核电子学0_2(2007)
核电子学中的仪器标准
2019年6月6
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9
NIM＋GPIB标准
• 为了适应计算机技术的发展，1983年美国 NIM委 员会公布了“ NIM+数字数据总线标准 ” 即NIM ＋GPIB标准。
• 是NIM仪器的数字化改良，依据这个新标准所生 产的插件又叫CCNIM " Computer Controlled NIM"。计算机通过GPIB总线来控制插件的工作， 实现自动化测量和控制。
正逻辑标准：为电压信号，用在中低速逻辑电路（dc到 1MHz）。
电平标准
输出（必须送出） 输入（必须反应）
‘1’ +4~ +12 V
+3~ +12 V
‘0’ +1~ -2 V
+1.5~ -2V
上升时间 10ns~ 100ns 宽度 0.1~1s
输入阻抗1k 输出阻抗 10 或50
ECL Logic Signals
2019年6月6
Output (must deliver) Input (must respond to) High state –0.81 to –0.98 V(-0.9V) –0.81 to –1.13 V Low state 感–谢1.你63的t观o看–1.95 V(-1.8V) –1.48 to –1.95 V8
工业界的通用总线，近年来广泛应用于 核电子学领域
重点：
1. 核电子学仪器标准在哪些方面提出了规范要求？ 机械标准、电气标准和总线标准
2. 几种典型的标准
2019年6月6
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24
仪器的发展
2019年6月6
模拟仪器
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模数转换出
现代核电子学
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§2 多道分析器中数据获取系统
一．基本结构 二．硬件多道分析器数据获取系统组成 三．直方图（多道分析器）工作模式 四．多定标工作模式 五．基于计算机的多道分析器 六．数字化谱仪
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一、多道分析器基本结构
多道分析器的功能是将输入信号按其幅度大小或按其时间 间隔大小进行分类，然后按其类别作统计而获得计数按幅 度大小或按其时间间隔大小分布的关系。我们把这种分布 图称为直方图，从分布关系中可以得到脉冲幅度谱或时间 谱。 多道分析器在结构上分成两部分：模数转换器（ADC或 TDC）和数据获取和处理系统。
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数字化谱仪
• 数字化谱仪是数字信号处理技术在核电子学中的应 用是近代核电子学的一个重大发展，由于处理是在 数字领域进行，优越于模拟处理。 – 数字处理技术以它固有的适应性灵活性，能因地 制宜，易于相加，即使对苛刻的环境，几乎都很 容易合成任意的脉冲响应形状。 – 能组合出最佳脉冲响应形状继而降低串列噪声， 弹道亏损和堆积效应。 – 对核探测器探测事件的处理、滤波、修正基线漂 移，脉冲形状甄别比模拟处理精确。 – 数字滤波效果好，易于提高系统的能量分辨率。
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计数设备--计数率计
基本原理
– 为了测量信号的计数率且不受信号幅度和宽度的影响，需先将 信号成形为形状与幅度均为一定的电流脉冲ii(t)，脉冲的电荷 量为Q，在计数率为n时，流过电流表的电流I2的平均值为nQ， 电阻上降压V2平均值为nQR，正比于计数率n。 – 电容C为了减小信号在时间上的统计涨落，为了减小涨落，这 个电容越大越好；但是在计数率发生变化时， V2要达到稳定， 需要一定建立时间，建立时间应为 5RC，C值越大，建立时间 就很长， C值应该取得适量 。
ADC 或 TDC
核电子学习题+答案+课后答案
,
噪声均方值：
对B点：
，
噪声均方值：
第二章
2.1电荷灵敏前置放大器比电压灵敏前置放大器有什么优点？为什么把反馈电容称为积分电容，作用是什么？
优点：VOM稳定性高，能用高能量分辨能谱系统
Cf起积分作用，当A很大时，
2.2试对下图典型的电荷灵敏前置放大器电路在输入冲击电流I(t)=Q·δ(t)时，
1
【判断题】
电荷灵敏和电流灵敏析系统。
错
2
【判断题】
