宇宙射线μ子平均寿命测量的探测系统设计

分类号密级UDC编号毕业设计论文题目宇宙线谬子平均寿命直接测量探测系统的设计学院名称核科学技术学院指导教师谢安平职称副教授班级核物理131班学号20134380145学生姓名张文峰2017年6月6日南华大学学位论文原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南华大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名年月日南华大学学位论文版权使用授权书本人同意南华大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其它手段保留学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。对于涉密的学位论文，解密后适用该授权。作者签名导师签名年月日年月日南华大学毕业设计（论文）任务书学院核科学技术学院题目宇宙线缪子平均寿命直接测量探测系统的设计起止时间2016年12月30日至2017年5月30日学生姓名张文峰专业班级核物理131班指导教师谢安平教研室主任谢安平院长肖德涛2016年12月30日论文设计内容及要求一、毕业设计（论文）原始依据对缪子寿命测量具有重要物理意义。利用缪子寿命精确值来确定粒子物理标准模型中的费米耦合常量；验证狭义相对论中的时间膨胀效应。传统高能粒子寿命测量方法装置复杂，仪器设备费用较高。设计一种既简便又能降低仪器费用的测量装置非常必要。二、设计内容1、宇宙线基础知识；2、设计目的；3、设计原理；4、设计装置。三、设计要求1、大量调研，拟定设计进度；2、撰写正文之前，需提交开题报告；3、按格式、字数等要求撰写论文；4、提交论文PPT文件；5、一个星期至少跟指导老师联系一次。四、设计进度1、201611302017115大量收集相关文献资料，完成有关阅读；2、20171162017215精读35篇重要文献，翻译一篇英文综述性文献；3、20172162017315所有文献综述和开题报告；4、20173162017430完成设计初稿的撰写；5、20174162017515对初稿反复修改，定稿；6、20175162017530制作PPT,准备答辩。五、参考文献1谢一冈，等。粒子探测器与数据获取M北京科学出版社，20032汪晓莲，李澄，邵明，等。粒子探测技术M合肥中国科学技术大学出版社，20093林延畅，等。缪子寿命测量与高能物理实验创造型人才的培养J实验技术与管理，2008指导老师（签名）年月日南华大学本科生毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目宇宙线缪子平均寿命直接测量探测系统的设计设计（论文）题目来源其他设计（论文）题目类型实验研究起止时间2016年12月20日2017年5月30日一、设计（论文）依据及研究意义对缪子寿命测量具有重要物理意义。利用缪子寿命精确值来确定粒子物理标准模型中的费米耦合常量；验证狭义相对论中的时间膨胀效应。传统高能粒子寿命测量方法装置复杂，仪器设备费用较高。设计一种既简便又能降低仪器费用的测量装置非常必要。二、设计（论文）主要研究的内容、预期目标（技术方案、路线）主要研究的内容1、宇宙线基础知识；2、设计目的；3、设计原理；4、设计装置。三、设计（论文）的研究重点及难点重难点在设计原理上面，技术手段难以攻克。而且要求的仪器在本科阶段没有过多接触，因而给以后的工作上带来不少麻烦。四、设计（论文）研究方法及步骤（进度安排）1、201611302017115大量收集相关文献资料，完成有关阅读；2、20171162017215精读几篇重要文献，翻译一篇英文综述性文献；3、20172162017315所有文献综述和开题报告；4、20173162017430完成设计初稿的撰写；5、20174162017515对初稿反复修改，定稿；6、20175162017530制作PPT,准备答辩。五、进行设计（论文）所需条件图书馆，互联网，各类相关的期刊文献和书籍，教师的指导。六、指导教师意见签名年月日南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文I目录引言11宇宙射线理论211宇宙射线212环境噪声对宇宙射线的影响413空气簇射514广延空气簇射和气压对测量的影响62子和闪烁体探测器921塑料闪烁体的基本认识922子的认识和探测装置选择923子通量模型113探测系统装置1431简易的探测系统装置1432参考的几个探测系统194数据获得和处理2741数据获得2742数据处理345总结和展望36参考文献37附录38附录1文献综述38附录2外文翻译411外文原文412中文译文48附录3检测报告54致谢55南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文II宇宙线缪子平均寿命直接测量探测系统的设计摘要宇宙射线是来自宇宙深处的粒子经过加速到达地球，拥有较高的能量，宇宙射线子不仅具有较高的能量，而且具有很强的穿透能力，对宇宙射线的研究和探测对我们的生活至关重要。在本文我们主要了解宇宙射线的基本物理性质和与物质的相互作用，以及参考了很多成功的宇宙射线子探测装置，这些装置具有诸多优点，相比于国际上这些大型探测装置，比如西藏羊八井观测站、日本超级神冈观测站等，它们具有装置小巧、使用便捷、测量有比较高的精确度等优点。