核仪器概论 ppt课件

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前放输出信号经CR－RC滤波成形后：
a、保留了输入信号中的有用信息（即VOM与Q成正比）。
VOM

Q eCf
(e≈2.7)
b、基本形状变窄了。
c、电路有高低通的滤波作用，可有效的抑制来自 前放的信号中的噪声，提高信噪比。
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◇可用于闪烁探测器，τ应被选择成至少为3倍 的闪烁体的衰减时间常数。
◇硅带电粒子探测器，τ约为0.5－1μS。 锗和Si（Li）探测器，τ一般约为在6－20μS。 这样长的时间常数对整个谱仪允许接受的最高计
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理论推导可知：在CR－RC滤波成形电路中，当 选择τ＝ a/b 时，总噪声可取得最小值。
因此，CR－RC滤波成形电路的最佳时间常数 τopt＝ a/b ＝ τc，τc被称作为“噪声转角时间”。
对于硅带电粒子探测器，噪声转角时间通常在 0.5－1μS范围内。
对锗和Si（Li）探测器一般在6－20μS范围内。
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②极零相消
前面讲述的简单的CR－RC电路中，被放大的脉 冲信号有一个显著的下冲。这是因为在前放输出脉 冲上有一个很长的指数衰减引起的。
当用在高计数率情况时，放大器输出脉冲的相 当一部分会落在前面脉冲的下冲上。显然，这将使 后面被测脉冲的峰的绝对值降低。最终会导致被测 能谱的峰变宽，能量分辨率下降。因此，大部分的 谱仪放大器配有一个极零相消电路，以消除下冲。
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（3）双极性成形
当系统级间存在隔直流电路时，计数率较高的 单极性随机信号通过后将产生明显的基线偏移和涨 落。而双极性信号，通过后可以不产生、或产生比 单极性信号要小得多的基线偏移和涨落。所以在高 计数率下，有时把信号成形为双极性的。
CD1
RI
vin
RD1
CI
CD2 RD2
τ = RD1CD1= RICI= RD2CD2
数率下降。因此有时会采用小一些的时间常数，牺 牲信噪比性能以适应更高的计数率要求。
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下面分析，将CR-RC滤波成形 用于硅或锗探测器的谱仪中时， 成形时间常数τ如何选取？
在硅和锗探测器中，由于探 测器本身噪声很小，因此前放的 电子学噪声对整个测量系统的能 量分辨率有显著的影响。此时， 需精心选择放大器的成形时间常 数可将这种噪声最小化。下面说 明在此情况下，成形时间常数的 选取办法。
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在图（b）中，与CD并联一可变电阻RPZ，调节 RPZ即可消除下冲。结果可得到一个简单的指数衰减 到基线，并具有理想的时间常数的输出脉冲。
这个电路被称为“极零相消网络”（因为当用 数学表达式严格推导电路的输入输出关系时，其中 必定包括零点与极点的相消过程）。
加入极零相消的好处是：在高计数率的情况下， 可改变被测能谱的峰的形状，从而改善整个系统的 能量分辨率。
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“极零相消”工作原理：
图中左侧为前 放输出信号。
图（a）中微 分电路的输出脉冲 存在着不希望有的 下冲。下冲幅度大 小可由下面公式给 出：
Co
vi
Ro vo
下冲
图（a）简单的CR微分电路
Co
vi
Ro vo
图（b）带有极零相消的CR微分电路
下冲幅度
微分时间常数
脉冲幅度 ＝ 前放输出脉冲的衰减时间常数
②
A1 R1
RC积分器
R C
③
④
输出
A2
基线 恢复器
积分器
A＝1
有源积分器
A＝1
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为得到更好的信噪比性能及更好的波形形状， 实际使用的滤波成形电路往往比上述的CR-RC电路 要复杂的多。半高斯脉冲成形即为常用的一种。它 用一个复杂的有源积分网络代替简单的RC积分，如 上图所示。
上图的输出脉冲形状如 右图，大概近似为高斯曲 线的形状。因此这种滤波 放大器被称为“半高斯成 形放大器”。
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左图(a)、(b)
为极零相消没调好
时，放大器的输出
脉冲存在有明显的
下冲，并且谱的分 (a)
(c)
辨率变坏。
(c)、(d)为极
零相消调好后，放
大器的输出脉冲形
状，并且谱的分辨
率大大好于（b）。
极零相消功能对能谱测量的影响
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（2）半高斯脉冲成形 电路原理图如下：
①
输入
C
R2
微分器和极 零相消电路
单极性输出
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与CR－RC滤波器相比，半高斯脉冲成形的优点是：
a、信噪比性能被提高了
脉冲成形放大器的信噪比性能被改善约17% －19%。这一点对于半导体探测器是非常重要的。 因为半导体探测器本身具有很高的能量分辨特性， 因此对滤波成形部分的要求也更高。
b、在脉冲幅度的0.1%处的宽度减小了。
半高斯成形能使输出脉冲宽度与CR－RC滤波 器相比减少22%－52%，这相当于每个脉冲被放大 时占用的死时间大大减少。因此整个谱仪可输入 信号的计数率性能会得到很大改善。
1
2C f
2
d
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下图中，细实线a、b和a十b分别表示前放输出 （即主放输入）的a噪声、b噪声及两者之和。
经推导，后接CR-RC滤波器的频率响应H(ω)为：
H ()
ab
H ()
21
0
H ()
1
a b
H ()

j (1 j
)2
（如图中黑实线或虚线）

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分析上式：τ增大时，同样|H(ω)|值对应的 ω减少，即H(ω)的频带变窄，曲线向低频方向压 缩。此时，输出噪声中的a噪声将减小，b噪声将 增大。而相反当τ减小时，H(ω)的频带变宽，曲 线向高频方向伸展，但形状和高度不变。此时， 输出噪声中的a噪声将增加，b噪声将减小。因而 滤波器的时间常数τ可能有最佳值τopt。在τ＝ τopt时，总噪声可取得最小值。τopt被称作为 “最佳时间常数”。
核仪器概论
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五、 谱仪放大器
5.1 滤波和成形
1、滤波和成形的必要性 2、介绍几种常用的滤波成形电路原理
（1）CR-RC脉冲成形
①、成形原理
CD
RI
vi
RD
CI vo
τ=RDCD=RICI
1τ 7τ
峰值衰减返回到基线的时间常数主要由CDRD决定。 下冲衰减再返回到基线的时间常数主要由前放输出脉
冲的衰减时间常数决定。
A 0.35A
vo 0.7τ 2.2τ
12τ
上图中在CR-RC成形电路之后再接入第二级微
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Rf
Cf
dVa2 dVb2
ii
A
主放
Ci
H (ω)
VO
a2
d Va 2

( 4kT
3 gm
C2 )
1 Cf 2
d
b2
(C CD CA CS C f ) (k：波尔兹曼常数。T：绝对温度)
dVb2
{ 1
2
[2e( I D

Ig
)

4kT RD // Rf
]}