核电子学与核仪器课件16
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核电子学与核仪器课件6[1]
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核电子学与核仪器课件6[1]
二、电荷灵敏前置放大器
n 2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
¨ 前置放大器的串联噪声和并联噪声
探测器-前置放大器第一级的信号和主要噪声源的等 效电路。
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核电子学与核仪器课件6[1]
二、电荷灵敏前置放大器
n 2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
（2）低温运用。当温度T低时，a噪声较小，而且 由于探测器漏电流及场效应管栅极漏电流减少也 使b噪声减少。特别是场效应管的跨导也与温度有 关，在一定温度范围内，gm值要比常温大一倍左 右。
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核电子学与核仪器课件6[1]
二、电荷灵敏前置放大器
n 2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
¨ 降低前置放大器噪声的措施
n 2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
¨ 前置放大器中a噪声和b噪声和c噪声
以a、b、c输入并联电流噪声表示的等效电路：
•等效输入端电流噪声
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•等效输出端电压噪声
核电子学与核仪器课件6[1]
二、电荷灵敏前置放大器
n 2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
¨ 前置放大器中a噪声和b噪声和c噪声
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核电子学与核仪器课件6[1]
二、电荷灵敏前置放大器
n 2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
¨ 前置放大器的串联噪声和并联噪声
当反馈足够深时 由图(a)
由图(b)
最终得到
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核电子学与核仪器课件6[1]
二、电荷灵敏前置放大器
n 2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
¨ 前置放大器的串联噪声和并联噪声
变换增益、输出稳定性、输出噪声、输出脉冲上 升时间及其稳定性、计数率效应
核医学讲义
核医学讲义绪论原子弹地爆时的景象苏联第一艘核动力潜艇美国第一艘核动力航空母舰我们看到的这些与核技术有关的武器是一个国家综合国力的体现，改变着世界的格局。
随着核技术的发展和学科的交叉渗透，核技术已经应用到科学技术的各个学科。
核技术是人类科学发展史上的一个里程碑，是科学现代化的标志之一。
再比如：核科学技术与农业的结合--核农学我国科学家利用核射线选育出的“鲁棉一号”以及花卉、水稻等新品种，带来了非常大的经济效益和社会效益，改变着我们的生活！核技术在工业上的应用--核电站目前我国在建和正在运行的核电站达到二十余座，为我国国民经济建设作出了重大贡献！核技术在医学上的应用--核医学（Nuclear medicine）这是一台先进核医学仪器—PET/CT，医生正在给病人作核医学检查。
核医学是医学专业的必修课。
一、概述（一）定义：核医学是核技术与医学相结合的综合性的边缘科学，是用放射性核素诊断、治疗疾病和进行医学研究的医学学科。
着重研究放射性核素和核射线在医学上的应用及其理论的基础。
核医学在现代医学上的应用非常广泛，涉及到医学各个学科。
（二）内容：1、实验核医学（Experimental nuclear medicine）：主要以实验核技术研究生命现象本质和物质代谢变化，并侧重实验核技术的方法学探讨以及在基础医学、生物医学等一些学科中的应用。
2、临床核医学（Clinical nuclear medicine）：研究核素、核射线在临床诊断和治疗中的应用技术及其理论，可分为：（1）诊断核医学：包括脏器功能测定、脏器显像、微量物质测定等。
（2）治疗核医学：如：131I 的甲亢治疗，32P 的敷贴治疗等。
核医学显像原理X 光 / CT代谢和功能显像 SPECT 或 PET正电子断层扫描（PET ）的原理是利用癌细胞会吸收大量葡萄糖，将18F-FDG 注入体内，癌细胞会大量吸收FDG ，接着会侦测出FDG 聚集部位，也就是肿瘤所在位置。
核电子学与核仪器课件17
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核电子学与核仪器课件17
符合曲线测量装置及符合曲线
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核电子学与核仪器课件17
三、符合
n 3.2符合电路
¨ 慢符合电路
n 慢符合电路的分辨时间范围 大概为10ns到10μs之间。慢 符合电路单元大多用与非门 作成。
n 实际符合电路都需要一个比 较好的输入成形级，使输入 信号成形为宽度相同且稳定 的脉冲信号。
