一种同时测量光在探测器里反射步长和Tyvek反射率的方法技术

本发明专利技术公开了一种同时测量光在探测器里反射步长和Tyvek反射率的方法。本方法为：1)将选取的内壁为高反射Tyvek材料的圆柱形探测器充满纯净空气，并设置一个光电倍增管；2)利用选取的光源在该探测器里照射，用光电倍增管采集光信号；3)改变该探测器内壁的反射面积，重复步骤2)；然后根据采集的光信号拟合得到不同反射面积时光子在该探测器的有效衰减长度λ’；4)根据步骤3)得到的数据，利用1/λ’＝‑ln(f)/L‑ln(r)/L拟合λ’关于反射面积占该探测器内壁面积比例r的对应点，同时测量出空气中Tyvek的反射率和平均反射步长。本方法操作简单且误差小精度高，原理新颖，具有很强的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种同时测量光在探测器里反射步长和Tyvek反射率的方法
本专利技术涉及一种通过测量光子数衰减测量光在探测器里平均反射步长和Tyvek内壁反射率的方法；通过测量光在内壁为漫反射为主高反射材料的圆柱形探测器里光子数衰减因子随反射材料面积的变化，用一种简易新型方法同时测量探测器里为空气时光在探测器里的平均反射步长以及空气中探测器内壁Tyvek的反射率。
技术介绍
Tyvek是美国杜邦公司生产的一种以漫反射为主的高反射材料，被广泛用做探测器反射材料和包装材料等。Tyvek的反射光85％以上是漫反射，剩下的是弥散镜面反射。空气中Tyvek对光的反射率可以达到90％以上。内壁为高反射Tyvek的圆柱形探测器被广泛应用于高能物理等实验中。例如Auger和LHAASO高海拔宇宙线探测器实验都用圆柱形内壁为Tyvek材料里面充满超纯水的水切伦科夫探测器作为缪子探测器。光子在探测器里反射一次平均走过的路程(反射步长)是决定探测器信号大小和性能的一个重要参数，知道光在探测器里的反射步长对理解探测器响应和反射材料的特性有重要意义。特定波长的光在探测器里的平均反射步长主要由探测器的结构以及光在内壁Tyvek上反射光强角分布随入射角度大小的变化。一般需要测量不同入射角的光打在Tyvek上时在不同反射角度上的反射光强分布才能近似得到漫反射比例和弥散镜面反射的角分辨等参数，然后将参数带入探测器模拟程序才能近似得到光在探测器里的平均反射步长。测量光在立体空间不同角度上的反射光强分布是一项很复杂的工作。而且反射光强角分布依赖于光波长和入射角以及探测器里的介质，这种方法复杂且只能近似得到光在探测器里的平均反射步长。以漫反射为主材料的反射率有一定程度依赖于光的入射角度和光波长以及材料所在的介质等。目前主要用积分球仪器测量漫反射为主材料的反射率，测量仪器价格昂贵一般只能去计量院测量且精度有待于提高。
技术实现思路
针对现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种同时测量光在探测器里反射步长和Tyvek反射率的方法。本专利技术的技术方案为：一种同时测量光在探测器里反射步长和Tyvek反射率的方法，其步骤为：1)将选取的内壁为高反射Tyvek材料的探测器里充满空气，并设置一个光电倍增管；探测器外面用黑色遮光布避光或放于暗室中；2)利用选取的光源在该探测器里照射，用所述光电倍增管采集光信号；3)改变该探测器内壁的反射面积，重复步骤2)；然后根据采集的光信号拟合不同反射面积时光子在该探测器的有效衰减长度λ’；4)利用公式1/λ’＝-ln(f)/L-ln(r)/L拟合有效衰减长度λ’关于反射面积占该探测器内壁面积比例r的对应点，通过拟合测量出空气中Tyvek的反射率和探测器里为空气时光在该探测器里的平均反射步长L。其中，f为该探测器内壁材料的反射率。拟合时f和L可以都设成待拟合的未知参数，通过最小二乘拟合可以拟合出f和L的精确结果。进一步的，该探测器内壁反射面的反射率大于90％且以漫反射为主。进一步的，该探测器为圆柱形探测器。进一步的，该圆柱形探测器的内径大于50cm、高度大于70cm。进一步的，根据N＝N0e-x/λ’得到不同反射面积时的该圆柱形探测器对应的有效衰减长度λ’，N为根据采集的光信号确定的N0个入射光子在该圆柱形探测器里运动距离x后剩余的光子数。进一步的，侧壁竖长条方式改变Tyvek的反射面积，每一次测量时所述Tyvek反射比例r均大于90％。进一步的，探测器里的介质里为纯净空气。进一步的，为了提高实验的精度，最好要求光在探测器介质里的吸收长度大于500米。所以要求实验时非严重雾霾天或将空气进行净化。进一步的，所述步骤4)中，首先根据步骤3)得到的数据拟合出不同反射面积时1/(-ln(f)/L-ln(r)/L)的结果即有效衰减长度λ’的值，然后利用公式1/λ’＝-ln(f)/L-ln(r)/L拟合有效衰减长度λ’关于反射面积占该探测器内壁面积比例r的对应点，通过拟合测量出空气中Tyvek的反射率和光在该探测器里的平均反射步长L。进一步的，该探测器内壁反射面为高反射Tyvek。本专利技术根据光子在内壁为漫反射为主Tyvek材料的圆桶里的反射与衰减原理，发展出了同时测量光在探测器里的平均反射步长以及空气中探测器内壁反射率的简易新方法。