第一章核电子学中的信号与噪声

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• 气体探测器 • 半导体探测器 • 闪烁探测器
三种类型。
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2.1 气体探测器
• 以单一气体或混合气体为工作介质。 • 常用的有电离室、正比计数器、G-M计数管等。 • 当被测粒子通过探测器的工作介质时,通过库仑散 射使得工作介质原子中的电子产生电离直接形成电 荷。其中电离室对电离电子没有放大而直接收集, 因而信号非常小,对电子学的要求比较高。正比计 数器和G-M计数管由于有了气体放大过程因而信号比 较大。
• 此为一个粒子产生的电荷量,正比于该粒子在探测 器中沉积的能量E。
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2.5 输出信号的幅度
• 假定在探测介质中产生一对电子/离子对或 电子/空穴对需要的平均能量为W (称之为平 均电离能),A为探测器内部或光电倍增管的 倍增系数,入射粒子在探测介质中产生的平 均电荷对数为 N E A
W
• 定义单位能量(1MeV)产生的平均电荷数为
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2.3 闪烁探测器
• 以闪烁晶体为探测介质 • 当被测粒子通过探测器的工作介质时,通 过库仑散射使得工作介质原子中的电子产 生激发,退激发产生荧光。 闪烁体探测器 的输出为光信号,必须通过光电倍增管PMT 或光二极管PD转换成电信号。
闪烁体探测器的结构和原理
• 闪烁体探测器的输出 电流波形比较复杂, 因为从闪烁体发光到 光电倍增管输出电流, 经过多种物理过程。 原子或分子受到射线 激发后,在退激发时 发出荧光,光强是指 数衰减的,而且一般 同时有几个时间常数。
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闪烁体探测器输出波形
• 光子在光电倍增管的阴极 上打出光电子。一个光电 子经过多次倍增后在阳极 上得到若干光电子,这就 是光电倍增管的平均倍增 系数。光电子到达阳极的 时间,相对于光电子的产 生时间有一定的延迟(渡 越时间)。光子脉冲在光 阴极上产生的光电子脉冲 NK 0 t / 为
nK
第一章 核电子学中的信号与噪声
第一节 辐射探测器及其输出信号 第二节 核电子学中的噪声 第三节 核电子学中信号与噪声分析基础 第四节 核电子学测量系统概述
第一节 核辐射探测器及其输出信号
• 一、核辐射探测器的要求及特点
核电子学的基本任务:采用各种核电子 仪器和装置,来获取并处理探测器输出的电信号, 并对测量数据进行分析记录。 辐射探测器输出信号的特征: 幅度大小不一 波形不尽一致 时间间隔不均匀 有统计特性
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脉冲的参数
• 脉冲携带的电荷量 -正比于入射粒子能量 • 脉冲出现的准确时刻 -确定粒子进入探测器的准确时刻 • 单位时间平均出现的脉冲数 -反映入射粒子的强度 • 脉冲形状 -跟粒子种类有关
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二、常用辐射探测器及其输出信号波形
辐射探测器的种类很多,但象气泡 室、乳胶室等没有电信号输出的探测器不是 核电子学研究的范围。核电子学处理的是探 测器输出的电信号。根据采用的介质的不同, 最常用的探测器有
Tn x0 / T
p
n p
0 ~ 10 0 ~ 10
6 3
s s
x0 /
Ne in n , (0 t T n ) d Ne ip p , (0 t T p ) d iD in i p
电离室输出电流波形
电离室的输出电流信 号包含有快成分(电子 电流)和慢成分(离子 电流)。在总输出电荷 Q为一定时这两部分电 流所占的比例与粒子入 射位置有关,使得电流 波形发生变化,因此能 量信息和时间信息的提 取比较复杂而且不易准 确。
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2.2 半导体探测器
• 包括硅面探测器,硅条探测器,硅微条探测 器和硅象素探测器等。当被测粒子通过半导 体的耗尽层时产生电子 - 空穴对,外接偏置 电路对电子进行收集形成电信号输出。
2.2.1PIN半导体探测器
• 平面PIN探测器是正负电极连于两边的N型区和P型 区,中间是本征层I,厚度为d。入射粒子在本征 层产生电子-空穴对。电子和空穴的收集过程和 平行板电离室一样,但电子和空穴的迁移率μ n和 μ p的差别很小,在常温时μ n≈2μ p。 当电场强 度达到102V/cm以上时,μ n和μ p趋于饱和,饱和 漂移速度 约为107cm/s。
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2.1.1平板电离室