对子的探测我们使用塑料闪烁体探测器，这种探测器的精髓就是光电倍增管（PMT）对于电子信号的倍增，然后在电子学线路中放大甄别等。对子寿命的测量我们用其进入探测器为起始信号、其衰变为结束信号，之间的时间差就是子的寿命，我们使用大量数据进行统计平均得到子的平均寿命。关键词探测系统；宇宙射线；子探测器；塑料闪烁体探测器；子平均寿命南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文IIIDESIGNOFSIMULTANEOUSLIFEMEASUREMENTANDDETECTIONSYSTEMFORMUONSOFCOSMICLINEABSTRACTCOSMICRAYSAREPARTICLESFROMTHEDEPTHSOFTHEUNIVERSETHATACCELERATETOREACHTHEEARTHWITHHIGHENERGY,COSMICRAYMUONSNOTONLYHAVEHIGHERENERGY,BUTALSOHAVESTRONGPENETRATINGABILITYTOSTUDYANDDETECTCOSMICRAYSTOOURLIFEISVITALINTHISPAPER,WEMAINLYUNDERSTANDTHEBASICPHYSICALPROPERTIESOFCOSMICRAYSANDTHEINTERACTIONWITHTHEMATERIAL,ANDREFERTOANUMBEROFSUCCESSFULCOSMICRAYMUONSDETECTIONDEVICES,THESEDEVICESHAVEMANYADVANTAGES,COMPAREDTOTHEINTERNATIONALCOMMUNITYOFTHESELARGEDETECTIONDEVICES,SUCHASTHETIBETANYBJOBSERVATORY,JAPANSUPERKEIOKAOBSERVATORY,ETC,THEYHAVEASMALLSIZE,EASYTOUSE,MEASURINGARELATIVELYHIGHACCURACYANDSOONTHEUSEOFPLASTICSCINTILLATORDETECTOR,THEESSENCEOFTHISDETECTORISTHEPHOTOMULTIPLIERTUBEPMTFORTHEELECTRONICSIGNALMULTIPLICATION,ANDTHENAMPLIFIEDINTHEELECTRONICSLINESCREENINGANDSOONMEASUREMENTOFTHELIFETIMEOFTHEMUONSWEENTERTHEDETECTORASTHESTARTINGSIGNAL,THEDECAYISTHEENDSIGNAL,THETIMEDIFFERENCEBETWEENTHEISTHELIFEOFTHEMU,WEUSEALARGENUMBEROFDATAFORSTATISTICALAVERAGETOGETTHEAVERAGELIFEOFTHEMUONSKEYWORDSDETECTIONSYSTEMCOSMICRAYMUONSDETECTORPLASTICSCINTILLATORDETECTORMUONSAVERAGELIFE南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第1页共55页引言宇宙射线（COSMICRAY（CR）简称为宇宙线，在21世纪，人们掌握了很多种探测宇宙射线的方法，很多大的国际性宇宙射线装置层出不穷，比如西藏羊八井观测站，日本超级神岗观测站等等，子又是宇宙射线中十分重要的一个组成成分，探究子的装置对我们研究宇宙射线的各方面性质有很大帮助，在本文我们探讨观测子的简单核电子学系统装备。本文主要探讨宇宙射线的基本物理性质、宇宙射线子的物理性质和相互作用类型以及设计宇宙射线子的基本探测装置。本论文组织如下第一部分宇宙射线理论；第二部分子和闪烁体探测器；第三部分探测系统装置；第四部分数据的获得和处理；第五部分总结和展望。南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第2页共55页1宇宙射线理论11宇宙射线宇宙射线粒子在星系能量学中起着重要的作用，它的能量密度大约是1EV每立方厘米，和星系中湍流气体运动的磁场的能量密度差不多，并且大于或者接近于电磁辐射的总能量密度。宇宙射线颗粒穿透磁场并到达地球大气顶部的能力由其刚度R控制，刚度R定义为粒子的动量乘以光速运动的每单位电荷。刚度通常以千兆瓦（GV）测量。当宇宙射线通过太阳系传播时，它们与行星际磁场相互作用，其通量由其强度和方向调制。具有不同刚度的宇宙射线的通量随之改变，较低刚性的颗粒受磁场变化的影响更大。因此，宇宙射线的差分刚度谱D（R）中的变化D（R）/D（R）相关对行星际磁场湍流功率谱密度的变化，从而与太阳风和行星际磁场的基本性质有关，这对于空间天气和天体物理应用很重要。变化D（R）/D（R）通常被幂指数函数很好地近似。我们对非常高能量的初级宇宙射线的研究有强烈的兴趣，即能量高于10的15次方EV的宇宙射线，以便解决许多基本的物理问题，例如（1）宇宙射线粒子的起源和加速机制（2）宇宙射线在星系中的传播（3）非常高能量的粒子之间的相互作用要测的宇宙射线的通量需要解决的问题是得到单一粒子的能谱和不同组成成分的能谱，到达银河系宇宙射线的方向分布，还有最大的粒子能量（如果有的话）。