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Sandbox Physics

主动散射靶 / 符合测量

Compton 符合能量分析仪

散射光子和反冲电子的能量加起来,等于入射光子的能量吗? 是的。每次散射,光子剩下的能量加上电子的反冲能,都等于入射光子的能量,与散射角无关。同一事件的两个脉冲前后只差几纳秒。不相干的脉冲也会碰巧挨这么近,可以拿时差很大的事件对来估算:那里全是偶然符合,按时间窗宽度折算后扣掉,再求能量和的平均。

主动散射靶记下反冲电子和散射光子各自的脉冲高度,以及两者到达的时间差。移动符合窗,扣掉时间旁带,再用留下的事件对估计入射能量。

交互模型Compton 符合能量分析仪

入射光子向右传播;探测器在选定角度朝向散射靶。路径与尺寸为示意,能量数据位于下方。

保留事件的标定脉冲高度

两路能量和到达时差都保留下来。

准直入射光子主动反冲靶双路能量与时差

每个候选对保留两个标定脉冲高度与时差。采集后仍可改变分析窗;模拟候选混合不描述源活度或触发计数率。

就绪,先预测再采集。

原始探测记录

同一次事件留下两份互补的能量。

Eγ/keV,Ke/keVE_\gamma/\mathrm{keV},\quad K_e/\mathrm{keV}

时间窗内时间窗外估计能量和

颜色只由时间窗决定,分析器不接收真符合标签。反冲能量在主动靶内沉积,不存在另一个电子收集器。

全部候选时差与互不重叠的旁带

选择瞬时窗,同时测量背景。

Δt/ns,Nbin\Delta t/\mathrm{ns},\quad N_{\rm bin}

由同一批原始对重新分箱

扣除旁带之后的能量和。

(Eγ+Ke)/keV,NP−αNB(E_\gamma+K_e)/\mathrm{keV},\quad N_P-\alpha N_B

青色为瞬时计数,金色为按窗宽缩放的旁带,紫色为两者之差及近似计数误差。负计数箱保留,源能量不输入这张直方图。

只用记录推断

保留的观测能说明什么

保留事件

—\text{—}

扣旁带入射能量

—\text{—}

近似标准误

—\text{—}

净瞬时超额

—\text{—}

旁带修正要求偶然符合的能量分布不随时差改变。瞬时窗的净超额太弱时,不报告能量估计。时间展宽极大时,真符合的 Gaussian 尾部可能漏进旁带;这种修正不是自动的背景分类器。

保存在内存中的对照

保存一次实验,比较或恢复完整设置与原始事件。

物理教程

Compton 符合能量分析仪

背景主动散射靶记下反冲电子和散射光子各自的脉冲高度,以及两者到达的时间差。移动符合窗,扣掉时间旁带,再用留下的事件对估计入射能量。

为什么值得理解常数不能从探测器上直接读出来,要靠标定好的响应,从保留下来的事件里推断。

先抓重点

核心问题
散射光子和反冲电子的能量加起来,等于入射光子的能量吗?
一句话直觉
模拟对源做了哪些假设,你从记录里又估计出了什么,这两件事要分开。

核心数学模型

光子和电子分走的能量

E0=Eγ+KeE_0=E_\gamma+K_e

反冲电子把能量全部留在靶里,散射光子把能量全部留在远处的探测器里。两路脉冲高度各带独立的分辨率噪声。

用时间旁带扣除偶然符合

Nnet=NP−αNBα=2w2(160−80) ns\begin{aligned}N_{\rm net}&=N_P-\alpha N_B\\[2pt]\alpha&=\frac{2w}{2(160-80)\,\mathrm{ns}}\end{aligned}

时差绝对值不超过所选半宽的事件对,算作瞬时符合。两侧旁带取时差绝对值在八十到一百六十纳秒之间的事件对。这样扣除,要求时间背景是平的。

由扣除后的能量和求入射能量

E^0=∑i∈P(Eγi+Kei)−α∑i∈B(Eγi+Kei)NP−αNB\widehat E_0=\frac{\sum_{i\in P}(E_{\gamma i}+K_{ei})-\alpha\sum_{i\in B}(E_{\gamma i}+K_{ei})}{N_P-\alpha N_B}

估计不用隐藏的事件分类,也不用源能量。扣除后变成负值的直方格照样显示。净超额太弱时,不报告能量估计。显示的标准误只是近似值,不是置信区间。

常见难点

模拟里已经写好了定律

容易误解能把源参数算回来,就独立证明了定律。

正确理解这些事件本来就是按这条定律模拟出来的,把参数算回来,检验的是测量和推断的步骤。它们不是历史观测,给不出参数的置信区间,也不算外部的科学认证。

动手实验

  1. 01

    采集候选事件对

    记下每个候选事件对的光子能量、靶能量和时差。

    你会看到: 瞬时符合的点沿能量和不变的直线聚集。灰点只是落在时间门外,并没有被标成背景。
  2. 02

    采集后再改时间窗

    改变分析半宽,不重新采集。

    你会看到: 原始事件对一个不丢。瞬时窗和旁带的计数、扣除后的能量和直方图,都由同一批事件重新算出。
  3. 03

    移除真符合

    选“没有关联事件对”,重新采集。

    你会看到: 时间门照样会放进偶然符合。旁带扣除和弱信息检查,会拦下数据撑不起的守恒估计。

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