要提高放大电路输出稳定性，减小相对变化量，一般要求放大器开环增益A0必须很高。
对
3
【判断题】
信号由基极输入，发射极输出，构成共集电极放大电路，又叫射极跟随器。
对
4
【判断题】
放大电路中的自举电容，从本质上来说起到一种特殊形式的正反馈。
7.定时误差通常按误差产生的原因分为两类：___时移___和___时晃_。
8.放大器输出信息中，总是由：_信号__,__噪声__,__干扰__组成。
二、选择题：（每题2分，共20分）
1.下列探测器中，能量分辨率最佳的是（B）
A.闪烁体探测器B.半导体探测器C.电离室D.气体探测器
2.CR微分电路（高通滤波器）的频率响应为（A）
优点：有源滤波器更接近于理想的微分和积分特性，把放大和滤波成形连在一起，既节省元件，又比无源滤波器级数少，效果好。
4.改善放大器线性的方法，可以简单归结为：（1）合理选择工作点__。
（2）__采用负反馈_。
5.谱仪放大器基本上由____放大电路__和滤波成形电路组合而成，对滤波成形电路来讲，有_弹道亏损_____和__堆积畸变_两种信息畸变。
6.脉冲幅度甄别器是将__模拟脉冲__转换成__数字逻辑脉冲_输出的一种装置。
核电子学习题解答
习题解答第一章绪论1、核信息的获取与处理主要包括哪些方面的？①时间测量。
核信息出现的时间间隔是测定核粒子的寿命或飞行速度的基本参数，目前直接测量核信息出现的时间间隔已达到皮秒级。
②核辐射强度测量。
核辐射强度是指单位时间内核信息出现的概率，对于低辐射强度的测量，要求测量仪器具有低的噪声本底，否则核信息将淹没于噪声之中而无法测量。
对于高辐射强度的测量，由于核信息十分密集，如果信号在测量仪器中堆积，有可能使一部分信号丢失而测量不到，因此要求仪器具有良好的抗信号堆积性能。
对于待测核信息的辐射强度变化范围很大的情况(如核试验物理诊断中信号强度变化范围可达105倍)，如测量仪器的量程设置太小，高辐射强度的信号可能饱和；反之，如量程设置太大，低辐射强度的信号又测不到，因此对于这种场合的测量则要求测量仪器量程可自动变换。
③能谱测量。
辐射能谱上的特征是核能级跃迁及核同位素差异的重要标志，核能谱也是核辐射的基本测量内容。
精确的能谱测量要求仪器工作稳定、能量分辨力达到几个电子伏特，并具有抑制计数速率引起的峰位和能量分辨力变化等性能。
④位置测量。
基本粒子的径迹及空间位置的精确测定是判别基本粒子的种类及其主要参数的重要手段。
目前空间定位的精度可达到微米级。
⑤波形测量。
核信息波形的变化往往反映了某些核反应过程的变化，因此核信息波形的测量是研究核爆炸反应过程的重要手段，而该波形的测量往往是单次且快速(纳秒至皮秒级)的。
⑥图像测量。
核辐射信息的二维空间图像测量是近年来发展起来的新技术。
辐射图像的测量方法可分为两类：第一种是利用辐射源进行透视以摄取被测物体的图像；第二种是利用被测目标体的自身辐射(如裂变反应产生的辐射)以反映目标体本身的图像。
图像测量利用计算机对摄取的图像信息进行处理与重建，以便更准确地反映实际和提高清晰度。
CT技术就是这种处理方法的代表。
2、抗辐射加固主要涉及哪些方面？抗辐射加固的研究重点最初是寻找能减弱核辐射效应的屏蔽材料，后来在电路上采取某些抗辐射加固措施，然后逐渐将研究重点转向对器件的抗辐射加固。
核电子学第2课探测器ppt课件
特点：有入射窗，常用Be(铍)窗。
多丝正比室和漂移室
多丝正比室的阴极为平板，阳极由平行的细丝组成多 路正比计数器。位置灵敏度达到mm量级，为粒子物理 等作出巨大贡献，于1992年获诺贝尔物理奖。
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
一、气体探测器
1.3脉冲电离室
电离室处于脉冲工作状态，电离室的输出信号仅反
映单个入射粒子的电离效应。可以测量每个入射粒
子的能量、时间、强度等。
脉冲电离室的输出信号：电荷信号，电流信号，电
压信号。
Q Ne E e W
电离室是一个理想的电荷源（其外回路对输出量无 影响）。
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
一、气体探测器
气体放大过程中正离子的作用 离子漂移速度慢，在电子漂移、碰撞电离等过程
中，可以认为正离子基本没动，形成空间电荷， 处于阳极丝附近，会影响附近区域的电场，使电 场强度变弱，影响电子雪崩过程的进行。 正离子漂移到达阴极，与阴极表面的感应电荷中 和时有一定概率产生次电子，发生新的电子雪崩 过程，称为离子反馈；也可以通过加入少量多原 子分子气体阻断离子反馈。
一、气体探测器
平板型电离室