高能粒子通过气体导致其分子的电离和激发。分子的电子激发能量通过碰撞或内部淬灭过程非辐射消散，或者作为可见光或紫外光子发射。这种辐射称为荧光（或在技术上更精确，发光）或闪烁光。为了估计作为闪烁体的空气质量，有必要找到荧光的效率，即进入荧光光子的电离和激发所损失的能量分数。宇宙射线是从高能宇宙射线在大气中自然产生的带电粒子。宇宙射线子具有约200倍的电子质量，并以约10,000粒子每平米每分钟的大致速率下降到地南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第3页共55页SS球上。使用子进行扩散检测和国际条约核废料核核燃料是核安全的一种新方法，具有显着的优势。其中，子具有穿透高密度材料的能力，可以免费获得，不需要放射源，因此完全没有任何人造放射剂量。在目前的处理中，开发了一种方法来证明子对于乏核燃料干燥桶的核不扩散的适用性。目的是使用子来区分具有不同负载量的废核燃料干燥桶，不可能用任何其他技术。探索多库仑散射理论，以获得描述通过物质通过子的最具代表性的特征。狭义相对论是阿尔伯特爱因斯坦1905年的创始论文之一，在现代物理学的基础上发挥了重要作用。1然而，这种理论往往被认为对学校课程来说太具挑战性，因为观察到显着的相对论效应所需要的非常高的速度通常不在学校实验室实验的范围之内。在本文中，我们提出了一个简单的实验，通过该实验观察了时间扩张的相对论效应。我们的设备使用两个GEIGERMLLER管，一个简单的电子电路和一个RASPBERRYPI计算机来检测宇宙射线子。我们说明一种实验方法，可以在课堂上以多种方式应用，从简单的相对论效应演示到一个扩展项目，为学生提供了许多途径来发展他们的实践技能和理论理解主题在物理和数学，我们在这里详细说明的例子。狭义相对论的理论只有两个假设所有惯性参照系的物理学规律都是一样的，光的速度在所有的惯性参照系中是恒定的。从这两个假设来看，爱因斯坦产生了几个后果。其中之一是时间膨胀的影响，令人难忘的是“移动时钟运行缓慢”。考虑参考系的起点处的物体，其速度V相对于参考系S移动。在这种情况下，时间扩张由以下等式来控制221CVTTT（11）其中T是S中的时间间隔，T是中的相同间隔，是洛伦兹因子。可以通过考虑从移动物体发射的光来导出该方程它也遵循洛伦兹变换的倒数。从等式（11）可以看出，时间扩张效应的大小取决于运动物体相对于光速的速度需要接近光速的速度来延长时间才能测量。我们在自然发生的宇宙射线中找到具有这些速度的物体。南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第4页共55页EV20910101610宇宙射线是通过星际空间行进的高能粒子，可以随时和各个方向撞击地球大气层。虽然宇宙射线的平均速度与太阳活动的水平在很小的程度上是反相关的，其历经大约11年的周期，但是随着时间尺度的几天或几周的测量，它似乎是有效地恒定的。已知主要的宇宙辐射由带正电的粒子，主要是质子和粒子组成。原子宇宙射线的能谱遵循范围内的指数规律。这些高能量对应于具有非常接近光速的速度的宇宙射线粒子。当初级宇宙射线颗粒撞击上层大气时，它们经历与空气中的核相互作用，从而产生出次级粒子的平均寿命非常短，迅速衰减成子，占了海平面上的大部分宇宙辐射。子是一个不稳定的粒子，经历指数衰减到电子和中微子，平均寿命22S。这种衰变为我们提供了一个观察时间膨胀的“时钟”。12环境噪声对宇宙射线的影响在宇宙射线簇射的情况下，电离和激发是通过次级粒子（主要是电子）的振荡前沿产生的，其以速度WC向下传播通过大气。由于这些二次分布的横向分布对于EV的一次能量而言在数十米左右，并且簇射前沿的厚度甚至更小，通常为2或3米，则当在几个公里距离处观察时，簇射可以被认为是以光度C移动通过大气的各向同性光的小来源。通过该方法检测宇宙射线阵列比传统的粒子采样技术提供了几个优点。作为沿着轨迹的距离的函数的荧光强度直接产生了簇射的纵向结构，目前尚不清楚。传统的检测方法仅在地面观察簇射的横截面，并且对于观察到的二次粒子分布是否表示朝向最大或较小的簇射衰变而增长的大型空气簇射可能留下模糊。类似地，用地面层检测器记录的簇射尺寸谱可以在对应于达到其最接近地面水平的空气簇射的能量区域中显示假的弯曲曲线。在空气荧光检测器的情况下，总光输出产生在大气中消散的总能量，从而产生一次能量，而不受粒子采样测定的波动的影响，只要大部分能量在撞击地球之前消散。最重要的是，如果可见度的半径仅受瑞利散射的限制，于是大约为20公里的有效检测面积可以高达6000平方公里。主要的局限是夜空中存在着光的背景。观察该背景的光电探测器产生一个南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第5页共55页统计波动的信号。由于光脉冲不超过100微秒（通过大气的行进时间），背景由具有该时间尺度或更短的波动组成。包括在背景将从小的空气簇射和从人造来源可能产生的切伦科夫放射光的偶然脉冲。在地球表面，背景辐射主要由粒子，粒子和射线以及宇宙射线子组成。为了阻止地面辐射，在两个探测器之间放置一些薄片的铅。几乎没有地面和颗粒足够穿透以触发和退出一个检测器，并通过该引线屏蔽以到达另一个检测器。伽马射线通过康普顿散射电离物质。但是，这些事件非常罕见因此，一个伽马射线将能够通过两个检测器并且在每个检测器中引起康普顿散射事件的机会是可以忽略的。因此，陆地背景辐射几乎无法引起巧合。