清苇大兽工程物理系 Department of Engineering Physics,Tsinghua Universlty 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()，到 达海平面，如图1所示。 初级李雷射线 兼子 相五作用 期玛 6相王作用 图1：宇宙线大气簇射过程
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。 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。 高压 闪烁体 光导 W PMT 示波器 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
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。 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
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： 闪烁体 光导带金属保护壳的光电倍增管 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
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。 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
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。 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，502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。 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。 光标调节 时间窗大小 和位置调节 标度调节 触发阈值 调节 信号线接口 图8：示波器
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。 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。 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。 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1x10],示波器阻抗为502，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l-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。 M10.05缩放系数：1008 噪声滤波器送闭 1 1●50.0mw Z100ns 0.00000s1/0.00V <10H2 类型 耦合 斜率 模式 由平 边站 声抑制 0.007 正常触发 12:09:12 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
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。 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
®k预暖 M100透抗M系数600X 声烫被墨关闭 220064009205T/-22M■ 30397四321投】 0:00/0:11 D 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。 ek预缆 M10.0s缩放系数：2508 噪声滤波署 测里 则里 频率 周期 源 上升时间 下降时间 延迟 50.0mw 240.0ns 添加 刷除 选通 在屏幕 配暖 执行添加 则童 指示器 屏幕 则里 自云动 光标 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
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。 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。 0:00 / 0:11
k运金 M1005缩放系教：500X 声读被器关闭 Z200形6.61040g1m/-700mN 06538优t0的1 0:0010:22 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。 1间k运行 自动 M10.0s缩放系数：250X 噪声滤波 波形显示 余辉时间 aoos 设为自动 清除余辉 1 50.0mw Z40.0ns 0.00000s1●/-90.0mW 12.6803Hz 平均 记录 延迟 水平 波形湿示 州显示 100k 开启关闭 设为0 关闭 细节 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
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。 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。 0:00 / 0:22
P、运行已被触拨 M1005编M系数25 噪声滤波器送领 240021452011\-256mY 412709地 D2//-11635？+21-302s2h7578 0:00/1:44 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1μs-3μs范围和3us-10μs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1μs-3μs附近和3μs-10μs 附近计算余波出现的概率。 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=nax上开+t不降)_ Vmax(t上升+t下降) 2 2R 其中，Imax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 Vmax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(1.6×10-19C): Q=Ge, 由此可以计算出电压幅度为： 2GeR Vmax ImaxR= (t上升+t下降)
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 范围和 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 附近和 附近计算余波出现的概率。 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。 其中， 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 和阻抗 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 乘以单个电子电荷量 由此可以计算出电压幅度为： 0:00 / 1:44 1μs − 3μs 3μs − 10μs 1μs − 3μs 3μs − 10μs Q = = , Imax(t上升 + t下降) 2 Vmax(t上升 + t下降) 2R Imax Vmax R G e (1.6 × 10 C) : −19 Q = Ge , Vmax = ImaxR = , 2GeR (t上升 + t下降)
可以和示波器上显示信号幅度互相验证。 动清第火兰
可以和示波器上显示信号幅度互相验证