Время-пролетный эксперимент [[7]. Сцинтилляционные спектрометры по времени пролета / Бунятов С. А., Залиханов Б. Ж., Курбатов В. С., Халбаев А. // Приборы и техника эксперимента. - 1978. -№ 1 - с. 23 - 25.], [[8]. Бунятов С. A., Залиханов Б. Ж., Курбатов В. С., Халбаев A. “Сцинтилляционные спектрометры по времени пролета”, Препринт ОИЯИ, Дубна, 1976, №. 13 — 10156, 15 с.] с частицами высоких энергий, выполненный в 1976 году на синхроциклотроне Лаборатории ядерных проблем (ЛЯП) Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ), доказывает, что частицы высоких энергий движутся со сверхсветовыми скоростями.

В статье [[7]. Сцинтилляционные спектрометры по времени пролета / Бунятов С. А., Залиханов Б. Ж., Курбатов В. С., Халбаев А. // Приборы и техника эксперимента. - 1978. -№ 1 - с. 23 - 25.] приведено краткое описание эксперимента. Более подробно этот эксперимент описан в [[8]. Бунятов С. A., Залиханов Б. Ж., Курбатов В. С., Халбаев A. “Сцинтилляционные спектрометры по времени пролета”, Препринт ОИЯИ, Дубна, 1976, №. 13 — 10156, 15 с.].

1.1. Описание аппаратуры, использованной в эксперименте

На рис.1.1 показана упрощенная функциональная схема аппаратуры, которая была использована в этом эксперименте, на рис.1.2 показаны временные графики, поясняющие работу аппаратуры.

1 - анализирующий магнит; 2, 3 - сцинтилляторы; 4, 5 - фотоумножители; 6 - линия задержки; 7 - преобразователь "время - амплитуда импульса"; 8 - многоканальный анализатор амплитуды импульсов.

Световая вспышка в сцинтилляторе 2 превращается фотоумножителем 4 в электрический импульс v₁ (см. рис.1.2), который подается на вход линии задержки 6. С выхода линии задержки 6 электрические импульсы v₂, задержанные на промежуток времени t_delay по отношению к электрическому импульсу v₁, подаются на первый (стартовый) вход преобразователя 7 “время - амплитуда импульса”. Световая вспышка в сцинтилляторе 3 превращается фотоумножителем 5 в электрический импульс v₃, который подается на второй (стоповый) вход преобразователя 7 “время - амплитуда импульса”.

В момент времени t₂ прихода электрического импульса v₂ на первый вход преобразователя 7 “время - амплитуда импульса” он начинает вырабатывать электрический импульс v₄ с линейно нарастающим передним фронтом (см. рис.1.2).

Рис. 1.2. Временные графики, поясняющие работу аппаратуры

В момент времени

t₃ = t₁+ B/u (1.1)

прихода электрического импульса v₃ на второй вход время-амплитудного преобразователя 7 он прекращает вырабатывать передний фронт электрического импульса v₄ и вырабатывает короткий задний фронт импульса v₄. Если расстояние между сцинтилляторами 2 и 3 увеличивается до значения (B + a), задний фронт импульса v₄ вырабатывается в момент времени t₄ (см. рис.1.2). Итак, каждая частица, пролетающая сквозь сцинтилляторы 2 и 3, вырабатывает на выходе время-амплитудного преобразователя 7 электрический импульс v₄, амплитуда V_m которого определяется выражением

V_m=k·Dt, (1.2)

где k есть коэффициент преобразования время-амплитудного преобразователя;

Dt = t₃ - t₂ = t₃ - t₁ - t_delay= B/u - t_delay ; (1.3)

B - длина измерительной базы (см. рис.1.1); u - скорость движения частицы; t_delay - задержка импульса в линии задержки.

Линия задержки использовалась в этом эксперименте для того, чтобы обеспечить работу время-амплитудного преобразователя на линейном участке его характеристики, только для которого и справедлива формула (1.2). Импульсы v₄ с выхода время-амплитудного преобразователя 7 подаются на входную шину многоканального анализатора 8 амплитуды импульсов. Каждый канал многоканального анализатора амплитуды импульсов 8 содержит (см. рис.1.3): схему 9 сравнения амплитуды импульса с нижним пороговым опорным напряжением, схему 10 сравнения амплитуды импульса с верхним пороговым опорным напряжением, инвертор 11, схему совпадения 12 и суммирующий счетчик 13. Первые входы обеих схем сравнения 9 и 10 в каждом канале подсоединены к входной шине многоканального анализатора 8 амплитуды импульсов.