另一方面，宇宙射线子沿着它们的路径连续电离，并且是非常有活力的，因此它们很容易通过并触发两个检测器，导致重合事件。因此，我们可以放心地假设我们观察到的所有巧合事件都是宇宙射线。2因此，这种技术仅限于清除，无月亮的夜晚，不受大气电力干扰，并且远离人造光源。也就是黑暗环境下。13空气簇射由于宇宙射线粒子虽然高能量但是通量低，这些粒子（如能量和初级粒子类型（质量）的性质必须从大气中产生的广延空气簇射（ESA）估算出来。簇射的测量是基于使用表面探测器阵列的粒子检测或用切伦科夫或粒子望远镜观察。粒子望远镜被优化，以检测由高能簇射颗粒激发的大气中的氮分子发出的荧光。它们允许测量纵向簇射型材，并提供目前量热测量一次能量并确定质量组成的最佳方法。虽然这种检测方法近年来已被广泛使用，但已被证明对环境条件非常敏感，其特点是约占15的占空比。研究发现大多数的高能量宇宙射线穿过地球的大气层时都会与地球大气层中的氧、氮、氢等原子核相互作用发生碰撞，并且伴随着次级宇宙射线粒子的产生，而超高能量的宇宙射线的次级粒子又将有足够能量产生下一代粒子，按照这样的理论递推，在大气层附近将会产生一个巨大的粒子群；这一现象是由法国人奥吉尔在1938年于阿尔卑斯山观测时发现的，并被称为“广延大气簇射”3。南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第6页共55页E为了补充荧光检测，提出并成功实施了电磁谱不同区域空气簇射排放观测。2008年，GORHAM等提出了在电磁波的微波范围内对EAS的观测4。提出的这种辐射的主要发射机制是非常低能量电子的自由相互作用，在较高能量簇射前沿形成弱电离等离子体，具有中性大气分子。通过这一过程发射的辐射，被称为分子韧致辐射机制，如GORHAM等人所论证的，具有许多理想的性质辐射将为（1）各向同性，便于观察。（2）与氮荧光检测相似，小的大气吸收，（3）在频率范围非常小的背景下，天然或其他。观察高能空气簇射的许多成像和非成像技术都是基于对这些阵列中二次电子和正电子的切伦科夫辐射产生的大量光子的检测。切伦科夫光也是为观察非常高能量簇射而建立的荧光望远镜所记录的光学信号。并为此做出了重要的贡献。具有1度空气中典型的切伦科夫角度，切伦科夫灯在簇射轴周围的角度分布反映了带电粒子，主要是电子和正电子的角分布。在簇射演化的不同阶段产生的切伦科夫光角度分布的适当估计对于重建簇射观测值，因此重要的是初级粒子的参数是重要的。在高的簇射能量下，的能量，角度和横向分布呈现出普遍性特征，并且可以表示为MOLIERE单位中的簇射年龄和横向距离的函数。基于普遍性考虑，已经推导出切伦科夫光角度分布的几个参数化。在这些研究中，切伦科夫光子的角分布被认为是近似于簇射轴对称，并且局部磁场的影响被忽略。迄今为止，仅对能量约为1012EV的初级光子研究了地磁场的影响。14广延空气簇射和气压对测量的影响大约是在10的13次方数量级，由于发生事件的罕见，宇宙射线几乎只是通过它们在地球大气层中的相互作用进行研究，其中通过辐射和成对产生了次级带电粒子的级联，只有几个主要的核相互作用。空气中非常高能量质子的核相互作用的平均自由程度是802/CMGMS，空气的垂直厚度是10002/CMGMS（GMS每平方克重）。因此，我们目前对宇宙射线的了解已经超过10的13次方EV源于这些“广南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第7页共55页延空气簇射”的分析。关于宇宙射线的主要组成，现在关于宇宙射线的组成，光谱和次级宇宙射线的不对称性我们都有所认识。下图的光谱能量积分显示了到达的初级能量为E电子伏特，我们取横轴为它的对数LOGE。这个光谱上总结了质子、中子、较重的核核射线，因为空气簇射的研究并不能揭示入射粒子性质的全部，以电磁辐射为主的簇射过程可以发展到涉及大面积的数千个次级粒子的产生过程。5图11主要宇宙射线的积分能谱图10的15次方附近的光谱积分斜率的增加现在已经相当确定了，虽然能量在10的15次方到10的18次方这些实验点的统计准确性不是很好，但是即使不知道绝对速率，也可以测量到准确斜率。检测到的宇宙射线子的速率主要取决于大气压力和温度。必须对这些因素的变化进行修正，以了解初级宇宙射线的性质。检测到的宇宙射线子的速率取决于气象因素，主要是气压效应，等离子体生成水平的高度和温度效应。为了南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第8页共55页确定主要宇宙射线的性质，需要分别讨论这些因素的局部变异。虽然温度效应通常由大气层从原始水平到检测水平的总体特征来确定，但气压效应仅由海平面压力决定。检测到的宇宙射线的速率取决于检测器上方材料穿过的量，大气压力作为该质量的量度。大气温度的变化导致其密度变化这种变化的密度影响检测到的子的速率。在夏天，气氛更暖，更高，密度更小。在这种情况下，第一次宇宙射线相互作用发生在较高的高度因此，子将在到达检测器之前行进更长的距离，并且较大数量的子将衰减。在寒冷的时期，气氛更浅，更密集。第一次相互作用发生在表面附近，检测到更少的子数。在世界不同地区进行了几项研究，以研究地温对宇宙射线的影响。不同研究者报告了温度系数的显着变化。南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第9页共55页12MINCM2子和闪烁体探测器21塑料闪烁体的基本认识对高能量粒子研究然后扩展非常重要，我们的研究工作可以更清楚的解释高能粒子在自然界的作用方式。