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核电子学与核仪器课件17
¨ 快信号传输和传输电缆
n 在使用电缆传输信号时，需要区分所传输的脉冲 信号是快脉冲还是慢脉冲。由于所用电缆的传输 速 度 一 般 为 vp=3.3ns/m ， 所 以 信 号 在 电 缆 中 的 传 输时间为：t=vp·l。信号的上升时间tr<t为快脉冲； 上升时间tr>t为慢脉冲。
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核电子学与核仪器课件17
三、符合
n 3.1符合方法
•分辨时间：能够产生符合输出 的几个输入端脉冲之间的最大 时间间隔。
符合单元的工作波形
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核电子学与核仪器课件17
三、符合
n 3.1符合方法
符合电路所能识别的“同时”，不是严格的同时， 只表明两输入脉冲的到达时间在一定范围内。所 以tW越大，发生偶然符合的概率就越大。但是， tW也不能选得太小。由于探测器输出信号存在时 间涨落和实际的时检电路存在时间移动和晃动， 真符合事件产生的两信号可能不同时到达符合电 路，在tW过小时将有真符合计数损失，所以要根 据实际条件合适选择tW。选择时主要考虑的问题 就是真符合效率和偶然符合计数率。
¨ 起-停型时幅变换
时间间隔变换成脉冲幅度的最简单方法是在起始信号 与停止信号之间的时间间隔内，用恒定电流充电的方 法。
核仪器概论教学课件堆芯中子测量
中子测量是通过各种手段和方 法，对反应堆中的中子数量、 中子能谱和中子通量等进行监 测和测量的技术。
中子测量在核反应堆的启动、 运行、停堆和事故处理等过程 中发挥着至关重要的作用。
中子测量原理
中子测量的基本原理是利用中子与物质 的相互作用，通过测量中子与物质相互 作用后产生的次级粒子的数量、能谱和 角分布等参数，推算出原始中子的数量
器。
中子测量仪表
中子计数器
将中子探测器输出的电信号进行 处理和计数，以测量中子强度。 常见的有脉冲计数器和累积计数
器。
中子剂量计
用于测量中子剂量或剂量率，通常 由中子探测器和电子线路组成。
中子能谱仪
用于测量中子能谱，通常由多个不 同类型的中子探测器和电子线路组 成。
中子测量系统
中子监测系统
用于监测反应堆堆芯中子 注量率分布，通常由多个 中子探测器和数据采集系 统组成。
在核反应堆的运行监控、燃料管理、 安全控制等方面具有重要作用。
中子探测器种类
包括正比计数器、半导体探测器、液 态闪烁计数器等，每种探测器都有其 特定的应用场景和优缺点。
中子能谱测量技术
中子能谱测量原理
通过测量中子与探测器的相互作用，结合中子的能量信息，推断 出中子的能谱分布。
中子能谱测量的设备
包括谱仪、滤波器、准直器等，这些设备对测量结果的精度和准确 性有重要影响。
01
02
03
早期发展
20世纪初，核仪器开始出 现，主要用于放射性研究 和医学领域。
冷战时期
在冷战期间，核仪器得到 了快速发展，广泛应用于 军事、能源和科研领域。
现代发展
随着科技的不断进步，核 仪器逐渐向小型化、智能 化和多功能化方向发展。
核物理基础与核医学仪器课件：04-核医学射线测量仪器
条件：
输入的脉冲幅度大于预定的电压（阈值）
作用：
鉴别粒子能量是否大于阈值
5、 脉冲幅度分析器 构成：
两个电压幅度比较器
输入：
各种幅度的脉冲信号
输出：
恒定幅度的脉冲信号
条件：
输入脉冲幅度在下阈值和上阈值之间
作用：
分析粒子能量是否在能量窗内
上阈
电压
下阈
A
B
C
输入信号
输出信号 下阈 计 数 率
上阈
电压或能量
探测器
铅
铅
活度相对比较
准直器+固体闪烁探测 半影区 器+脉冲幅度分析器...衰减的影响
射线散射的影响
计数率特性
• 体内测量例1：甲状腺摄131I功能试验
• 患者空腹口服131I溶液2~10μCi，服后继续禁食1小时；于口服131I溶 液后4、6、24小时用γ射线探测仪测定甲状腺部位放射性计数。同 时需取与病人等量的131I配制标准源，并测定室内放射性本底计数。 按以下公式计算摄131I率，描绘吸碘功能曲线
液体闪烁计数器 医用核素活度计 比较
样品
晶体 光电倍增管 井型闪烁探测器
• 体外样品测量（2）
• 活度相对比较，如RIA • 井型闪烁探测器+脉冲幅
度分析器+...（ +自动换 样机构）
• 探测效率高
• 晶体、核素
• 注意事项
• 样品体积和位置 • 样品活度（？）
3、体内测量（in vivo）
• 基本要求 – 探测效率高 – 稳定性好 – 易于操作
• 可变因素 – 光电倍增管的供电高压 – 放大器的放大倍数 – 脉冲幅度鉴别器的阈值 – 脉冲幅度分析器的阈值和道宽
输入的脉冲幅度大于预定的电压（阈值）
作用：
鉴别粒子能量是否大于阈值
5、 脉冲幅度分析器 构成：
两个电压幅度比较器
输入：
各种幅度的脉冲信号
输出：
恒定幅度的脉冲信号
条件：
输入脉冲幅度在下阈值和上阈值之间
作用：
分析粒子能量是否在能量窗内
上阈
电压
下阈
A
B
C
输入信号
输出信号 下阈 计 数 率
上阈
电压或能量
探测器
铅
铅
活度相对比较
准直器+固体闪烁探测 半影区 器+脉冲幅度分析器...衰减的影响
射线散射的影响
计数率特性
• 体内测量例1：甲状腺摄131I功能试验
• 患者空腹口服131I溶液2~10μCi，服后继续禁食1小时；于口服131I溶 液后4、6、24小时用γ射线探测仪测定甲状腺部位放射性计数。同 时需取与病人等量的131I配制标准源，并测定室内放射性本底计数。 按以下公式计算摄131I率，描绘吸碘功能曲线
液体闪烁计数器 医用核素活度计 比较