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
一、气体探测器
圆柱型电离室
病原体侵入机体，消弱机体防御机能 ，破坏 机体内 环境的 相对稳 定性， 且在一 定部位 生长繁 殖，引 起不同 程度的 病理生 理过程
核电子学及其进展
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探测器的固有晃动
• 不同的探测元件电流信号输出的时间晃动不一样， 它的产生原因也不相同，大致因为载流子在探测器 内运动途径不同造成的 。
• 例：闪烁体和光电倍加管（PMT）组成的闪烁计数 器，由于粒子击中的位置不同使光传输到PMT的时 间不同，使得其输出信号的时间发生差异，而击中 的位置往往是随机的，因而信号输出的时间产生时 间晃动。
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恒比定时甄别原理
➢ 用经延迟后的输入信号与经过衰减倒相后信号相加之 后产生一个双极性信号，该信号从负极性变到正极性 的过零时刻与信号幅度无关，在此时刻的信号值与总 幅度之比为一恒值。过零甄别器起到在双极性信号的 过零时刻检出信号的作用。
恒比定时甄别原理
➢ 用 ui(t)来近似描述输入信号:
经过衰减倒相后信号（其中为衰减因子）：
• 甄别器需要有稳定的阈电压。 阈电压的产生程控设置的 DAC 提供。 为了减少噪声和外部干扰的影响，得到稳定的阈电压，对DAC提供 的输出电压采取了衰减和有源滤波等有效措施。
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恒比定时甄别器（CFD）
• 提出恒比定时的基本思路 • 恒比定时甄别原理 • 恒比定时甄别器实现
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提出恒比定时的基本思路
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时间间隔测量
• 时间间隔测量应用实例 • 时间分析器的基本功能
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时间间隔测量应用实例
• 飞行时间计数器是在高能物理实验中经常用到的探测器系统，用来测量带 电粒子的飞行时间，其主要功能是通过所测量粒子的飞行时间信息，结合 其它探测器测得粒子的动量和径迹，从而辨别粒子的种类。
• 测量探测器的信号和e+ e-的作用发生时刻之间的时间间隔，就可以测量到 粒子的飞行时间信息。
《核电子学》课件——堆积判弃电路
允许最高计数率
• 逻辑展宽电路对每一个信号都要给出持续时间为一个 监察周期的信号输出，当在监察周期Tip内又出现的信 号可以再维持一个监察信号的宽度。输入信号的计数 率增高到1/Tip 时，监察周期的持续时间可以一直持续 下去，即死时间也一直持续下去，使可以记录到的信 号趋近于0。
• 堆积判弃电路能够改善较高计数率下的能谱，但输入 的计数率不能过高，否则输出计数率反而变小，所需 要的测量时间增长。
其他类型的基线恢复器
CDI有源基线恢复器
vc
Ｃ
v1
改善跟踪基线变化速度
ＡＤ
0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
S
1
v2
vs
I
只要输入信号基线电平上升速度小于电容的跟踪速度（此时， 由电容和恒流源电流决定I/C）， 此电路可以比较迅速地跟踪 信号基线。但如果要使信号通过期间避免幅度损失，需要开 关控制电路使S打开，线路复杂。
无源对称CDD基线恢复器: 双极性脉冲的基线恢复
开门：线性门开放，脉冲信号以最小畸变通过线性门，传 输系数为一常数，通常取1；
关门：线性门关闭，脉冲信号无法通过线性门，即它的传 输系数为0。
vi(t)
vo(t) 线性门
vi(t)
vs(t)
(a)
vs(t)
vi(t)
vo(t)
vo(t)
vs(t)
(b)
vo(t)
t 关
t (c)
t (d漏)信号 漏信号
堆积后的输出波形
iD 0
vo
TW
vo
TW
t
Tw为信号峰部的宽度，TM为达峰时间
（峰）堆积判弃原则
后信号峰值
有堆积
前信号峰值
核电子学习题答案
在核辐射测量中，最基本的特点是无论在信号的时间 特性上，或是幅度分布上，都具统计特性、非周期性、 非等值性，核电子学分析这种信号，经处理得到有用
的信息。
核探测器输出信号具微秒到皮秒的时间间隔和毫米到 微米级的空间分辨，对后续处理电路的要求高。
C.