因此，必须发展新的技术，能够从这些非常罕见的事件中检测和提取信息。在本文，我们主要讨论使用闪烁体探测器（GEM）探测大气粒子的技术，这些年已经有不少人进行了这方面的研究。GEM探测器的有点是具有检测带电粒子性能良好，如高有效增益，良好的位置分辨率，高计数率等。GEM探测器也可以检测三重GEM箔片的增益高达610的光线。由于位置分辨率高，检测效率高，GEM检测器广泛应用于宇宙子散射断层扫描。在大多数情况下，宇宙断层扫描的瓶颈是通量。通常宇宙子的通量约为1因此曝光时间在实际应用中至关重要。背景散射对最小曝光时间和轨道重建产生很大影响，因此减少或者屏蔽背景散射尤其重要。考虑到不同射线的断层摄影环境和GEM检测效率，背景散射最大的贡献是X射线。此外，GEM检测器也可广泛地应用于中子成像及其可塑性。GEM检测器可以通过与高密度聚乙烯（HDPE）作为中子质子转换器耦合而容易地成为中子检测器。中子产生的X射线对有效中子响应和质子轨道重建的测量具有很大的干扰。中子响应信号和X射线由脉冲高度区分。偏差很大。同时，GEM探测器被广泛应用于高能物理实验中作为轨迹探测器。X射线对通过GEM检测器的高能粒子的轨道重建有影响。因此，鉴别X射线和宇宙子对于子断层扫描和中子成像是有意义的。减少X射线的传统方法是两种塑料闪烁体的反符合，这使实验设置复杂化。识别X射线和带电粒子也是一项有意义的工作。22子的认识和探测装置选择子是属于轻子家庭的六个基本粒子之一，宇宙射线子被认为是宇宙射线撞击海平面以上15公里地球大气层的原子核。他们以相对速度行驶的事实使得南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第10页共55页即使在海平面上由于时间扩张也能够检测到它们。当子进入一个闪烁体时，它可能碰撞闪烁体中一个电子或者一个原子核，最终损失完能量使它停下来。一旦它们以相对速度停止行驶，它们在我们的时间框架内衰减，并且塑料闪烁体内的电子要退激而发光，这可以被俘获用于测量，这些字的寿命和角度分布的测量在普通本科物理实验室能完成，通过理解大型机构以及教室内完成的工作，我们旨在创建一个简化的实验，用于测量子衰减常数，测量通量和角分布，最终确定平均子寿命。在广义强子空气簇射的海特勒模型的方案中，介子由带电介子的衰变产生的。在级联辐射中，带电荷的能量减少到几十个GEV，此时衰变长度变得短于相互作用长度，因此，子的衰变开始占主导地位。在空气簇射中的子的产生取决于强子相互作用的复杂过程然而，在简单的海勒特（HEITLER）方案中，产生的子的数量大约遵循幂函数规律CAEAN/其中E和A分别是主要的宇宙射线能量和质量，C是电荷衰减的关键能量，的固定值（对于固定组约是09），值是从粒子颗粒的多重性和分数得到的。通过超高能宇宙射线产生的广延空气簇射的子含量的测量，因此可以很好地观察在这种高能环境中发生的强子相互作用和多粒子生成的物理学过程。当主要能量和/或质量是从独立观测值获得时，子测量可用于对现有的加速度相互作用模型进行直接测试，因此，这些测试对模型参数提供了最佳限制。此外，介子数量上对主质量的依赖性可以作为宇宙射线组合物的敏感估计。子是与电子相似的基本粒子。它们携带1的电荷、1/2的自旋。我们在地球上可以观察到的子，主要来自宇宙辐射，它们具有很高的能量。来自宇宙射线的子以相对速度行进。这就是为什么它们可以穿过大气层，尽管寿命很短。为了检测子，我们使用闪烁体探测器。闪烁体可与电离辐射相互作用。当子撞击到闪烁体时，它们可以与闪烁体中的分子相互作用以激发它们。然后，处于激发态的分子将迅速下降到其基态并发射光子。这些光子可以通过光电倍增管检测，通过这个我们可以计算出击中闪烁体靶核的子速率。使用闪烁体光电倍增管两端在到达的时间差异，我们可以找到击中闪烁体靶核的子的位置。当我们使用闪烁体探测器检测子时，有一些子没有足够的能量穿过闪烁体，留在闪南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第11页共55页烁体内的子会迅速衰变，衰变方程为EE或者EE它们都发射可有光电倍增管检测的光子。由于子的平均寿命短（在真空中约为219S），所以第二个光脉冲的信号将被光电倍增管快速捕获，示波器将显示两个峰值，用于衰减事件。就像大多数不稳定粒子的衰变一样，衰减也是一个指数过程，这意味着T时间后剩下的子数是TN/0TEN，其中是子的平均寿命。因此，通过拟合我们每个子的衰减时间的数据，我们可以找到子的平均寿命。最后，我们还要研究宇宙子通量的角分布。理论上，宇宙射线子的通量取决于入射角度。这种关系可以描述为COS,0,HENIEHI（21）其中0I是具有入射角为0的强度，是入射角，H是子行进的垂直距离，E是子的能量。COS的幂是关于H和E的函数，这是根据经验确定的。在海平面上，实验显示N2，我们将使用关系20COSII（22）23子通量模型在大约15公里的平均高度产生宇宙射线子6。假设它们都以速度上限C行驶，它们在每个平均寿命为22S的时间内只能运行660M。不考虑时间扩张，这对应于在表面最短（垂直）路径中存活的10的10次方个子午点中的1/10的顺序。时间扩张有效地延伸了这些子的平均寿命，使得它们能够在地球参考系的每个平均生命周期中进一步行进。PFEFFER和NIR7给出了宇宙射线子的平均速度在0994C和0998C之间。