Β2 - DETEKTOR SCYNTYLACYJNY POZYCYJNIE CZUŁY

Transkrypt

1 Β2 - DETEKTOR SCYNTYLACYJNY POZYCYJNIE CZUŁY I. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zasadą działania detektorów pozycyjnie czułych poprzez pomiar prędkości światła w materiale scyntylatora plastikowego metodą czasu przelotu. W doświadczeniu wykorzystuje się układ składający się z dwóch detektorów scyntylacyjnych, odczytywanych przy pomocy 3 fotopowielaczy (rys. 5). Źródłem światła jest scyntylacja materiału detektora w miejscu przejścia cząstki jonizującej. W naszym przypadku są to elektrony z rozpadu beta w źródle strontu. II. Ogólne informacje o pomiarach czasu przelotu w fizyce jądrowej W fizyce jądrowej konieczne są doświadczenia, w których mierzy się bardzo krótkie odstępy czasu, rzędu ns (10-9 s) do kilku µs (10-6 s). Przykładami mogą być pomiary czasów życia cząstek elementarnych lub stanów wzbudzonych jąder atomowych. Tego typu pomiary wymagają specjalnych technik. W doświadczeniu będziemy mierzyć opóźnienie jednego sygnału względem drugiego w koincydencji. Jednym z elementów ograniczających dokładność tego typu pomiarów są głównie fluktuacje związane z generowaniem sygnału logicznego przez dyskryminator. Podstawowymi tego rodzaju efektami są walk i jitter. Aby wytłumaczyć te efekty należy najpierw zdefiniować dwa pojęcia: czas narastania oraz próg (threshold). Czas narastania, t2 t1, charakteryzuje każdy impuls i jest to czas w którym impuls wzrósł z 10% wartości amplitudy do 90% (rys. 1). Próg jest to stała wartość amplitudy, niezależna od kształtu sygnału, dla której aparatura uznaje, że przyszedł impuls (rys. 2). Musi być wybrana tak, aby nie rejestrować szumów natomiast uwzględniać impulsy o małej amplitudzie. Problem walk związany jest z różnicą czasu przejścia dwu jednoczesnych impulsów przez zadany próg, koincydencyjne sygnały o różnych amplitudach przekraczają próg w innym czasie generując różne sygnały logiczne (rys. 2). Efekt ten występuje nawet wtedy, jeżeli impulsy mają ten sam czas narastania, a różnią się amplitudą. Problem jitter związany jest z szumem aparatury elektronicznej i statystycznymi fluktuacjami impulsu z detektora, które powodują, że dwa identyczne sygnały będą przechodzić przez próg w różnym czasie(rys. 4). Efekt jitter jest spowodowany między innymi różnicami w liczbie fotonów 1

2 tworzonych w scyntylatorze czy też różnym czasem propagacji elektronów i fotonów w scyntylatorze i fotopowielaczu. Wartość błędu czasu można obliczyć korzystając z rysunku 3 (σ time = σ noise / dv/dt ). Z powyższego wzoru można wywnioskować, że aby zmniejszyć ten efekt należy rejestrować impulsy gdy wzrost napięcia jest największy. Jedną z metod stosowaną w celu uniknięcia wyżej wymienionych efektów jest metoda stałej frakcji CTF (Constant Fraction Triggering). Polega ona na opóźnieniu sygnału wejściowego o τ d w stosunku do odwróconego i pomniejszonego o stały czynnik k (najczęściej k = 0.2) sygnału (rys. 4). Wartości τ d i k należy dopasować optymalnie w zależności od kształtu impulsu wejściowego. Tak uzyskane impulsy po dodaniu do siebie tworzą impuls bipolarny. Punkt w którym impuls uzyskuje zerowe napięcie jest czasem przejścia impulsu przez próg który nie jest zależny od amplitudy wejściowej impulsu. Metoda ta wymaga jednak aby impulsy miały stały czas narastania (aby uniknąć efektu "walk"). Wtedy przy stosunku wartości amplitud nawet 1/100 otrzymuje się dokładność ± 20 ps. III. Aparatura (rys. 5) 1. Dwa detektory scyntylacyjne - górny (plastik, ~ 310 mm dł.) oraz dolny (plastik, ~ 50 mm dł.) 2. Fotopowielacze /PM/ (prawy i lewy - do scyntylatora górnego, dolny do scyntylatora dolnego) 3. Wzmacniacze sygnału /AMP/ 4. Dyskryminatory typu Constant Fraction /CFD/ 5. Konwerter czas-amplituda Time to Amplitude Converter /TAC/ 6. Analizator wielokanałowy Hetman 7. Źródło 90 Sr 1. Podać wysokie napięcie na fotopowielacze: - prawy 1400 V - lewy 1000 V - dolny 1300 V IV. Przeprowadzenie pomiarów 2. Podać sygnały z fotopowielaczy na trzy najniższe kanały wzmacniacza (typ FL.8000). 3. Zaobserwować impulsy ze wzmacniacza przy pomocy oscyloskopu. Sprawdzić amplitudę (~800 mv), poziom szumów (~50 mv) i czas narastania (~4 ns). Porównać z nie wzmocnionymi sygnałami pochodzacymi wprost z fotopowielaczy. 4. Podadć sygnały ze wzmacniacza na dyskryminator CFD, sprawdzić przy pomocy oscyloskopu: a) szerokość impulsu logicznego (~100 ns) - regulacja śrubokrętem (pokrętło Width) b) ustawienie progu (Threshold) - w tym celu podać na oscyloskop impuls logiczny z dyskryminatora i impuls ze wzmacniacza (wyzwalanie impulsem logicznym). Próg powinien być ustawiony tuż powyżej poziomu szumów. 2