• 入射粒子在电离室中产 生离子对后,电子和正 离子在电离室的电场作 用下逐渐远离,电子漂 向正极板,离子漂向负 极板。正负级板上的感 应电荷随之发生变化, 在外电路中分别产生电 流和。当电子和离子都 到达极板后(电子,离 子),电子感应电荷流 动形成的电子电流就中 止了。
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24相对分辨率我们也用相对分辨率来表征一个系统的分辨能力定义为由探测器的探测过程即电离激发退激发光电转换等过程的随机性引起的分辨能力1003625常见的几种探测器的分辨率从表中可以看出能量分辨率是半导体最好气体探测器次之而闪烁体比较差而时间分辨率则是闪烁体探测器为最好因此根据物理实验的需要选择合适的探测器非常重要而且要搭配合适的电子学系统
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四 辐射探测器的输出电路
• 电离室的输出电路 • 半导体探测器的输出电路 • 闪烁探测器的输出电路 -教材Page8~10
第二节 核电子学中的噪声
• 在信号的产生、传输和测量过程中,探测器和电子学的 噪声会叠加在有用信号上,从而降低测量精度,甚至某 些有用的微弱信号会被噪声所淹没。 • 通常用信噪比S/N(信号与噪声均方值的比值)来表示系 统的噪声指标。信噪比越高,噪音引起的测量误差越 小。 • 噪声与我们通常所说的空间电磁波感应、工频交流电 网以及电源纹波等外界干扰不同。这些干扰是外部的, 可以通过屏蔽、隔离、滤波、稳压等各种措施加以消 除或改善。噪音则是由所采用的器件本身产生的,原 则上是只能设法减小但不能完全消除。
nK
N K 0 t /0 e 0 Me 2

i al
e
(t Tt )2 2 T
i D ia ia1 n K
• ,其中Nk0为光阴极发射的 总光子数。
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0
e
0
部分常用闪烁体的衰减时间常数
• 闪烁体探测器可以用来测量能量也可以用来测量时间。 测量时间时,为了减少渡越时间及其涨落并得到比较 大的输出阳极电流,通常提高光电倍增管的工作电压。 此时的阳极电流接近饱和,与粒子损失能量失成线性 关系,但打拿极的电流仍然保持与粒子损失的能量保 持线性关系。若仍要同时获得幅度(能量)信息,可 以引出打拿极电流脉冲。
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正比计数管的电流
P ln( b/a ) 2 2 T ( T ) ( b a ) 0 .1~1 ms p p max 2 pV 0 iD ip ANe pV 0
2 2 2 P (ln( b/a )2[a ( b a ) t /T p]
• 由于碰撞电离只在信号丝附近发生,因而与初始 电离的位置无关。正比计数管的输出电流在达到 10-3时就下降到t=0时的百分之一,因电流波形 与初始电离位置无关,此时的电荷仍然与粒子损 失能量成正比,收集时间就缩短到了微秒量级。
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PIN半导体探测器的电流
Tn T
pin ip NhomakorabeaD • PIN半导体探测器的本 7 x 0 / n 0 ~ 10 s 征厚度d一般在10mm左 右,因而电子子和空穴 x 0 / p 0 ~ 10 7 s 的收集时间一般在10-7s Ne n , (0 t T n ) 量级,即在10-7s时间内 d 全部收集电子电流和空 Ne 穴电流的电荷,因而既 p , (0 t T p ) d 能保持比较好的固有能 in i p 量分辨率,又可以工作 在比较高的计数率下。
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噪声的表示方法
• 考虑一个常见的探测器与放大器组成的 测量系统。在系统的输出端测得电压信 号幅度Vo 和噪声均方根值Vno 输出信噪比表示为
S
N
V o
V no
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等效噪声电压
• 为便于在输入端与被测的物理量进行比 较,一般噪声也由输出端折算到输入端。 设放大器放大倍数为A,输入信号可以表 V V 示为 ,则等效到输入端的 A 等效噪声电压(ENV)为
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2.1.2 正比计数管
• 正比计数管为圆筒形(半径为 b),中间为信号丝(半径为 a),丝极相对于圆筒为正电 位,由于信号丝很细因而其附 近的电场强度很大。粒子电离 后产生的离子对中的电子向信 号丝漂移。当电子漂移至丝附 近时,在强电场中获得能量与 气体碰撞引起电离,产生出A 倍的离子对群。这一过程只在 信号丝附近的0.1mm的强场区 范围内发生,因而离子对群中 的电子瞬间就漂移到信号丝, 对输出电荷贡献不大。离子则 从中心漂向阴极圆筒,产生输 出的离子电流。