样品
晶体 光电倍增管 井型闪烁探测器
• 体外样品测量（2）
• 活度相对比较，如RIA • 井型闪烁探测器+脉冲幅
度分析器+...（ +自动换 样机构）
• 探测效率高
• 晶体、核素
• 注意事项
• 样品体积和位置 • 样品活度（？）
3、体内测量（in vivo）
• 基本要求 – 探测效率高 – 稳定性好 – 易于操作
• 可变因素 – 光电倍增管的供电高压 – 放大器的放大倍数 – 脉冲幅度鉴别器的阈值 – 脉冲幅度分析器的阈值和道宽
核医学仪器设备PPT课件
首先病人需要摄入含有半衰期适当的放射性同位素药物在药物到达所需要成像的断层位置后由于放射性衰变将从断层处发照相机探头的每个灵敏点探测沿一条投影线ray进来的射线转化为能量较低但数量很大的光信号通过光电倍增管将光信号转化为电信号并进行放大得到的测量值代表人体在该投影线上的放射性之和
核医学仪器设备
1
第一节 核医学仪器分类及原理
8
三、断层图像的重建
SPECT常用的是 1、滤波反投影法
2、迭代法：核医学图像重建的首选方法。
9
四、仪器性能指标
1、γ相机性能指标：5点 2、SPECT断层性能指标：3点
10
11
主要临床应用
▪ 骨骼显像 ▪ 心脏灌注断层显像
▪ 甲状腺显像
▪ 局部脑血流断层显像 ▪ 肾动态显像及肾图检查 ▪ 阿尔茨海默症早期诊断
1、能峰测定：每日
2、每日均匀性：每日 3、旋转中心校正：定期
19
二PET/CT部分
1、本底检测 2、空白均匀性扫描
3、标准化设定
4、剂量与SUV值校正 5、PET图像与CT图像的配准校正
20
21
一、设备分类
1、活度计 2、放射防护仪器
3、显像设备
4、计数和功能测定仪器（非显像测定仪器） 5、体外分析仪器
2
二、射线探测的基本原理
1、射线探测的基本原理是以射线与物质相互作用为基础并根据使 用目的而设计，概括其原理主要有：
（1）、电离作用：通过探测器收集和计量射线电离时产生的大量+、 -离子，反映射线的性质和活度。收集电离电荷的探测器常由电离 室或者计数管组成。 （2）、荧光作用：闪烁体接受射线能量而进入激发态，当激发态 的原子退回至低能态时可发出荧光，探测器收集、计量，从而反映 射线的能量和数量。 （3）、感光作用：射线可使感光材料感光，通过感光强弱反映射 线的强度。
核医学仪器设备
1
第一节 核医学仪器分类及原理
8
三、断层图像的重建
SPECT常用的是 1、滤波反投影法
2、迭代法：核医学图像重建的首选方法。
9
四、仪器性能指标
1、γ相机性能指标：5点 2、SPECT断层性能指标：3点
10
11
主要临床应用
▪ 骨骼显像 ▪ 心脏灌注断层显像
▪ 甲状腺显像
▪ 局部脑血流断层显像 ▪ 肾动态显像及肾图检查 ▪ 阿尔茨海默症早期诊断
1、能峰测定：每日
2、每日均匀性：每日 3、旋转中心校正：定期
19
二PET/CT部分
1、本底检测 2、空白均匀性扫描
3、标准化设定
4、剂量与SUV值校正 5、PET图像与CT图像的配准校正
20
21
一、设备分类
1、活度计 2、放射防护仪器
3、显像设备
4、计数和功能测定仪器（非显像测定仪器） 5、体外分析仪器
2
二、射线探测的基本原理
1、射线探测的基本原理是以射线与物质相互作用为基础并根据使 用目的而设计，概括其原理主要有：
（1）、电离作用：通过探测器收集和计量射线电离时产生的大量+、 -离子，反映射线的性质和活度。收集电离电荷的探测器常由电离 室或者计数管组成。 （2）、荧光作用：闪烁体接受射线能量而进入激发态，当激发态 的原子退回至低能态时可发出荧光，探测器收集、计量，从而反映 射线的能量和数量。 （3）、感光作用：射线可使感光材料感光，通过感光强弱反映射 线的强度。
核电子学与核仪器
1．说明：核辐射探测器辐射探测器是将入射射线的信息(能量、强度、种类等)转换成电信号或其它易测量信号的转换器，即传感器或换能器。
是用来对核辐射和粒子的微观现象，进行观看和研究的传感器件﹑装置或材料。
2．核辐射探测的要紧内容有哪些？辐射探测的要紧内容有：记录入射粒子的数量(射线强度)，测定射线的种类，确信射线的能量等。
应用要求不同，探测的内容可能不同，利用的辐射探测器也可能不同。
3．常见的核辐射探测器按工作原理可分成哪几类？常见的辐射探测器，按工作原理可分成以下几类:①利用射线通过物质产生的电离现象做成的辐射探测器，例如，电离室、半导体探测器等。
②利用射线通过物质产生荧光现象做成的探测器，例如，闪烁计数器。
③利用辐射损伤现象做成的探测器，例如，径迹探测器。
④利用射线与物质作用产生的其他现象，例如，热释光探测器。
⑤利用射线对某些物质的核反映、或彼此碰撞产生易于探测的次级粒子做成的探测器，例如，中子计数管。
⑥利用其他原理做成的辐射探测器。
4．闪烁计数器由哪几个部份组成？答：闪烁计数器由闪烁体和光电倍增管等组成。
5．核辐射探测器输出的脉冲，其哪些参量与射线强弱、能量大小有着什么样的定性关系？入射射线强时，单位时刻内产生的脉冲数就多一些；入射粒子能量大时，产生的光子就多，脉冲幅度就大一些，从这些情形即可测知射线的强度与能量。
6．对用作核辐射探测器的闪烁体有哪些要求？①闪烁体应该有较大的阻止本领，如此才能使入射粒子在闪烁体中损耗较多的能量，使其更多地转换为光能，发出较亮的闪光。
为此，闪烁体的密度及原子序数大一些对测量γ射线是适合的。
②闪烁体应有较大的发光效率(也称转换效率)。
③闪烁体对自己发出的光应该是透明的，如此，闪烁体射出的光子能够大部份(或全数)穿过闪烁体,抵达其后的光电倍增管的阴极上，产生更多的光电子。
④闪烁体的发光时刻应该尽可能短。
闪烁体的发光时刻越短，它的时刻分辨能力也就越强，在必然时刻距离内，能够观测的现象也就更多，能够幸免信号的重叠。