3 c) impuls bipolarny (wyjście Mon) - ustawić równe pola po obu stronach zera, zaobserwować efekt walk (rys. 5). 5. Kalibracja czasowa układu: - na start konwertera TAC podać sygnał z PM, na stop konwertera TAC podać sygnał z tego samego PM opóźnionego za pomocą linii długiej - wielkość amplitudy zarejestrować za pomocą analizatora wielokanałowego HETMAN - pomiary przeprowadzić dla różnych opóźnień z zakresu 1-10 ns (np. opóźniając sygnał startu przez dodawanie opóźniaczy nanosekundowych) - posłużą one do kalibracji czasowej układu tzn. do znalezienia zależności pomiędzy różnica czasu mierzoną przez konwerter TAC a numerem kanału analizatora. 6. Pomiar prędkości światła: - na start konwertera TAC podać sygnał z dowolnego PM, na stop podać sygnał z prawego PM (opóźniony za pomocą linii długiej) - wielkość amplitudy zarejestrować za pomocą analizatora wielokanałowego HETMAN - pomiar powtórzyć dla co najmniej kilku ( > 5) położeń źródła wzdłuż scyntylatora - powtórzyć pomiary, tym razem biorąc jako sygnał stopu, sygnał z lewego scyntylatora 1. Kalibracja modułu TAC. V. Opracowanie pomiarów Znaleźć wartości amplitudy sygnały z konwertera TAC dla wszystkich wykorzystanych opóźnień. Dokładną wartość wraz z błędem można otrzymać stosując np. fit Gaussa. Wykreślić zależność amplitudy od zastosowanego opóźnienia. Dopasować prostą, której współczynnik kierunkowy posłuży w dalszej analizie do przeliczenia numerów kanałów analizatora na opóźnienia. 2. Wyznaczenie prędkości światła w scyntylatorze. Dla wszystkich zarejestrowanych widm czasowych przeliczyć numery kanałów na opóźnienia. Dopasowując krzywe Gaussa znaleźć dokładne położenie pików wraz z błędami. Wykreślić zależność tak odczytanych opóźnień (czasów przelotu) od położenia źródła. Dopasować prostą metodą regresji liniowej i wyliczyć prędkość światła wraz z błędem (jako odwrotność współczynnika kierunkowego dopasowanej prostej). T31 = x/v y = A + B*x B = 1/v 3

4 3. Rachunek błędów: Błędy opóźnienia wyznaczyć z różniczki zupełnej. Błędy związane z odczytem położenia - przy pomocy fitu Gaussa. VI. Zagadnienia do przygotowania: 1. Oddziaływanie cząstek z materią. 2. Detektor scyntylacyjny, fotopowielacz - zasada działania. 3. Metoda stałej frakcji. VII. Zalecana literatura W. R. Leo "Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments" 1989, A. Strzałkowski "Wstęp do fizyki jądra atomowego". 4

5 5

6 6