BUDOWA I OPIS DZIAŁANIA UKŁADU DOŚWIADCZALNEGO

 

        Budowa układu doświadczalnego służącego do wyznaczenia punktu pracy

 

 

        Układ składa się z detektora promieniowania jonizującego (zbudowanego z trzech liczników scyntylacyjnych) połączonego z odpowiednio do niego dobranym układem logicznym (rys. 3.2.1, rys. 3.2.2).

 

 

W scyntylatorze głównym (scyntylator #3) następuje zatrzymanie i rozpad mionu, zaś dwa scyntylatory pomocnicze (scyntylatory #1 i #2) służą do poprawiania jakości próbki (rys. 3.2.3, rys. 3.2.4).

 

 

 

Każdy ze scyntylatorów połączony jest za pomocą światłowodu z fotopowielaczem (rys. 3.2.5, rys. 3.2.6).

 

 

 

Sygnał analogowy wychodzący z fotopowielacza (rys. 3.2.7, kanał I) podawany jest na dyskryminator, a następnie już jako sygnał cyfrowy (rys. 3.2.7, kanał II) wchodzi do układu koincydencyjnego.

 

 

Przed wejściem do modułu koincydencji znajduje się przełącznik umożliwiający ustawienie odpowiednich koincydencji (1-2, 1-3, 2-3, 1-2-3). Następnie sygnał podawany jest do licznika impulsów.

 

        Opis działania układu doświadczalnego służącego do wyznaczenia punktu pracy

        Cząstka jonizująca przechodząc przez scyntylator wywołuje w nim krótkotrwały błysk światła (scyntylacje) na skutek zjawiska luminescencji. Powstałe w scyntylatorze fotony za pomocą światłowodu doprowadzane są do fotopowielacza i zamieniane na sygnał elektryczny. Dalej za pomocą dyskryminatorów sygnały analogowe są zamieniane na sygnały cyfrowe. Wysokość progu dyskryminacji musi być tak dobrana, żeby zniwelować szum fotopowielaczy, jak również, aby nie spowodować ignorowania właściwych impulsów. Szerokość wychodzących z dyskryminatorów impulsów cyfrowych wynosi 50ns z wyjątkiem dyskryminatora #2, którego impulsy mają długość 100ns. Impuls nie może być zbyt wąski, gdyż w takim przypadku jeden impuls z fotopowielacza mógłby dawać kilka impulsów cyfrowych. Nie może być również zbyt szeroki, ponieważ zwiększyłoby to prawdopodobieństwo zaistnienia przypadkowych koincydencji. Sygnały wychodzące z dyskryminatorów wchodzą do modułu koincydencji. W przypadku zaistnienia ustawionej za pomocą przełącznika koincydencji na wyjściu układu koincydencyjnego pojawia się sygnał, który jest zliczany przez licznik impulsów.

 

        Budowa układu doświadczalnego służącego do pomiaru czasu życia mionów

 

 

        Układ ten (rys. 3.2.8, rys. 3.2.2) jest modyfikacją poprzedniego układu. Sygnał pochodzący z licznika scyntylacyjnego #2 po przejściu przez dyskryminator jest negowany za pomocą bramki NOT. Wyjście modułu koincydencji zamiast z licznikiem impulsów połączone jest z modułem TDC (time – to – digital converter), który za pomocą kontrolera CAMAC połączony jest z komputerem. Dla przejrzystości schematu przełącznik znajdujący się w module koincydencyjnym nie został narysowany, gdyż do pomiaru czasu życia mionów potrzebne są sygnały pochodzące z wszystkich trzech liczników scyntylacyjnych.

 

        Opis działania układu doświadczalnego służącego do pomiaru czasu życia mionów

        Poprzez modyfikację układu logicznego połączonego z detektorem scyntylacyjnym, układ zamiast zliczać cząstki przechodzące przez detektor w ustalonym czasie mierzy czas życia mionów. Detektor jest czuły na większość cząstek jonizujących przez niego przechodzących, więc układ logiczny musi być tak skonfigurowany, żeby akceptował tylko miony, które zatrzymają się w detektorze, a następnie się rozpadną.

Gdy mion zatrzyma się w detektorze (rys. 3.2.9) na wyjściu fotopowielaczy #1 i #3 pojawią się impulsy. Pojawienie się dodatkowo impulsu na fotopowielaczu #2 oznaczałoby, iż cząstka przeszła przez detektor (rys. 3.2.9.a). Aczkolwiek w detektorze może zatrzymać się dowolna cząstka np.: elektron, który nie ulega rozpadowi (rys. 3.2.9.c), więc oprócz sygnału nadejścia cząstki musi pojawić się sygnał rozpadu cząstki. Rozpad mionu może dać impuls na wyjściu fotopowielacza #2 (rys. 3.2.9.d), fotopowielacza #3 (rys. 3.2.9.e) bądź fotopowielaczy #1 i #3 (rys. 3.2.9.f) w zależności od tego, w którą stronę poleci elektron pochodzący z rozpadu mionu. Jednakże w przypadku pojawienia się impulsu na wyjściu fotopowielacza #2 nie jesteśmy w stanie odróżnić czy mion zatrzymał się i uległ rozpadowi, czy po prostu jakaś cząstka przeszła przez detektor. Dlatego też sygnałem rozpadu mionu będzie pojawienie się dwóch kolejnych impulsów jedynie na wyjściu fotopowielaczy #1 i #3 (elektron emitowany podczas rozpadu mionu poleci w górę).

 

 

Na wejściu układu koincydencyjnego muszą się jednocześnie pojawić sygnały #1, #3 i negacja #2, aby na wyjściu pojawił się sygnał START lub STOP dla modułu TDC (rys. 3.2.10.a).

 

 

Opóźnienia impulsów są tak dobrane, żeby wchodziły one do modułu koincydencji w tej samej chwili (przewody, przez które przesyłane są sygnały powodują różne opóźnienia, które wyrównuje się za pomocą jednostek opóźniających). W przeciwnym wypadku układ koincydencji nie dawałby sygnału START / STOP w momencie zatrzymania i rozpadu mionu. Ponadto impuls pochodzący z dyskryminatora #2 pojawia się pierwszy i trwa dłużej od pozostałych impulsów. Ma to na celu zminimalizowanie ilości przypadkowych koincydencji spowodowanych np.: przez dwa miony przechodzące przez detektor w bardzo krótkim odstępie czasu.

Po pojawieniu się sygnału START uruchamiany jest licznik. Jednak może to być spowodowane zatrzymaniem się dowolnej cząstki, która się nie rozpadnie. Wówczas z powodu braku sygnału STOP licznik przepełni się i zostanie zresetowany. Gdy w odpowiednio krótkim czasie (max 8192 zliczeń40ns330) po sygnale START nadejdzie sygnał STOP zostanie otrzymany czas , który podany będzie w jednostkach własnych TDC (1bit = 40ns). Następnie informacja zostanie przekazana do komputera i zapisana na dysku. Warto zwrócić uwagę na to, iż sygnał START jest opóźniony o =111ns względem sygnału STOP (rys. 3.2.11). Opóźnienie to jest konieczne, gdyż podanie jednocześnie sygnału START i STOP na TDC nie miałoby sensu, ponieważ licznik w momencie uruchomienia byłby od razu zatrzymywany. Zmierzony czas jest tak naprawdę czasem pomniejszonym o wartość opóźnienia =111ns, jednak fakt ten nie ma wpływu na wynik obliczeń średniego czasu życia mionów, gdyż interesuje nas jedynie stała zaniku krzywej eksponencjalnej.