Рис. 1.3. Блок-схема одного канала в многоканальном анализаторе амплитуды импульсов: (9, 10 - схемы сравнения; 11 - инвертор; 12 - схема совпадения; 13 - суммирующий счетчик, 14 - входная шина шина анализатора амплитуды импульсов; 15 - нижнее пороговое опорное напряжение; 16 - верхнее пороговое опорное напряжение).

Второй вход каждой схемы сравнения в канале с номером i соединен с источником постоянного напряжения различной величины: на второй вход схемы 9 сравнения подается опорное напряжение Vⁱ_lower, которое служит в качестве нижнего порога для сравнения, а на второй вход схемы 10 сравнения подается постоянное опорное напряжение

Vⁱ_upper = Vⁱ_lower + DV, (1.4)

которое служит в качестве верхнего порога сравнения, где DV - дискрет измерения амплитуды импульсов. Причем нижнее пороговое напряжение в каждом следующем канале равно верхнему пороговому напряжению в предыдущем канале, т. е.

Vⁱ_lower = V^i-1_upper . (1.5)

Во всех каналах величина 

DV=Vⁱ_upper - Vⁱ_lower (1.6)

имеет одно и то же численное значение, благодаря чему

Vⁱ_upper = i DV; Vⁱ_lower= (i- 1) DV. (1.7)

Схема каждого канала анализатора амплитуды импульсов, показанная на рис.1.3, обеспечивает поступление импульсов на вход суммирующего счетчика 13 только в том канале, в котором

Vⁱ_lower < V_m < Vⁱ_upper . (1.8) 

Это означает, что если V_m есть амплитуда импульса v₄, показанного на рис. 1.2, то импульс v₄ поступит на вход суммирующего счетчика 13 канала, имеющего номер

n = { V_m/DV } + 1, (1.9)

где {N} - целая часть числа N (например, если V_m=9,3DV, импульс v₄ поступит на вход суммирующего счетчика канала, имеющего номер 10). На входы суммирующих счетчиков всех других каналов импульс с такой амплитудой не поступит. Если не одна, а 1000 частиц пролетят сквозь сцинтилляторы 2 и 3 и если для всех этих частиц целая часть числа V_m/ DV будет одинаковой, то импульсы v₄, порожденные всеми этими частицами, попадут на суммирующий счетчик одного канала. Это будет возможным, если скорости всех этих частиц одинаковы. В действительности частицы, пролетающие сквозь сцинтилляторы 2 и 3, имеют различные скорости. Поэтому импульсы v₄ с выхода время-амплитудного преобразователя 7 будут иметь различные амплитуды, и они поступят на суммирующие счетчики различных каналов анализатора 8. Таким образом, каждая частица, пролетающая сквозь сцинтилляторы 2 и 3, порождает на выходе время-амплитудного преобразователя 7 один импульс v₄ с амплитудой V_m, который подается на вход суммирующего счетчика канала, номер которого определяется уравнением (1.9). Если до начала эксперимента установить все суммирующие счетчики в нуль, а после прохождения сквозь сцинтилляторы 2 и 3 достаточно большого количества частиц определить числа, которые окажутся записанными в суммирующих счетчиках всех каналов, то мы получим распределения (спектры) частиц по времени пролета, показанные в [7], [8] и далее на рис.1.4, рис.1.5, рис.1.6 и рис.1.7. Подставляя уравнение (1.2) в уравнение (1.9), имеем

n = { ( k Dt )/DV } + 1 . (1.10)

Теперь введем в рассмотрение хронометрическую (временную) цену одного канала время-амплитудного анализатора

DT = DV/k . (1.11)

Тогда уравнение (1.10) превращается в уравнение

n = { Dt/DT } + 1 . (1.12)

Из уравнения (1.12) следует

Dt = (n - 1) DT . (1.13)

Если мы знаем DT, уравнение (1.13) позволяет определить физическую величину Dt с точностью ± 0,5 Dt, используя спектры из [8]. Подставляя уравнение (1.3) в уравнение (1.13), получим уравнение

u = B/[ (n - 1) DT + t_delay ], (1.14)

которое позволяет вычислить скорость u частицы с использованием известных значений величин B, n, DT, t_delay . Если в эксперименте трудно измерить величины B и t_delay с высокой точностью, а мы имеем возможность измерить изменение пролетной базы B с большой точностью, то мы можем вычислить скорость частицы с помощью уравнения

u_j = ( B₂ - B₁ )/[ ( n_2j - n_1j ) DT], (1.15)

которое может быть получено из уравнения (1.14).