d. 反
t<T/2 -T/2≤t≤T/2频谱：
1.10电路中，若输入电压信号V;(t)= δ (t), 求输出电压信号V。(t), 并画出波形图，其中 A-4为隔离用。
隔离作用
解：
a.传递函数：
b.Vi(t)=δ(t) V;(S)=1
c.输出信号在复频域中的表达式
引出问题二
c.根据时域卷积，频域相乘性质，求出输出信号在复 频域中的表达式；
V。(S)=V,(S)H(S)
d.其反拉斯变换，得到输出信号U。(t)在时域中的表 达式。
问题一：传递函数
(1)定义：在零状态下线性非时变系统中指 定输出信号与输入信号的拉普拉斯变换之比。
(2)RC 积分电路(低通滤波器)的传递函 数：
O
b.根据输入信号时域表达式求其拉斯变换：
即：
0≤t≤T t≥T
对其进行拉斯变换得：
c. 根据时域卷积，频域相乘性质，求出输出信号在复频域中 的表达式：
d. 对其反拉斯变换，得到输出信号Uo(t) 在时域中的表达式。
t<O
0≤t≤T
t>T
1.6表示系统的噪声性能有哪几种方法? 各有什么意义?输入端的噪声电压是否就 是等效噪声电压?为什么?
d. 对 域中的表达式。
言号Uo(t) 在时
1.12 设，( 系统的噪考功率谱密度为 ,当此噪声通过下图电路后，求A点与B点 的噪声功率谱密度与噪声均方值。
《核电子学》习题解答
第一章1.1 核电子学与一般电子学的不同在哪里？以核探测器输出信号的特点来说明。
在核辐射测量中，最基本的特点是它的统计特性、非周期性、非等值性，核电子学分析这种信号，经处理得到有用的信息。
1.4 当探测器输出等效电流源时，求此电流脉冲在探测器输出回路上的输出波形并讨论R0C0<<τ的情况。
V0(s) = I0(s)·[R0∥(1/sc)]= I0[1/(s+1/τ)]·[R0(1/sc0)/( R0+(1/sc0))=( I0/ c0)·{1/[(s+1/τ) (s+1/ R0 c0)]}∴当R0 c0<<τ时，τ－R0 c0≈τ∴1.5 如图，设，求输出电压V(t)。
1.6 表示系统的噪声性能有哪几种方法？各有什么意义？输入端的噪声电压是否就是等效噪声电压？为什么？ENV ENC ENN ENE η (FWHM)NE不是1.7 设探测器反向漏电流I D=10-8A，后级电路频宽为1MHz,计算散粒噪声相应的方根值和相对于I D的比值。
==1.8 试计算常温下（设T=300K）5MΩ电阻上相应的均方根噪声电压值（同样设频宽为1MHz），并与1MHz能量在20pF电容上的输出幅值作比较。
∵∴1.9求单个矩形脉冲f（t）通过低通滤波器，RC=T，RC=5T，及RC=T/5，时的波形及频谱。
Ut1.10 电路中，若输入电压信号V i（t）=δ（t），求输出电压信号V0（t），并画出波形图，其中A=1为隔离用。
1.12 设一系统的噪声功率谱密度为，当此噪声通过下图电路后，求A点与B点的噪声功率谱密度与噪声均方值。
对A点：噪声均方值：对B点：噪声均方值：第二章2.1 电荷灵敏前置放大器比电压灵敏前置放大器有什么优点？为什么把反馈电容称为积分电容，作用是什么？优点：V OM稳定性高，能用高能量分辨能谱系统C f起积分作用，当A很大时，2.2 试对下图典型的电荷灵敏前置放大器电路在输入冲击电流I(t)=Q·δ(t)时，（1）求Vo(t)的一般表达式（2）当C f=1pF, R f=109Ω时，画出大致波形并与R f→∞时作比较。
核电子学
061300103 张欣欣第四次作业1.根据核探测器输出信号的特点，说明核电子学和一般电子学的区别。
在核科学与技术的实际应用中, 都需要采用电子学方法对核辐射进行测量, 都需要对核探测器输出的信号进行处理与分析。