在等式（11）中使用这些值，我们发现我们的参考系中的有效平均寿命延长到201S到348S之间，对应于在表面垂直路径上存活的8到25之间的子。但是，仅仅计算我们在海平面上检测到多少个子系是不够的，因为我们没有南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第12页共55页10RRRCOS/1R准确的数字可以看出上层大气中有多少个子子。我们可以看看他们的数量如何随着他们必须旅行的距离已知的变化而变化。这是通过测量通过大气跟随不同路径长度的子的通量I到达与垂直方向不同的角度来实现的。数学推导以及一些参数的实验测量已经产生了以下接受的I的函数形式2COS0II（23）该模型的推导依赖于对地球和大气几何的高级数学分析。下面我们提出一个更简单的论据来证明这个模型的形状，并说明了需要考虑到学生们可能会为自己重现的相对论效应。我们必须考虑到对子孙的两个影响它们的指数衰减及其与大气的相互作用。为了简化几何，我们首先将地球近似为平坦，这是可以接受的，因为大气相对于地球半径的小高度，70的误差小于1。由于它们是带电粒子，微子与空气中的原子电离相互作用。通过电离的衰减程度与它们行进的路径的长度成正比因此通量将与路径长度成反比。由于路径长度与COS，I、2COS成反比。通过垂直路径归一化，子与大气相互作用的效果可以被建模为2COS0/II。由于子的衰变是指数级的，一些量子的等量分数将在相同的时间内衰减。我们可以假设，上层大气中产生的子数量在地球上是恒定的和均匀的，并且它们的能量分布在天空的所有部分是相同的。让在15KM的垂直路径上生存的子的分数为然后，在行进路径比垂直线长K倍的路径之后，存活的分数将为RK。使用与以前相同的几何参数，在入射角度路径上幸存的子的分数将为因此1COS1COS/10RRRII（24）结合这两个效应产生以下近似于角度与垂直度的子通量COS01COS1RII（25）方程（24）对任何这种指数衰减过程都是有效的，不包括或排除时间扩张南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第13页共55页1010R1010R的影响然而，R的值在每种情况下都是不同的。如果时间膨胀不影响子，那么如上所示。当我们包含时间扩张的影响时，具有不同能量的子对应于的不同值。我们通过使用R值在01和07之间的范围来计算子的能谱这些对应于具有约1GEV和8GEV之间的能量的子。归一化强度与入射角度的变化被绘制为图21中的线1。从图21可以看出，公式（25）（线2）的接受模型是对经历时间扩张（线2）的宇宙射线子通量的良好平均近似。然而，对于没有经历时间扩张的子而言，它不是一个很好的模型，如（线3）的等式（25）的曲线所示。这就建立了我们的实验我们必须以不同的角度测量宇宙射线子的通量，并将其结果与方程（24）和（25）给出的曲线进行比较，看时间扩张是否影响了子在我们预测的方式。图21探测器对时间扩张的检测南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第14页共55页3探测系统装置31简易的探测系统装置在这里，我通过参考大多数成功的子测量实验装置做一总览，它们的测量原理都是差不多的，当然这是我们只讨论闪烁体探测器探测的情况下。以下会总结很多探测系统的实例和样本图片。我们现在构造一种能够检测到以垂直方向到达特定已知角度的子的装置。该装置必须具有高特异性，因此背景辐射不会引起系统误差。下面我们将介绍一种创建方向性子检测器的简单而强大的技术符合检测。宇宙射线子是电离辐射，因此可以用诸如GEIGERMLLER管和闪烁检测器的仪器来检测。然而，这些仪器不是定向的并且将检测其他背景辐射。执行巧合检测技术克服了这两个问题。一致性检测涉及将两个检测器定向在另一个之上，并且在两者同时触发重合事件时观察。由于背景辐射的通量通常在每秒小于1次检测的数量级上，所以几乎可以肯定的是，同一个颗粒已经通过并触发了两个检测器。为了实际的目的，如果事件从小于该窗口分开的两个检测器到达，则选择一定的小时间间隔（即符合窗口）作为两个重合事件之间的最大时间间隔。使用合适的重合窗口，与所观察到的符合率相比，虚假重合率可以忽略不计。感兴趣的学生可能想使用泊松分布来计算虚假符合率，以模拟每个检测器的触发，并检查符合窗口的作用以确认此声明。这种技术为设备提供必要的方向性，因为导致重合事件的任何粒子必须源于由检测器的形状限定的天空的某个锥体。该锥体可以被定向以接收到达不同天顶角的子。锥体的孔径取决于检测器的分离，并且可以使用简单的三角法南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第15页共55页和所使用的检测器的尺寸来计算。一致性检测也使检测器对宇宙射线子的特异性。在地球表面，背景辐射主要由粒子，粒子和射线以及宇宙射线子组成。为了阻止地面辐射，在两个探测器之间放置一些薄片的铅。几乎没有地面和颗粒足够穿透以触发和退出一个检测器，并通过该引线屏蔽以到达另一个检测器。伽马射线通过康普顿散射电离物质。但是，这些事件非常罕见因此，一个伽马射线将能够通过两个检测器并且在每个检测器中引起康普顿散射事件的机会是可以忽略的。因此，陆地背景辐射几乎无法引起巧合。另一方面，宇宙射线子沿着它们的路径连续电离，并且是非常有活力的，因此它们很容易通过并触发两个检测器，导致重合事件。因此，我们可以放心地假设我们观察到的所有巧合事件都是宇宙射线。我们现在必须建立一个执行巧合检测的设备。