核医学仪器
核医学仪器Document number：PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998第二章核医学仪器核医学仪器是指在医学中用于探测和记录放射性核素放出射线的种类、能量、活度、随时间变化的规律和空间分布等一大类仪器设备的统称，它是开展核医学工作的必备要素，也是核医学发展的重要标志。
根据使用目的不同，核医学常用仪器可分为脏器显像仪器、功能测定仪器、体外样本测量仪器以及辐射防护仪器等，其中以显像仪器最为复杂，发展最为迅速，在临床核医学中应用也最为广泛。
核医学显像仪器经历了从扫描机到γ照相机、单光子发射型计算机断层仪（single photon emission computed tomography，SPECT）、正电子发射型计算机断层仪（positron emission computed tomography，PET）、PET/CT、SPECT/CT 及PET/MR的发展历程。
1948年Hofstadter开发了用于γ闪烁测量的碘化钠晶体；1951年美国加州大学Cassen成功研制第一台闪烁扫描机，并获得了第一幅人的甲状腺扫描图，奠定了影像核医学的基础。
1957年Hal Anger研制出第一台γ照相机，实现了核医学显像检查的一次成像，也使得核医学静态显像进入动态显像成为可能，是核医学显像技术的一次飞跃性发展。
1975年M. M. Ter-Pogossian等成功研制出第一台PET，1976年John Keyes和Ronald Jaszezak分别成功研制第一台通用型SPECT和第一台头部专用型SPECT，实现了核素断层显像。
PET由于价格昂贵等原因，直到20世纪90年代才广泛应用于临床。
近十几年来，随着PET/CT的逐渐普及，实现了功能影像与解剖影像的同机融合，使正电子显像技术迅猛发展。
同时，SPECT/CT及PET/MR的临床应用，也极大地推动了核医学显像技术的进展。
第一节核射线探测仪器的基本原理一、核射线探测的基本原理核射线探测仪器主要由射线探测器和电子学线路组成。
核电子学与核仪器课件2[1]
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核电子学与核仪器课件2[1]
一、气体探测器
n 1.2电离室的工作机制
¨ 电离室的工作方式 (1) 脉冲型工作状态
记录单个入射粒子的电离效应，处于这种工作状态 的电离室称为：脉冲电离室。
(2) 累计型工作状态
记录大量入射粒子平均电离效应，处于这种工作状 态的电离室称为：累计电离室。
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对不同的气体，W大约为30eV。
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核电子学与核仪器课件2[1]
一、气体探测器
n 1.1气体中离子与电子的运动规律
¨ 电子与离子在气体中的运动
当存在外加电场的作用情况时，离子和电子除了与 作热运动的气体分子碰撞而杂乱运动和因空间分布 不均匀造成的扩散运动外，还有由于外加电场的作 用沿电场方向定向漂移。
一、气体探测器
n 1.1气体中离子与电子的运动规律
¨ 气体的电离与激发 入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用， 使电子获得能量而引起原子的电离或激发。 入射粒子直接产生的离子对称为原电离。初电离产 生的高速电子足以使气体产生的电离称为次电离。
总电离 =原电离+ 次电离
电离能W：带电粒子在气体中产生一电子离子对 所需的平均能量。
n 入射粒子通过电离、激发等效应而在探测器 中沉积能量；
n 探测器通过各种机制将沉积能量转换成某种 形式的输出信号。
•辐射探测器学习要点（研究问题）：
• 探测器的工作机制； • 探测器的输出回路与输出信号； • 探测器的主要性能指标； • 探测器的典型应用。
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核电子学与核仪器课件2[1]
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核电子学与核仪器课件2[1]
一、气体探测器
核电子学与核仪器课件
一、概述
1.3放大器的基本参量及测量方法
放大器的幅度过载特性
抗过载性能可用“过载恢复时间”来表示。其定义： 在给定过载程度的条件下，放大器输出波形回到基线 并保持在基线附近最大额定输出电压±1%的一个带内， 小信号增益已回到正常时所需要的时间。然而，由于 过载引起的下冲还与放大器的成形电路时间常数、输 入脉冲宽度有关，故通常是在一定成形时间常数下， 抗过载性能的表示：规定过载脉冲幅度为最大线性输 入幅度的多少倍，过载恢复时间则以不过载时的脉宽 多少倍来度量。
t'2 r2
t'2 rn
上升时间与带宽的关系： 快的上升时间相应有宽的频带，
0.35 f
tr
因此核测量用的脉冲放大器通常 是一个宽带放大器，而采用负反 馈是提高放大节上升时间很有效 的方法。
一、概述
1.3放大器的基本参量及测量方法
其它类型的一些放大器 (1)偏置放大器
(2)快脉冲放大器
快脉冲放大器是放大特别快的信号，往往要求在时间 信息方面使用。
An
1
Rf R
信噪比对比：
AS R f AS R R f
信号从同相端输入
An 1 An
二、谱仪放大器的放大节
2.2分立元件构成的 放大节电路
（1）采用差分放大器 作为输入级，可以提高 电路的抗过载性能。