整个过程可简单描述为：用电子学方法收集辐射粒子在探测器内产生的电荷而形成电信号，经过信号模拟处理（放大或成形）和数字化之后，送入专用的数字化处理系统或计算机进行处理和分析，从而得到这些辐射粒子所携带的各种物理信息（能量、时间和空间等方面特性）。
简单流程示意如下：辐射→探测器→形成电信号→模拟处理→数字化→计算机或专用设备数据采集→在线分析。
其中从形成电信号道数据采集和再现分析这一过程就是核电子学的研究范围。
由于探测器输出信号往往比较小, 一般情况下, 首先要通过放大器进行放大。
核辐射探测器的输出信号是一系列幅度大小不一、波形不尽一致、前后间隔疏密不匀出现的时间随机分布的电荷或电流脉冲。
探测器输出信号为随机脉冲，具有时间特性、幅度分布的非周期性及非等值性。
则，由于信号统计性，要求核电子学用独特方法处理和研究。
2.核电子学中遇到的噪声主要有几类？产生的原因是什么？对于幅度分析和时间分析，那些噪声比较重要？在核电子学中遇到的噪声主要有三类：散粒噪声、热噪声和低频噪声。
对于幅度分析和时间分析，散粒噪声和热噪声最重要。
1.散粒噪声（探测器漏电流的噪声、场效应管栅极漏电流噪声）：在电子器件中，载流子产生和消失的随机性，使得流动着的载流子数目发生波动，有时多些，有时少些，由此引起的电流瞬时涨落称为散粒噪声。
2.热噪声（场效应管的沟道热噪声、电阻原件的热噪声）：由导体或电阻中载流子的热运动，使电路中的电流产生涨落造成。
与电路的外加电压和平均电流无关，主要与温度有关。
3.低频噪声（场效应管闪烁噪声）：低频噪声即1/f噪声，又名闪变噪声或过量噪声，其噪声电压随频率的降低而增大,它的功率密度一般随1/ f而变化,在合成炭质电阻和晶体管，场效应管中，还存在一种随频率降低而增大的低频噪声。
1.1.2原子核外电子的运动
电子层
轨道
轨道能量顺序
7
P 核 外O 电 子N 填M 充 顺 L 序 图K
4s 3s 2s 1s
4p 3p 2p
4d 3d
4f
4 1998年诺贝尔化学奖授予科恩(美)和波普尔(英)，以表 彰他们在理论化学领域做出的重大贡献。他们的工作使实 验和理论能够共同协力探讨分子体系的性质，引起整个化 学领域正在经历一场革命性的变化。下列说法正确的是 A．化学不做实验就什么都不知道 B．化学不再需要实验 C．化学不再是纯实验科学 D．未来化学的方向是经验化
二、原子核外电子的运动
2007年9月14日
原子核外电子的运动
复习要点
一、人类对原子结构的认识历史 二、原子核外电子的运动特征 三、原子核外电子的排布
课程标准
一、了解核外电子的运动状态
二、了解原子构造原理
三、知道原子核外电子的能级分布
四、能用电子排布式表示常见元素
（1—36号）原子核外电子的排布
D的原子第三电子层上有8个电子，第四电子层上只有1个电
子； E原子的价电子排布为3s23p6。 则各元素是何种元素？
体验高考
山东、
（1）前四周期元素中，基态原子中未成对电子数
与其所在周期数相同的元素有 种。 （2）第ⅢＡ、ⅤＡ族元素组成的化合物GaN、GaP 、GaAs等是人工合成的新型半导体材料，其晶体结 构与单晶硅相似。Ga原子的电子排布式为 。
（2）写出Y元素最高价氧化物水化物的电离方程式 （3）元素T与氯元素相比，非金属性较强的是 （用元素符号表示），下列表述中能证明这一事实的是
a 常温下氯气的颜色比T单质的颜色深 b T的单质通入氯化钠水溶液不能置换出氯气 c 氯与T形成的化合物中氯元素呈正价态 （4）探寻物质的性质差异性是学习的重要方法之—。T、X 、Y、Z四种元素的单质中化学性质明显不同于其他三种单质的 是 ，理由 。