对于内壁为Tyvek材料的密闭圆柱形探测器，本专利技术通过模拟证明光子在探测器里反射30次以后达到充分混合，光子每次反射走过的平均路程为固定的值L。光速为v的光子在探测器里运动t时间对应的运动距离为x＝v×t，光子的反射次数为x/L。如果Tyvek不是密闭的而是部分区域有黑体吸光，光子打在黑体内壁上时全部被吸收，则探测器内壁的反射率为Tyvek的反射率f乘以Tyvek占内壁面积的比例r。本专利技术通过模拟证明，将圆柱形探测器内壁Tyvek在竖直方向减小与圆柱体大约等高的竖长条反射面积(竖长条方式)，Tyvek反射面积占探测器内壁比例r大于90％时，光子每次反射走过的平均路程即反射步长L基本不随Tyvek面积变化。光子在探测器里主要受探测器内壁的吸收和探测器里面介质的吸收而衰减。光在Tyvek上的反射率和在介质里的吸收长度依赖于光波长和探测器里的介质。假设Tyvek材料占内壁比例为r的圆柱形探测器里某时刻有N0个特定波长的光子，此波长光子对应的Tyvek的反射率为f，对应的介质吸收长度为λ。则N0个光子单纯由于探测器内壁的吸收造成光子数随运动距离的变化是N0*(f*r)x/L。N0个光子运动x距离单纯由于介质的吸收光子数变为N0*e-x/λ。联合作用下N0个光子在探测器里运动x距离后剩余的光子数为N0*e-x/λ*(r*f)x/L，联合表达为N0*e-x/λ’。将e-x/λ’＝e-x/λ*(r*f)x/L公式(即公式一)变形为1/λ’＝1/λ-ln(f)/L-ln(r)/L(即公式二)。则光子在探测器里的有效衰减长度λ’是由Tyvek反射率f、Tyvek占探测器内壁面积比例r、光在探测器介质里吸收长度λ以及光子在探测器里平均反射步长L联合作用决定的结果。若探测器里是纯净空气，空气对光的吸收相对于探测器内壁对光的吸收可以忽略，则1/λ’＝-ln(f)/L-ln(r)/L(即公式三)，有效衰减长度λ’由Tyvek反射率f、Tyvek占探测器内壁面积比例r和平均反射步长L联合作用决定。将圆柱形探测器里放一个面积足够小吸收可忽略的光电倍增管(PMT)接收光子，脉冲LED光在探测器里每次反射后会有部分打在光电倍增管上形成光子数随时间变化的信号。光子在探测器里多次反射充分混合后，PMT接收到的光子数随时间的衰减因子反映了探测器里总光子数随时间的衰减因子。用e指数函数拟合PMT采集的光子数随时间变化的谱形得到光子数随时间的衰减因子，并乘以光速将时间换算为距离得到光子在探测器里的有效衰减长度λ’。将PMT谱形时间乘以光速得到光子数随运动距离的谱形，用N0*e-x/λ’指数函数拟合光子数随运动距离的PMT谱形也可直接得到光子在探测器里的有效衰减长度λ’。侧壁竖长条方式改变Tyvek占圆柱形探测器内壁面积的比例并分别用脉冲LED发散光照射，用PMT测量得到不同Tyvek面积比例时光在探测器里的有效衰减长度，利用根据公式二1/λ’＝1/λ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种同时测量光在探测器里反射步长和Tyvek反射率的方法，其步骤为：1)将选取的内壁为高反射Tyvek材料的探测器里充满空气，并设置一个光电倍增管；2)利用选取的光源在该探测器里照射，用所述光电倍增管采集光信号；3)改变该探测器内壁的反射面积，重复步骤2)；然后根据采集的光信号拟合不同反射面积时光子在该探测器的有效衰减长度λ’；4)利用公式1/λ’＝‑ln(f)/L‑ln(r)/L拟合有效衰减长度λ’关于反射面积占该探测器内壁面积比例r的对应点，通过拟合测量出Tyvek的反射率和光在该探测器里的平均反射步长L；其中，f为该探测器内壁材料的反射率。

【技术特征摘要】
1.一种同时测量光在探测器里反射步长和Tyvek反射率的方法，其步骤为：1)将选取的内壁为高反射Tyvek材料的探测器里充满空气，并设置一个光电倍增管；2)利用选取的光源在该探测器里照射，用所述光电倍增管采集光信号；3)改变该探测器内壁的反射面积，重复步骤2)；然后根据采集的光信号拟合不同反射面积时光子在该探测器的有效衰减长度λ’；4)利用公式1/λ’＝-ln(f)/L-ln(r)/L拟合有效衰减长度λ’关于反射面积占该探测器内壁面积比例r的对应点，通过拟合测量出Tyvek的反射率和光在该探测器里的平均反射步长L；其中，f为该探测器内壁材料的反射率。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该探测器内壁反射面的反射率大于90％且以漫反射为主。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该探测器为圆柱形探测器。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该圆柱形探测器的内径大于50cm、高度大于70cm。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据N＝N0e-x/...

【专利技术属性】
技术研发人员：李秀荣，肖刚，左雄，冯少辉，李骢，王玲玉，程宁，
申请(专利权)人：中国科学院高能物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11