e 为USB FIFO 芯片的接收信号,w r 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(3USB

11、 FIFO 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(33 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

12、输入到可编程逻辑器件的话,将导致伪事例。我们利用GEANT 4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%0.07 s,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Southern M ethodist 大学叶静波博士提供的有关资料和器材。参考文献:1T.D.Lee.A Brief H istor

13、 y o f T he M uo nJ.H y perfine Inter actions,1994:439 453.2W-M.Yao etc.T he R ev iew of Par ticle Phy sics.Jo ur na l of PhysicsDB/O L.2006,http:/pdg.lbl.go v/.3徐克尊,等.粒子探测技术M .合肥:中国科学技术大学出版社.4张立克.CPL D/F PG A 应用开发技术与工程实践M .北京:人们邮电出版社,2005.5A lter a cor porat ion .M A X 7000Pro gr ammable Lo g ic D

14、ev ice Family Data Sheet EB/O L .2003.6吴雨生.宇宙线muon 寿命测量实验的G eant4模拟D.合肥:中科大近代物理系,2008.(下转第106页,Continued on page 10699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。参考文献:1秦世才,高清运.现代模拟集成电子学M.北京:科学出版社,2003.2李永安.用A OA设计有源补偿双二阶电流模式滤波器J.电讯技术,2008,48(8:92 96.3李永安.基于A OA的多功能二阶电流模式滤波器及仿真J.电子元件与材料,2007,26(

15、2:61 63. 4李永安.AO A广义阻抗变换器及其应用J.半导体技术,2007,32(5:430 432.5Chang C M,Chen P C.U niv ersal active cur rent filter w ith t hr ee inputs and o ne output using curr ent conveyo r2J.Int J Electr onics,1991,71(5:817 819.6Chang C M,Chien C C,W ang H Y.U niv ersal active cur rent filter w ith t hr ee input s a

16、nd one o utput using cur rent co nv eyor s Par t2J.Int J Electron ics,1994,76(1:87 89.7贺顺,王卫东.基于电调谐DO CCII的电流模式连续时间滤波器J.电讯技术,2005,45(4:71 74.8L.C.T homas.T he Biquad:Par t &Some P racticalD esign Consider ations,and Par t A M ultipurposeActiv e F iltering SystemJ.IEEE T rans.Cir cuit T heo ry,1971,1

17、8(5:350 361.9Ser gio F ranco著,刘树棠,朱茂林,荣玫译.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计(第3版 M.陕西:西安交通大学出版社,2004.10 A.Budak.P assive and Active N etw ork Analy sisand Sy nthesisM.Wav eland Pr ess,P ro spectH eig hts,IL,1991.Analysis on the Q Enhancement and!o Reducing ofBiquad Current Mode Filter on AOA!sLI Yong an(Co llege o

18、 f Physics and Electr onic Eng ineering,Xiany ang N or mal U niv ersity,Xiany ang712000,ChinaAbstract:T o obtain biquad current mode f ilt er with high f requency and high accuracy,according t o the open loop frequency response of act ual AOA,the frequency response of circuit modules using act ual A

19、OA was analyzed.T he charact eristics equat ion of biquad current mode filt er on AO As was given.T he first order approximate equation of t he Q and!o of the filt er w as given,t oo.T he Q enhancement and!o re ducing eff ect of t he filt er was analyzed.Finally,the Q enhancement and!o reducing ef fect of the filt er can be eliminated by passive compensat ion and frequency pre distortion.T he result of comput e simulating shows the analysis met