核电子学习题+答案+课后答案
C. D.
6.下图中针对于被测信号 ，发生了（D）
A.峰堆积B.前沿堆积C.后沿堆积D.尾堆积
7.极零相消电路的功能是（A）
A.消除单极性信号下冲B.微分电路C .消除零基线D.积分电路
8.一个最大量化电平数为8192的模数变换器，其分辨率R为（B）
A.2-10B.2-13C.2-14D.2-11
优点：有源滤波器更接近于理想的微分和积分特性，把放大和滤波成形连在一起，既节省元件，又比无源滤波器级数少，效果好。
(3)比较两种情况下输出电压幅度的大小。
解：(1)
2.（本题10分）下图是电荷灵敏前置放大器的简图，试问
（1）RF在此电路中所起的作用？
（2）计算此放大器电路的开环增益：（已知T1管的跨导 为4.5 mA/V; ; ； ）
解：（1）RF在此电路中所起的作用为
1.与反馈电容并联的电阻起到泄放上电荷的作用。…………2分
不能。用同向接法。用双芯同轴电缆把信号送到差分放大器。
3.4试分析和讨论下面两个谱仪放大节电路，指出在电路中采取了什么措施，目的是什么？
a：
T1共射极放大，T3,T4两级共集电极放大
恒流源作负载，10μ自举电容，电压并联负反馈。
b：
T1共基，T2共射，T3共集，T4，T5互补复合跟随器。
1μ自举电容，电压并联负反馈。
输入电阻热噪声：
Ig噪声：
沟道热噪声：
∴
2.6分析快电荷灵敏前置放大器，
（1）画出简化框图
（2）分别计算电荷和能量变换增益；
（ω=3.6ev/电子空穴对，e=1.6×10-19库仑）
（3）估算电路的开环增益（gm=5mA/V, A3=0.98）
（4）估算该前放的上升时间（Ca=5pF, Ci=5pF）
核电子学复习资料
核电子学复习整理第一章一、名词解释探测效率：探测器探测到的粒子数与此时实际入射到探测器中的粒子总数的比值。
散粒噪声：（在电子器件或半导体探测器中）由于载流子产生和消失的随机涨落形成通过器件的电流的瞬时波动，或输出电压的波动，叫做散粒噪声。
分辨率：识别两个相邻的能量、时间、位置（空间）之间最小差值的能力。
（主要有能量分辨率、时间分辨率、空间分辨率）死时间校正：在监察信号的时间TIp内，如果再有信号输入都要被舍弃，因此监察时间就是堆积拒绝电路所产生的死时间。
计时电路就不应该把这个时间计入测量时间，而应从总的测量时间中扣除这个死时间得到活时间。
由测到的总计数除以活时间就是信号计数率。
这种办法称为死时间校正。
二、填空题1.核电子学是核科学与电子学相结合的产物；2.探测器按介质类型及作用机制主要分为：气体探测器、闪烁体探测器、半导体探测器；3.核电子学中主要的噪声指三类：散粒噪声、热噪声、低频噪声；4.核辐射探测器的输出信号特点是：随机分布的电荷或电流脉冲。
（时间特性、幅度上是非周期非等值的）；5.功率谱密度为常数即S(W)=a的噪声为白噪声。
三、简答题1.简述核电子学的信号特点。
答：1.随机性；2.信号弱，跨度大；3.速度快。
2.简述白噪声与干扰以及两者的区别。
答：干扰：主要是指空间电磁波感应，工频交流电网的干扰，以及电源纹波干扰等外界因素。
（可在电路和工艺上予以减小或消除）噪声：是由所采用的元器件本身产生的。
（可以设法减小但无法消除）白噪声定义为功率谱密度为常数的噪声。
3.降低前置放大器噪声的措施有哪些？答：1.输入级采用低频噪声器件；2.低温运行；3.减少冷电容Cs；4.反馈电阻Rf和探测器负载电阻RD选用低噪声电阻，阻值一般在109欧~1020欧左右。
除此之外，用滤波网络来限制频带宽度，也可进一步抑制噪声。
4.构成核电子学的测量系统的三部分是哪些？答：1.模拟信号获取和处理，2.模数变换，3.数据的获取和处理三个部分5.简述前置放大器的作用。
核物理学发展简史
在原子核物理学诞生、壮大和巩固的全过程中，通过核技术的应用，核物理和其他学科及生产、医疗、军事等部分建立了广泛的联系，取得了有力的支持；核物理基础研究又为核技术的应用不断开辟新的途径。核基础研究和核技术应用的需要，推进了粒子加速技术和核物理实验技术的发展；而这两门技术的新发展，又有力地促进了核物理的基础和应用研究。
探测、记录射线并测定其性质，一直是核物理研究和核技术应的一个中心环节。放射性衰变研究证明了一种元素可以通过衰变而变成另一种元素，推翻了元素不可改变的观点，确立了衰变规律的统计性。统计性是微观世界物质运动的一个重要特点，同经典力学和电磁学规律有原则上的区别。
放射性元素能发射出能量很大的射线，这为探索原子和原子核提供了一种前所未有的武器。1911年，卢瑟福等人利用α射线轰击各种原子，观测α射线所发生的偏折，从而确立了原子的核结构，提出了原子结构的行星模型，这一成就为原子结构的研究奠定了基础。此后不久，人们便初步弄清了原子的壳层结构和电子的运动规律，建立和发展了描述微观世界物质运动规律的量子力学。