二、谱仪放大器的放大节
2.2分立元件构成的 放大节电路
（2）采用交直流分开的 负反馈。从交流反馈来 看是电压串联负反馈， 故具有电压串联反馈的 一切优点。
放大器输出信号的形状，取决于成形滤波电路，所 以放大节上升时间必须比滤波成形电路的上升时间 小得多。
一、概述
1.3放大器的基本参量及测量方法
核电子学与核仪器-课件18
经推导：
Vo 涨落的均方值为：
V 2
nQ2 R 2C
Vo 的相对统计偏差为：
V Q nR (2C ) 1
Vo
nQR
2RCn
一、核脉冲计数
1.2计数率计
模拟式线性计数率计
需要注意的是，虽然增大RC，可以减少相对 统计偏差，但是却降低了响应速度。因为输出
电压读数相对输入计数率变化有着迟缓的响应
过程。设计数率突然从n1增加到n2，输出电压 Vo将按时间常数RC增长：
v(t)
（双稳）v1 (t ) （单稳）v1 (t )
通常使用双稳态电路成形。
v(t)
Q
v1 (t )
Q
一、核脉冲计数
数字式计数率计
用数字电路模仿泵电路的 方法，保留模拟计数率计 连续指示的优点。一般， 用计数电路存贮计数来代 替电容存贮电荷，用输入 脉冲数来代替定量电容给 出的电荷数，这样与充电 过程相对应的是计数电路 存贮计数，而放电过程则 对应为每隔一定时间在计 数电路已存的计数N中减 去一定的计数N/P。
nQ
Q
R
C
Vo Io
电路稳定后，单位时间内，电容上充入电荷 的量应等于释放的电荷量。C支路的平均电 流等于零。
所以加入C后不影响 V（或I ）∝ n 的关系。
一、核脉冲计数
计数率计读数的相对统计偏差
由于输入的是随机信号。所以V2、I2 将围绕 平均值涨落。虽加入C，但表头指针仍有一 定摆动，使读数产生误差。
一、核脉冲计数
1.2计数率计
模拟式线性计数率计
模拟式线性计数率计的组成
一、核脉冲计数
1.2计数率计
模拟式线性计数率计 电路原理
Q
（平均计数率为n）
核电子学与核仪器课件3
随机性（时间、幅度）
信号弱，但跨度大（ μV~几十伏） 速度快
路漫漫其悠远
核电子学与核仪器课件3
一、核辐射探测器及其输出信号
n 1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号
¨ 核辐射探测器的分类 给出信号（电信号与非电信号） 电信号： 气体探测器（气体电离室，正比计数器，G-M 管等） 半导体探测器（ P-N结、PIN结、高纯锗等） 闪烁体探测器（=闪烁体+光电倍增管）
路漫漫其悠远
核电子学与核仪器课件3
一、核辐射探测器及其输出信号
n 1.1核辐射探测器的要求和特点
核辐射测量中，最基本的特点是它的统计性，因 为在核辐射探测器中，射线与物质相互作用的过 程是随机的，且核衰变过程也是也是以一定的概 率性来表现的；所以，必须对大量事物的统计规 律作出相应的处理和分析。
¨ 核电子学信号的特点
等效噪声电压：
路漫漫其悠远
核电子学与核仪器课件3
二、核电子学中的噪声
2.1噪声对核测量的影响
等效噪声电荷（ENC） 为了判断核谱测量系统对电荷量、能量的分辨 程度，也可将系统的输出端噪声折算到输入端， 给出噪声所对应的等效噪声电荷或等效噪声能 量。
等效噪声电荷：
路漫漫其悠远
核电子学与核仪器课件3
路漫漫其悠远
核电子学与核仪器课件3
一、核辐射探测器及其输出信号
n 1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号
(1)核辐射探测器实质上就是一个能量-电荷转换器， 用于把抽象的核辐射信息转换成具体的电信号；
(2)对核辐射信息的处理实际上就是对探测器输出信号 的处理，从探测器输出信号中提取出核辐射信息，并 转换成相应的物理量；
n 2.2噪声的分类与噪声源
核电子学中的主要噪声有三类： 散粒噪声（探测器漏电流的噪声、场效应管栅极 漏电流噪声） 热噪声（场效应管的沟道热噪声、电阻原件的热 噪声） 低频噪声（场效应管闪烁噪声）
信号弱，但跨度大（ μV~几十伏） 速度快
路漫漫其悠远
核电子学与核仪器课件3
一、核辐射探测器及其输出信号
n 1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号
¨ 核辐射探测器的分类 给出信号（电信号与非电信号） 电信号： 气体探测器（气体电离室，正比计数器，G-M 管等） 半导体探测器（ P-N结、PIN结、高纯锗等） 闪烁体探测器（=闪烁体+光电倍增管）
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核电子学与核仪器课件3
一、核辐射探测器及其输出信号
n 1.1核辐射探测器的要求和特点
核辐射测量中，最基本的特点是它的统计性，因 为在核辐射探测器中，射线与物质相互作用的过 程是随机的，且核衰变过程也是也是以一定的概 率性来表现的；所以，必须对大量事物的统计规 律作出相应的处理和分析。
¨ 核电子学信号的特点
等效噪声电压：
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核电子学与核仪器课件3
二、核电子学中的噪声
2.1噪声对核测量的影响
等效噪声电荷（ENC） 为了判断核谱测量系统对电荷量、能量的分辨 程度，也可将系统的输出端噪声折算到输入端， 给出噪声所对应的等效噪声电荷或等效噪声能 量。
等效噪声电荷：
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核电子学与核仪器课件3
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核电子学与核仪器课件3