下面我们介绍两种方法来做到这一点。在这两种情况下，我们概括我们的论点，以允许使用GM管或闪烁体光电倍增管检测器我们假设在触发时，每个检测器接收到窄电压脉冲。两个系统的图示31。南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第16页共55页图31两个探测系统电路图我们也可以在软件中进行巧合检测。为了做到这一点，我们需要将两个探测器的脉冲传送到在计算机上运行的程序。我们发现RASPBERRYPI计算机是理想的，因为它的GPIO端口。这有26个引脚，其中7个可以直接连接33V数字输入，并且可以通过软件读取状态（ON/OFF）或其状态（上升沿/下降沿）的变化。RASPBERRYPI的其他优点包括其简易的程序可用性，低功耗和小尺寸。首先，我们仔细测量来自检测器的脉冲电压，并使用两个电阻构建一个简单的分压电路，将脉冲电压降低到33V然后，我们将这些信号馈送到两个GPIO引脚。接下来，我们需要在脉冲到达这两个引脚之一时触发一些处理。我们可以使用中断服务例程在操作系统中注册并附加到计算机中某些事件的小套指令。一旦发生事件，任何连接到它的中断服务程序都将立即运行。由于它们具有如此高的优先级，因此中断服务程序需要尽可能少的处理，并快速地将控制权返回给操作系统。南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第17页共55页图32GM45探测系统我们为RASPBERRYPI编写了一些软件来执行巧合检测，使用开源“WIRINGPI”库将中断服务程序附加到两个GPIO引脚上的上升沿事件。每个中断服务程序简单地将其触发的时间写入存储器中的数组。一个单独的循环以较低的优先级运行，每秒执行一次，从上一次检查后读取内存中的所有时间，并将其写入文件和屏幕。一致检测现在包括简单地查看存储器中相对引脚上的相邻事件时间对，并检查它们的时间间隔是否小于或等于指定的重合窗口。该过程可以在运行时间内由较低优先级循环执行，也可以在通过后处理数据文件完成数据收集之后执行。探测宇宙射线中的子，大多数时候使用闪烁体探测器。闪烁体探测器是用电离辐射在某些物质中产生的闪光来探测电离辐射的。在此我们只讨论闪烁体探测器的情况。闪烁体探测器一般由闪烁体、光电倍增管和电子学仪器三部分组成。闪烁体探测器构成如下图南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第18页共55页图33闪烁体探测器的基本装置图如图33是闪烁体探测器的基本装置图，闪烁体部分的四周都被包裹着，但是有一侧必须要用光学玻璃材料，反射层的作用是更好的把闪烁体中的闪光有效的收集并且送达光电倍增管的光阴极上，当宇宙射线进入闪烁体，使得闪烁体的分子或者原子的能量增高，当然宇宙射线的能量会在碰撞闪烁体的过程中降低，使得闪烁体的分子或原子电离或者激发，退激时放出能量，以闪光的形式放出能量的方式居多，当然有时也会伴随着放热过程，退激的闪光被收集到光电倍增管的光阴极，在光阴极上由于光电效应打出光电子。光电子开始在光电倍增管的打拿级上倍增，大约每级打拿级能倍增的电子数目是36个，那么到最后一个电子从阴极倍增到阳极大约有10的4次方到9次方的电子。电子信号在阳极以电流或电压信号输出到电子学系统进行分析、甄别和放大等过程处理处我们所需的信号。本实验使用塑料闪烁体，塑料闪烁体是有机液体苯乙烯，通过加入第一发光物质对三联苯和第二发光材料POPOP，塑料的聚合。是一种非常通用的有机闪烁体。它可以测量，射线和各种宇宙射线和裂变碎片。南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第19页共55页图34简略的测量宇宙射线子的系统这幅图是简略的测量宇宙射线子的系统，当子进入闪烁体探测器，我们可以根据子的各方面特性来甄别出子，然后进行数据采集和图像处理。宇宙射线子进入地球表面首先需要穿过地球的大气层，而其穿过大气层需要损失能量，于是到达地球表面的子就带有很高的能量。根据观测记录发现到达地球表面的子，它们的平均能量就可以达到34GEV。子的注量率在地面上是一个子每平方厘米每分钟。子又具有极强的穿透能力。根据这些字特性我们设计探测系统。我们现在构造一种能够检测到以垂直方向到达特定已知角度的子的装置。该装置必须具有高特异性，因此背景辐射不会引起系统误差。下面我们将介绍一种创建方向性子检测器的简单而强大的技术符合检测。832参考的几个探测系统探测系统19南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第20页共55页图35基本探测系统此系统的工作原理是将进入闪烁体引起闪烁体退激发光并收集的信号作为子的到达信号，当闪烁体中已经停止的子发生衰变，产生的电子被闪烁体探测器探测，形成了子的衰变信号，子衰变的信号和到达探测器的信号之间的时间间隔称为子的一次衰变寿命。通过记录大量子的寿命，计算统计这些时间差，就可得到子的平均寿命。假设子的平均寿命是，因为粒子衰变服从指数规律，单个子在DT时间间隔里发生衰变的概率为ETDT（31）由于宇宙射线的通量很小，将子进入探测器看作是单个事件，第I个子进入探测器的时间是IT，子在时刻T发生衰变的概率为E/TTIT）（ID（32）第I个子进入探测器的时间是IT，那么在T内发生衰变的概率为EETTTTTTTTTIKKDTDTDPIIIII/T（33）EIITTK/（34）如果实验测到M个子事件，则在T内衰变的子总数N为南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第21页共55页11/1EETTMIIKKN（35）MIIKK110（36）探测系统211图36对比探测系统在这个装置中，由七根长条形的闪烁体组成，ABC为信号探测器，DEFG是反符合装置探测器。