初期 1896年，贝可勒尔发现天然放射性，这是人们第一次观察到的核变化。现在通常就把这一重大发现看成是核物理学的开端。此后的40多年，人们主要从事放射性衰变规律和射线性质的研究，并且利用放射性射线对原子核做了初步的探讨，这是核物理发展的初期阶段。
在这一时期，人们为了探测各种射线，鉴别其种类并测定其能量，初步创建了一系列探测方法和测量仪器。大多数的探测原理和方法在以后得到了发展和应用，有些基本设备，如计数器、电离室等，沿用至今。
20世纪20年代后期，人们已在探讨加速带电粒子的原理。到30年代初，静电、直线和回旋等类型的加速器已具雏形，人们在高压倍加器上进行了初步的核反应实验。利用加速器可以获得束流更强、能量更高和种类更多的射线束，从而大大扩展了核反应的研究工作。此后，加速器逐渐成为研究原子核和应用技术的必要设备。
核电子学复习资料
动,减小信号统计涨落引起的定时 动,噪声引起的时间晃动比前沿定时稍 误差,触发比为恒定常数,使用时方 大 便调节,使晃动最小
ARC 定时
能同时消除幅度及上升时间引起的 达峰时间变化时,触发比 f 不恒定,波形
时间游动
涨落的影响比较大,过零斜率小,噪声的
影响大
3.什么是符合测量及其意义 选择时间相同或相关的信号,舍弃无关事件 4.脉冲波形甄别的作用和方法？ 作用:测出同时存在的各种粒子能谱,避免相互重叠;甄别粒子的种类;剔除某种本底粒子 方法: 电荷比较法,时间比较法
4.简述核辐射探测器中噪声的种类特点和产生机理 散粒噪声:载流子数目发生波动引起电流瞬间涨落;与电子热运动速度无关,其平均电流大,电子 数涨落大,噪声电流大。 热噪声:自由电子不停地做热运动,由于电子不断和正离子碰撞,外回路感应电流起伏变化;与电 阻或导体的温度有关,温度升高热运动增强,热噪声与外加电压无关 低频噪声:原因未知;电压低,频率低,噪声电压随频率降低而增大 5.写出各种噪声的功率密度谱及函数表达式
1.时间幅度变换方法 把时间间隔转变为幅度与之线形相关的模拟脉冲,再采用 ADC 转换 2.什么是单道分析器 可以选择一定幅度范围内信号的幅度甄别器,只有当输出信号脉冲的幅度介于给定的电压范围 VL 至 VO 之内,才输出信号脉冲,可选择一定幅度范围内的信号 3.什么是多道分析器 研究具有统计性核辐射现象的一种分析设备,可同时选择多个幅度间隔内的脉冲信号。由输入 部分、储存器、运算器组成。作用(获得的信息):幅度值,时间谱,辐射强度随时间变化关系,射线 能谱,反射性核素衰变曲线等
个一定幅度的信号。这个定值即甄别域 VT。甄别器可用于甄别幅度小于 VT 的信号、干扰和噪 声,输入和输出信号为电压或电流脉冲 8.定标器:用来测量在一定时间间隔内的输入脉冲数,由计数电路和计时电路组成 计数率计:直 接指示计数率-单位时间平均输入脉冲数,差异由成形电路决定 1.时检电路存在的定时误差和成因 时间游动:由于输入信号幅度和波形的变化,引起时检电路输出脉冲产生时间的游移变动 时间 晃动:由于探测器输出的信号统计涨落,及系统中存在的噪声,引起时检电路输出脉冲产生时间 的涨落 时间漂移:时检电路和探测器中对温度,电源电压敏感并容易老化的元件引起的定时误 差
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高能正电子成像的晶体和材料
锗酸铋晶体(bismuth germinate, BGO) 碘化钠晶体(NaI) 硅酸镥(lutetium oxyorthosillicate, LSO) 硅酸钇(yttrium oxyorthosillicate, YSO) 硅酸钆(gadolinium orthosillicate, GSO ) 半导体,锑锌镉(cadmium zinc telluride, CZT) 三明治晶体(sandwich YSO/LSO, 1～2cm )
高能正电子成像的定义及分类
正电子的湮灭辐射（Annihilation）
正电子与组织中电子结合产生湮灭辐射 湮灭辐射产生2个511KeV的γ光子 ——能量守恒 2个γ光子互成180°(±0.25°） ——动量守恒 湮灭辐射光子用符合探测法探测
高能正电子成像的定义及分类
Positron Annihilation
Detector 1
Detector
Detector 2
Accepts transverse events
Detector 2
Accepts transverse and caudal/cephalic events
Accepts only perpendicular events
高能正电子成像的定义及分类
高能正电子成像的定义及分类
历史
正电子扫描机
单光子及符合探测，平面像 正电子伽玛照相机 正电子发射断层（PET） 分子符合探测（MCD）
1954年
1959年 1976年 1994年
高能正电子成像的定义及分类
正电子的物理特性
正电子发现于1934年 正电子带一个正电荷 正电子有一定的能量和射程 正电子只能瞬间存在 正电子由β+衰变产生 正电子与电子结合产生湮灭辐射
.