一、核辐射探测器及其输出信号
n 1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号
(1)核辐射探测器实质上就是一个能量-电荷转换器， 用于把抽象的核辐射信息转换成具体的电信号；
(2)对核辐射信息的处理实际上就是对探测器输出信号 的处理，从探测器输出信号中提取出核辐射信息，并 转换成相应的物理量；
n 2.2噪声的分类与噪声源
核电子学中的主要噪声有三类： 散粒噪声（探测器漏电流的噪声、场效应管栅极 漏电流噪声） 热噪声（场效应管的沟道热噪声、电阻原件的热 噪声） 低频噪声（场效应管闪烁噪声）
核电子学与核仪器课件15
核电子学与核仪器-课件 15
路漫漫其悠远
2020/11/19
核电子学与核仪器课件15
上次课关键点
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核电子学与核仪器课件15
本堂课主要内容
n 五、闪电型模数变换器 n 六、模数变换器的主要技术性能及其测量
6.1模数变换器的道宽、零点和积分非线性 6.2模数变换器的微分非线性 6.3计数率特性 6.4道剖面
滑 移 脉 冲 发 生 器 的 波 形
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核电子学与核仪器课件15
六、模数变换器的主要技术性能及测量
n 6.2模数变换器的微分非线性
滑移脉冲发生器的脉冲序列可表示为：
单位幅度间隔内的脉冲数：
微分非线性DNL为：
由各道计数偏差求得的各道道宽的相对偏差为：
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核电子学与核仪器课件15
六、模数变换器的主要技术性能及测量
路漫漫其悠远
核电子学与核仪器课件15
六、模数变换器的主要技术性能及测量
n 6.1模数变换器的道宽、零点和积分非线性
¨ 峰位法 模数变换器的积分非线性：
理想值与真实值之间的偏差为：
积分非线性为：
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温度变化
核电子学与核仪器课件15
六、模数变换器的主要技术性能及测量
n 计算积分非线性的更精确方法可以用最小二乘法 得到最佳拟合直线。
实测N个点，可得
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核电子学与核仪器课件15
六、模数变换器的主要技术性能及测量
n 由此可得到积分非线性为：
为了简便，实际工作中往往用近似方法计算。
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六、模数变换器的主要技术性能及测量
n 6.2模数变换器的微分非线性
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上次课关键点
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本堂课主要内容
n 五、闪电型模数变换器 n 六、模数变换器的主要技术性能及其测量
6.1模数变换器的道宽、零点和积分非线性 6.2模数变换器的微分非线性 6.3计数率特性 6.4道剖面
滑 移 脉 冲 发 生 器 的 波 形
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六、模数变换器的主要技术性能及测量
n 6.2模数变换器的微分非线性
滑移脉冲发生器的脉冲序列可表示为：
单位幅度间隔内的脉冲数：
微分非线性DNL为：
由各道计数偏差求得的各道道宽的相对偏差为：
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六、模数变换器的主要技术性能及测量
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六、模数变换器的主要技术性能及测量
n 6.1模数变换器的道宽、零点和积分非线性
¨ 峰位法 模数变换器的积分非线性：
理想值与真实值之间的偏差为：
积分非线性为：
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温度变化
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六、模数变换器的主要技术性能及测量
n 计算积分非线性的更精确方法可以用最小二乘法 得到最佳拟合直线。
实测N个点，可得
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六、模数变换器的主要技术性能及测量
n 由此可得到积分非线性为：
为了简便，实际工作中往往用近似方法计算。
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六、模数变换器的主要技术性能及测量
n 6.2模数变换器的微分非线性
《高等核电子学》课件
04
核电子学应用领域
核能科学与工程
01 核能发电
核能科学与工程领域利用核裂变或核聚变反应产 生的能量进行发电，解决能源需求问题。
02 核燃料循环
核燃料循环涉及核燃料的提取、加工、再处理以 及废物处理等环节，旨在实现核燃料的可持续利 用。
03 核反应堆技术
核反应堆是实现可控核裂变反应的装置，涉及到 反应堆设计、运行与维护等方面的技术。
高等核电子学
目录
• 核电子学概述 • 核电子学基础知识 • 核电子学实验技术 • 核电子学应用领域 • 核电子学发展前景与挑战
01
核电子学概述