H是铅版。PMT安装在前端。当宇宙射线子进入这套实验装置时，首先在AB上损失能量，然后进入铅板H，在铅板中损失完全部能量后进入塑料闪烁体C中，C中探测到的是衰变后的子信号，探测的AB与C信号之间的时间间隔就是子的寿命。DEFG这四个塑料闪烁体其存在的价值就是消除本地噪声和其他杂乱信号。相比于前者这个系统的精确度更高。探测系统312南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第22页共55页图37十字交叉探测系统探测原理我们的第一个目的是测量子的寿命。如果我们的设备准确地衡量这个数量，那么我们可以放心，我们正在适当地捕获和分析子。我们用于测量衰减率的装置是图的简化版本，其包括附接到光电倍增管基座组件的小片闪烁体材料。该管连接到高电压，阳极输出进入示波器。重要的是要注意，该闪烁体被包裹在一层铝箔中，随后是一层电带，然后完全覆盖着厚而深的毡片。这消除了房间的光线，并确保设备中的任何光线都是由宇宙射线引起的。箔片中未被覆盖的闪烁体材料的唯一部分是连接到PMT的部分。PMT和闪烁体材料被具有类似折射率的光学耦合剂分离（以防止反射和光损失）。如模型中所述，当子穿过这个闪烁体探测器时，发射光子。这些光子由光电倍增管捕获，然后转换为电信号，由示波器读取。将来我们计划使用两杆设置来测量子通量的角分布。我们先把条子放在一个交叉的布置中。我们将收集两组数据来自顶部栏的数据和底部栏中的数据。通过使用一个简单的模型，我们可以确定子在该闪烁体的位置当所有四个PMT都被触发时，软件将只收集数据，以便我们可以自信地说，子在给定的区域进入我们的设备。如果我们对底栏做同样的事情，我们可以推断这个子的交叉区域。然后，我们使用这些数据来校准我们的设备，因为我们预期所有南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第23页共55页这些子的平均位置将在检测区域的中心。校准设备后，我们计划更改设置，以使条形平行。按照相同的程序，我们可以确定子在什么角度进入顶部栏。我们预期角分布将与2COS成比例。图38检验装备探测系统413探测系统4由一组由高压电源供电的MWPC组成。来自探测器的输出信号使用定制的前置放大器电路进行预放大。使用甄别器鉴别，根据背景噪声来选择这些信号。MT10跟踪板用于确定探测器内部的电离位置。数据采集卡（MTRDBOARD）从前置放大器和甄别器芯片以及跟踪板接收信号并将其发送到RASPBERRYPI计算机卡。南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第24页共55页图39（A）图39（B）图39（A）开发的MWPC（B）探测器组件的示意图。1MW的主体215001700V的高压电源3前置放大器和鉴频器芯片4跟踪板（或MT10）5数据采集板和6RASPBERRYPI电脑。南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第25页共55页设计的探测板是三层2020MWPC堆叠在一起的。每层由16个阳极和16个场线组成。接载高压HV的感测线（阳极）由12M厚的钨制成，而场线（地电位）由24M的铜制成。如图（310A）所示，阳极线分开12MM，场线在其间。电线放置在两侧的有机玻璃棒上，伸展在检测器支架上并固定在指定的PCB位置（图310B）。由于其成本效益和安全原因（不易燃，无毒混合物），使用ARCO2的混合气体，比例为8020。使气体流过检测器一段时间，以充分降低残留氧气的含量。图310（A）（B）探测板图311（A）（B）电子元件南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第26页共55页图312探测器的基本组件南华大学核科学技术学院2017届本科毕业论文第27页共55页4数据获得和处理41数据获得从我们的设备收集数据的最简单的设置是让示波器设置为在单个事件发生时触发，并从PMT收集信号读数。当子进入闪烁体时，通常会一直穿过并离开另一侧，导致产生光子。然而，可能的是，子失去了足够的能量，它不能再通过闪烁体探测器。在这种情况下，子停下来，然后在闪烁体里衰减。这样做会发出一个光脉冲。这个脉冲应该与由闪烁体入口处的子触发的数据一起显示出来，导致两个峰值出现在我们的示波器而不是一个。在图41中，我们可以看到我们的示波器收集的原始数据中的衰变事件的一个例子。基本上，示波器触发，因为光脉冲进入PMT，然后当示波器从该事件收集数据时，另一个光脉冲进入该设备。然而，通过将示波器设置为捕获四个事件并显示平均数据，我们可以捕获更多的衰变事件。这样做的原因在于示波器不捕获每个衰变事件，因为在处理数据并重新设置以捕获另一个事件时发生某些事件。通过计算平均数据，我们能够一次收集四个事件，当衰减事件与三个单一事件一起发生时，我们的平均输出仍然显示第二个峰值，但所述峰值的幅度较小。幸运的是，我们真正感兴趣的是探测器中靶核和衰变之间的时间，这个参数不会因