用于晶体块设 置的数据捕获
3字节串行数据到符合处理器
. . . .
6Bit Flash ADC
晶体块 #1 位置/能量 门阵列
1 2
X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
模拟ASIC 晶体块#1
串行总线到微处理器 芯片地址 3Bit
• • Positron travels 1-3mm (depending on energy) before annihilation. • • Annihilation process conserves:
- Energy (photons are 511KeV). - Momentum (photons are almost exaKeV ~1-3mm b+
• Simultaneous detection of two 511KeV photons --> event along line between detectors.
b511KeV
高能正电子成像的定义及分类
Coincidence Detection
DET 1 Pulse Processing DET 2
来自于#2晶体块 的3字节串行数据
8Bit 总线 （不连接）
1 2
微处理器
高压连接器/1500V/J7 EEPROM 晶体块 #2和#3 晶体块 #4和#5 晶体块 #6和#7 时钟分配电路 RS232串行接口
J15
J16
高能正电子成像的定义及分类
F-18的物理特性
衰变类型：β+衰变，电子俘获（EC） 半衰期：109.8分 主要射线：511KeV的γ光子 正电子能量：Max 633KeV,平均203KeV 符合时间：10-9秒
Pulse Processing
AND
Events occurring anywhere on line between detectors contribute coincidence counts to detector pair. Recorded counts are proportional to line integral of activity between the detectors.
X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X
时钟和同步信号到符合处理器
串行总线到微处理器 芯片地址 3Bit 时间标签 求和0,1,2,3 PMT0 PMT1 PMT2 PMT3
8Bit总线
时钟电 路 2ns 能 量 横 向 轴 向
7 Bit 时间
下一节： 第一章 常用核探测器的输出信号
高能正电子成像的定义及分类
各种晶体性能的比较
性能 BGO LSO YSO GSO NaI
密度(g/cm3) 7.13 7.4 4.54 6.71 3.67 有效原子序数 74 66 34 60* 51 衰减系数(cm-1) 0.96 0.87 0.43* 0.67 0.34 衰变常数(ns) 300 40 70 65 230 光输出量(%) 15 60 120 35 100 能量分辨(%) 10 12～18 <7.5 9 7.8 注:晶体主要要求:灵敏度、最大计数率、能量分辨
Data Sorting, Histogram
PMT
Processing Electronics
Image Recon Computer
Images
正电子发射断层扫描仪
高能正电子成像的定义及分类
Coincidence Detection
前端模拟电子学(FEAE) 前端数字电子学(FEDE)
时间/轴向
高能正电子成像的定义及分类
Coincidence Detection
高能正电子成像的定义及分类
Projection Data Collection
DETECTOR RING PMT
Processing Electronics
Coincidence Processor
R
COINCIDENCE PROCESSING
《常用核电子技术 》
Nuclear Electronics
物理工程学院—赵书俊
高能正电子成像
高能正电子成像的定义及分类
高能正电子成像的定义及分类
高能正电子准直成像 High Energy Positron Collimation Imaging 正电子发射断层 Positron Emission Tomography 符合探测成像 Coincidence Detection Imaging
高能正电子成像的定义及分类
符合探测事件的类型
单光子(single, singles) 真符合(true coincidence) 随机符合(random coincidence) 散射符合(scatter coincidence) 散射符合也是真符合，只是改变了方向
高能正电子成像的定义及分类
晶体块#0和#1
求和0,1,2,3 PMT0 PMT1 PMT2 PMT3
时间标签
时钟电 路 2ns 能 量 横 向 轴 向
7 Bit 时间
.
能量/横向
3字节串行数据到符合处理器
. . . .
6Bit Flash ADC
模拟ASIC 晶体块#0
1 2
晶体块 #0 位置/能量 门阵列
时间/轴向 能量/横向
高能正电子成像的定义及分类
511KeV γ光子的物理特性
穿透能力强 为99mTc的3.65倍, 131I的1.6倍 衰减系数： 99mTc为0.14cm-1 μ=0.096cm-1 (水) 半吸收厚度： 511KeV：7.14cm (水), 4.1 mm (铅) 140KeV：5.0 cm (水), 0.17mm (铅) 康普顿散射： 511KeV：170～341KeV 60% 140KeV：130KeV 80%
3-D Detection Provides Highest Geometrical Efficiency
Lowest is Collimated
(0.3 X)
Intermediate is 2-Dimensional
(1 X)
Highest is 3-Dimensional
(5 X)
Detector 1