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2.1 噪声对测量的影响
• 噪声的时间平均值为零。但是只要有噪声存 在,起平均功率就不为零,因此通常采用均 方值(噪声电压的平方值按时间求平均)V 2 n 作为噪声大小的衡量尺度:
1T2 V lim V( t) dt 0 T T n
2 n
• 由于噪声电压是随机地叠加在信号电压上, 它会使原来幅度确定的信号,在平均值作上 下起伏。因而被测量的分辨率变坏。
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N e A E e V C w C
• 表中给出了1MeV能量的粒子的能量全部沉积在探 测器中时,产生的平均电荷对数及相应的输出电 压幅度。可以看出除了闪烁体探测器和正比计数 器以外,放大器是必须的。
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2.6 探测器输出信号的特点
• 都能产生相应的输出电流i(t),可看成电 流源。 • 输出电流有一定的形状,可用于时间分析。 • 在输出电容上取积分电压信号Vc(t),则 Vc(t)正比于E,可做射线能量测量。
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线性
• 探测器的线性是在一定范围内探测器所给出的 信息与入射粒子相应的物理量之间是否成线性 变化关系,比如探测器产生的离子对平均值与 所消耗的粒子能量E之间是否有线性变化关系。 上表列出了各种探测器的线性指标。 26
稳定性
• 稳定性是描述探测器的性能变化随温度及电源变化的指标。 稳定性越好,这种随动性越小。从表(2.2-4)中可以看出, 环境温度的影响是不可忽视的。而光电倍增管的高压电源 则要求其稳定性要好于千分之一或万分之一。
N A n E W
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• 对于闪烁体探测器,假设粒子在闪烁体中沉积 单位能量产生并到达光电倍增管的光阴极的平 均光子个数为n ,光电倍增管的光阴极灵敏度 为 ,平均倍增系数为 M ,后则有 n n 1 M • 若给定收集极输出电容C为10pF,则由 • 可以估算出输出电压幅度。其中e=1.6×10-19 库仑。
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2.4探测器简化等效电路
• 上节所述所有探测器的输出信号,可以用图 2.2-1 所示的简化等效电路来表示。其中 iD(t) 为粒子在 探测器中产生的电流信号, RD 和CD 分别为探测器输 出电阻和输出电容, RD(t) 一般从几百 kΩ 至几百 MΩ ,CD(t)一般从几个PF到几十PF。如果用一个负 载电容C对电流进行积分形成电荷Q, 我们有 • Q i D (t)dt (2-2-1) 0
三、探测器基本性能(指标)
• 探测效率
探测效率定义为探测器测量到的 粒子数目与实际入射到探测器中的粒子总 数的比值,在粒子物理实验中也称为几何 接收度。它是与探测器的尺寸,几何形状, 特别是对入射粒子的灵敏度、能区有关。
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分辨率
• 分辨率主要有能量分辨、时间分辨和空间分辨等,指探测器 在识别两个相邻的能量、时间、位置等量之间的最小差值的 能力。对这些量的测量,由于探测器的探测过程,即电离、 激发退激发、光电转换以及光电倍增管的倍增过程都是随机 的,在后续的电子学处理过程中噪声的贡献,使得被测量测 量值N围绕其平均值有统计涨落,其几率分布呈高斯:
N
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相对分辨率
• 我们也用相对分辨率来表征一个系统的分 辨能力,定义为 由探测器的探测过程,即电离、 激发退激发、光电转换等过程的随机性引 起的分辨能力
( FW ) HM N R 100 % 2 . 36 100 % N N
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常见的几种探测器的分辨率
• 从表中可以看出,能量分辨率是半导体最好,气体探 测器次之,而闪烁体比较差,而时间分辨率则是闪烁 体探测器为最好,因此根据物理实验的需要选择合适 的探测器非常重要,而且要搭配合适的电子学系统。
(N) e
NN ( ) 2N 2
• 式中 N
为标志涨落大小的标准偏差,=0.61时, | NN|N • 分辨率的表示除了用标准偏差以外,也用半高全宽(FWHM) 和全高全宽(FWTM)来表示。 • FWHM定义为=0.5时, 2 |N N | FWHM 2 . 36 N • FWTM定义为=0.1时, 2 |N N | FWTM 4 . 29
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