核电子学的定义与特点
核电子学是一门研究核辐射探测、测量和处理的科学，主要涉及核辐射与物质的相互作用、探 测器的设计制作以及信号处理等方面。
核电子学具有高灵敏度、高分辨率和高可靠性等特点，广泛应用于核物理实验、核医学成像、 放射性计量等领域。
03
核电子学实验技术
核电子学实验设备与仪器
放射性探测器
用于检测放射性物质发出的射线，如闪烁 计数器、半导体探测器等。
信号处理电路
用于对探测器输出的信号进行预处理，如 滤波、放大等。
电子倍增器
用于放大微弱信号，提高信号的信噪比。
数据采集系统
用于采集和处理实验数据，如多通道数据 采集卡、数字化仪等。
核医学与放射生物学
放射性药物
核医学利用放射性物质进行疾病 诊断和治疗，放射生物学则研究 放射性物质对生物体的影响和作
用机制。
医学影像技术
核医学影像技术如PET、SPECT等 ，能够提供高分辨率、高灵敏度的 医学影像，有助于疾病诊断。
放射治疗
放射治疗是利用放射线消除肿瘤细 胞的方法，核医学与放射生物学在 放射治疗药物的研发和治疗效果评 估方面发挥重要作用。
核电子学与核仪器课件11[1]
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核电子学与核仪器课件11[1]
第三章关键点
n 谱仪放大器的放大节
并联负反馈与串联负反馈；同相输入与反相输入信 噪比的区别
n 谱仪放大器中的滤波成形
滤波成形的作用(抑制系统噪声、使信号形状满足 后续分析设备的要求)；白化滤波器与匹配滤波器； 滤波成形的信息畸变(弹道亏损、堆积畸变)；无源 滤波成形电路(极-零相消、积分滤波成形、准高斯 成形)；有源滤波成形电路；基线恢复器(CD恢复电 路、CDD基线恢复电路)；通用谱仪放大器
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•脉冲幅度 积分谱与脉
冲幅度微分 谱
核电子学与核仪器课件11[1]
一、脉冲幅度甄别器
用积分甄别器来获取幅度谱时，需要将测量的数据 进行相减计算。所以不仅费时间，而且还会增大误 差。为此，要求设计直接测量幅度的微分甄别器， 即单道脉冲幅度分析器。
•阈电压一定，幅度不同 •阈电压不同，幅度相同
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核电子学与核仪器课件11[1]பைடு நூலகம்
一、脉冲幅度甄别器
脉冲幅度选择的基本电路是脉冲幅度甄别器。它 有一个阈电压，称为甄别阈。输入脉冲幅度大于 给定的甄别阈时，输出一个脉冲，输入脉冲幅度 小于给定的甄别阈时则无脉冲输出。有无脉冲输 出输出可分别用逻辑“1”或逻辑“0”表示。
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n 二、单道脉冲幅度分析器
2.1单道脉冲幅度分析器工作原理 2.2单道脉冲幅度分析器实例 2.3单道脉冲幅度分析器技术指标
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核电子学与核仪器课件11[1]
第四章 脉冲幅度分析
从探测器出来的脉冲信号经前置放大器和谱
仪放大器放大后，需要进一步处理，处理方 式根据不同实验要求一般可以分成：脉冲计 数(强度测量)；脉冲幅度分析(能谱测量)； 脉冲信号时间分析(时间测量)。由此可知， 各种处理方式大多涉及到脉冲幅度信息的甄 别和分析。所以核脉冲幅度的甄别和分析成 为核电子学的主要研究课题。
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一、时间分析概述
n 所谓时间分析是指测量的两个相关核事件的时间 间隔概率密度分布。表征一个时间分析系统的主 要特性是时间分辨，它是指系统能分开两个事件 的能力。目前，用电子学方法测量最小时间间隔 约为10-13s。
n 电子学测量时间间隔的范围大概为10-3—10-12s之间。 通常μs量级的定时称为慢定时，ps量级的定时称为 快定时。
触发电路用作定时电路将会存在延迟。
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核电子学与核仪器课件16
二、定时方法
n 2.1前沿定时
¨ 前沿定时误差分析
将输入信号用方程式表 示如下：
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定时时间：
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二、定时方法
¨ 前沿定时误差分析
1）输入信号幅度和上升时间变化引起的时间移动
信号幅度变，上升时间不变：
噪声均方根值为vn 噪声引起的过阈时间的标准偏差
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二、定时方法
4）输入信号统计涨落引起的时间晃动
对于同一种类、同一能量的入射粒子，即使入射 到探测器同一区域，探测器输出信号的产生时间、 幅度和波形也是涨落的。信号的统计涨落将引起 定时的时间晃动。当然，如果定时电路能够消除 由于幅度和上升时间变化而产生的时间移动，就 能消除由于幅度和上升时间涨落而产生的时间晃 动。但是，探测器输出信号产生时间相对于粒子 入射时刻的涨落和信号波形的涨落，仍将引起定 时电路的时间晃动 。
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2020/11/19
核电子学与核仪器课件16
第四章关键点
n 脉冲幅度甄别器
