宇宙线μ子寿命测量电子学系统的研制
从1936年Carl D.Anderson发现μ子至今，对μ子已有八十年的研究历史。作为标准模型中的基本粒子，对μ子的研究非常重要。μ子的性质和电子相似，但穿透能力比较强。利用它的特殊性质，可以实现很多应用，例如μ子探针、μ子成像等。1941年，F.Rasetti首次直接测量得到了μ子衰变的平均寿命。测量μ子衰变的平均寿命是确定描述弱相互作用强度的费米耦合常数GF的重要方法。目前PSI(Paul Scherrer Institut)的Mulan实验利用μ子束对μ子的寿命进行精确的测量，并由此确定费米耦合常数。除了制备μ子束，可以使用来自宇宙线的μ子作为天然的μ子源进行μ子实验。传统上使用多个闪烁探测器相符合的方法，对宇宙线中的μ子进行寿命测量，实验装置比较复杂。 2010年，我校近代物理系高能物理实验室开发了一套专门用于高能物理实验教学的宇宙线μ子寿命测量装置。他们经过对探测器的模拟和分析，证明了使用单一闪烁探测器实现μ子寿命测量的可行性。这套实验装置已经被用于教学，并受到好评，但是当时考虑到实验的成本，设计的电子学系统的时间分辨为20ns。 为了进一步提高实验的测量精度，我们设计了新的电子系统。由于实验的特殊性，自行设计了专门用于本实验的时间测量TDC。基于直接计数型TDC和FPGA内游标型TDC两种实现方法，分别设计了两套电子学系统方案。直接计数型TDC将LVPECL计数器和主控芯片CY7C68013A内部的计数器相级联，实现了1ns的时间分辨，最大量程为16.7ms。系统测试结果表明，直接计数型TDC的时间测量精度好于2ns，并且系统的其他部分也均能达到设计要求。对FPGA内实现游标型TDC的方法进行了探索，设计了完整的FPGA逻辑。测试结果表明需要对测量结果进行修正，在短时间间隔下测量精度可以达到250ps，长时间间隔测量精度可达到3ns。 文章介绍了μ子的特点、宇宙线μ子寿命的测量原理、时间测量的方法等，重点介绍了两种电子学系统方案的设计方法。对创新的级联式直接计数型TDC和FPGA内游标型TDC的实现方法进行了详细的论述，最后对测试结果进行了分析总结并对进一步工作进行了展望。
宇宙线;μ子;寿命测量装置;电子学系统
中国科学技术大学
硕士
物理电子学
梁昊
2016
中文
O572.323
91
2016-09-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）