工作原理、微分谱、积分谱、一般要求、半计数法
n 单道脉冲幅度甄别器
工作原理、实验用单道脉冲幅度分析电路的结构、 技术指标
n 用于幅度分析的模数变换器
模数变换方法的基本原理、变换系数与道宽
n 在时间的测量和分析中，首先是用定时方法准确 的确定入射粒子进入探测器的时间。时间上相关 的事件可以用符合技术进行选择。时间间隔可通 过变换的方法，变成数字信号，从而编码分类计 数最后得到时间谱。
n 本章主要介绍时间信息的甄别和分析，包括定时 方法、符合技术和时间变换等内容。
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核电子学与核仪器课件16
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核电子学与核仪器课件16
一、时间分析概述
（2）快前置放大器
为了取得快时间信号，要求有快速时间响应的前置放大器 以保持输出信号时间信息不变，如快电流灵敏前放。
（3）定时滤波放大器
用于定时的前置放大器输出信号有时还需进一步放大才能 驱动定时电路，这就需要一种快速的主放大器。
（4）定时电路
用来确定粒子进入探测器的时间，它应该使各种因素对定 时产生的误差为最小。
存在超阈延迟△1、△2、△3。输出信号的实际产
生时间将为td1’、td2’、td3’ 。 n 信号前沿斜率越小，超阈延迟通常越大，所以超
阈延迟的存在将增大时间移动。
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二、定时方法
3）噪声引起的时间晃动
a、时检电路输入信号上叠加的噪声引起的晃动，如图（a）。 b、时检电路本身的噪声引起的晃动，如图（b）。
定时误差通常按误差产生的原因分为
两类：时间移动和时间晃动。时间移
动是输入脉冲的幅度和波形的变化引
起定时电路输出脉冲定时时刻的移动。
时间晃动是系统的噪声和探测器信号 的统计涨落引起的定时时刻的涨落。
时间漂移：元件老化、环境温度或
电源电压变化（属于慢变化）引起 的定时误差。
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核电子学与核仪器课件16
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核电子学与核仪器课件16
n 线性门与展宽器
线性门(常闭线性门与常开线性门)、模拟展宽器 工作原理
n 线性放电型模数变换器
工作原理、参数调节与辅助电路、滑移标尺道宽 均匀器
n 逐次比较型模数变换器
数模变换器工作原理、逐次比较型模数变换器工 作原理、道宽均匀器工作原理 闪电型模数变换器、模数变换器的主要技术性能
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本堂课主要内容
n 一、时间分析概述 n 二、定时方法
2.1前沿定时 2.2过零定时 2.3恒比定时 2.4幅度和上升时间补偿定时 2.5最佳定时滤波器与定时滤波放大器 2.6定时单道脉冲幅度分析器
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一、时间分析概述
n 时间信息的分析是核电子学的一种基本和重要的 技术。核事件的许多信息是以时间信息方式存在 于核辐射探测器输出信息中。
iD
v1
vo
﹡
探测器
快放大器
时检电路
因为探测器输出的脉冲上升时
间变化范围很大，输出脉冲幅
t
度变化范围也很大，再加上噪
iD
t
声的影响，所以精确定时有一
v1
t
定的困难。
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vo 核电子学与核仪器课件16
t
二、定时方法
n 2.1前沿定时
电路原理
定时时间
前沿定时是检出定时信号的最简单方法，但是一个
信号幅度不变，上升时间变：
信号幅度、上升时间同时变：
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二、定时方法
2）超阈延迟 n 上面分析没有考虑甄别器的超阈延迟。实际上，
输入信号刚刚超过甄别阈时，甄别器并不立即产 生输出信号，而是要在信号超过甄别阈某一数值 后才触发；触发时间晚于上述的td1、td2、td3，分别
n 目前，电子学部件的分辨时间可以达到几个ps，
它比核辐射探测器的分辨时间小得多。因此，整
个时间分析系统的时间分辨首先受到探测器时间
性能的限制。
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二、定时方法
n 定时电路是核电子学中检出时间信息的基本单元，故 又称时间检出电路。它接收来自探测器的随机脉冲， 产生一个与输入脉冲时间上有确定关系的输出脉冲。
（5）时间变换器
把信号时间间隔变换成对应的数码，或者先将时间量变换
成数码。
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一、时间分析概述
n 对一个包含时间信息的信号，若要精确的确定时 间，理想的是产生一个像δ(t-t0)函数那样的时间脉 冲。但是实际探测器输出信号不是理想的δ(t-t0)信 号，而是具有一定宽度的电流脉冲。
一、时间分析概述
n ΔE—E飞行时间望远镜
实际测量中，ΔE—E探测器 输出信号是通过放大器、定 时电路、时间数字变换器等 部件组成的时间测量系统进 行获取和分析的。
定时道各个部件简介
（1）探测器与输出电路
用于时间分析的探测器要有快响应性能。为了保持探测器 输出信号的快时间特性，要求探测器输出电路有快的时间 响应相配合。