第一章核电子学系统中的信号与噪声[001]
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Ne C0 Q C0
Neu u
I
d
Neu
I
d
t
Vt
1 C0
t
I0tdt
0
T
T
R0C0
Ne et R0C0 C0
t
15
电离室的输出信号需要用电子仪器来测量。
高压
耐高压隔直电容C
气体 电离室
前置 放大器
放大器
单道或多道 脉冲分析器
16
17
半导体探测器
工作原理：固体电离室 ω(Ge)=2.96eV ω(Si)=3.61eV
18
19
闪烁体探测器
利用辐射在某些物质中产生的闪光来探测电离辐射的探
测器。
荧光 光子
反射层 窗
光电倍增管 (打拿极) 分压器
前置放大器
多道或单道 高压
闪烁体
光电子 光阴极
阳极
管座
暗盒
20
闪烁探测器
闪烁探测器的工作过程：
(1) 辐射射入闪烁体使闪烁体原子电离或激发，受激 原子退激而发出波长在可见光波段的荧光。 (2) 荧光光子被收集到光电倍增管(PMT)的光阴极，通 过光电效应打出光电子。 (3) 电子运动并倍增，并在阳极输出回路输出信号。 闪烁探测器可用来测量入射粒子的能量。
24
25
26
27
三、探测器的基本性能
➢ 输出幅度大小
➢分辨率（能量、时间、空间）
（ - N-N） 2
f(N)f(N)maxe 2N
FWHM(半高全宽)、FW-TM(十分之一高全宽)
R D(FN W 0 ) H 1% 0 M 0 2.3 N 6 N 0 1% 00
28
三、探测器的基本性能
能量分辨率反映了谱仪对不同入射粒子能量的分辨能力。
探测的器件称为辐射探测器。
7
探测器类别和输出信号
探测器按探测介质类型及作用机制主要分为：
气体探测器； 闪烁探测器； 半导体探测器。
8
9
10
气体探测器
电离室、正比计数器、G-M计数器 (a)工作原理. (b) 等效电路 (c)简化电路
产生电子-离子对数
N F *A *E /
F--法诺因子 A--气体放大倍数 ω--平均电离能量（产生 对电子、离子对所需平均能量20~40 ev)
敏区电阻电容；Ri、Ci输入、Cs 分布电容、Cc隔直电容
35
3. 闪烁探测器
图1.1.8 (a)、(b)、(c)、(d)、(e)
R=Ra//Ri, C=Co+Cs+Ci
阳极输出电流 ia(t)=Q/τ0× e-t/τ0
电压 vo(t)= (Q/C)RC/(τ0－RC)[e-t/τa-e-t/RC]
目的与要求
2
3
§1.核辐射探测器及其输出信号
核物理和粒子物理实验中，基本的测量方法 核电子学的研究对象是什么？
4
输出信号的特点
探测器输出信号为随机脉冲
时间特性 幅度分布的非周期性
非等值性 由于信号统计性，要求核电子学用独特方法处理和研究
5
输出信号的特点
脉冲参数：
电荷量、出现时刻、单位时间脉冲数、脉冲形状
（上升时间）
核信息：
能量（能损），粒子入射时间、强度、粒子类型
（ α.β.γ.n.p.d）
6
二．探测器类别和输出信号
探测器
对于辐射是不能感知的，因此人们必须借助于辐射探测器探测 各种辐射，给出辐射的类型、强度(数量)、能量及时间等特性。 即对辐射进行测量。
辐射探测器的定义：利用辐射在气体、液体或固体中 引起的电离、激发效应或其它物理、化学变化进行辐射
21
闪烁体探测器
闪烁体分子或原子激发,退激发荧光，经光电信号增量成光电子并倍增。
输出电流 i(t)=(Q/τ0)e-t/τ0
Q--阳极收集总电荷 τ0-- 光脉冲衰减时间
22
三种探测器输出信号特点小结
➢等效电流源 ➢时间分析 ➢能量测量
23
三、探测器的基本性能
探测效率
源
探测器
探测效率 实际入 探射 测到 到探 的测 粒 该器 子 粒中 数 子的 数
➢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。
31
32
33
四、核辐射探测器的输出电路
1. 脉冲电离室
图1.1.6 (a)、(b)、 ( c)、( d)、(e)
R=RL // Ri C= CO+ Cs + Ci
RC > T+
Vm=Ne/C
34
2．半导体探测器 图1.1 .7 (a)、(b)、(c) RD偏置电阻 Rd灵敏区电阻 R’、C’非灵
Vam = (Q/C)(RC/τ0) 1/(1-RC/τ0)
Ra:104~105Ω
36
3、闪烁探测器输出电压脉冲信号
由等效电路得：I(t)VR(0t)C0
dV(t) dt
求解得： V (t)Q R 0C 0 e e t/R 0C 0 t/
C 0 (R 0C 0)
两种脉冲工作状态：电压脉冲和电流脉冲。
第一章核电子系统中的 信号与噪声
§1.核辐射探测器及其输出信号 ! ! !
§2.核电子学中的噪声
§3 核电子学中的信号与噪声分析基础 ! ! !
§4 核电子学测量系统概述
1
基 本 核辐射探测器输出信号特点， 内 核电子学中的信号噪声分析基础。 容
(1)掌握核辐射探测器输出信号的特点。 (2)熟练掌握核电子学系统中的信号和噪声分析基础。 (3)了解：核电子学测量系统的组成。
固有能量分辨率
RD(FE W 0 H E1M0% )02.3E6E 010% 0
能量分辨：半导体最佳，气体探测器其次，闪烁体 探测器较差。 时间分辨：闪烁体探测器为优。
29
30
三、探测器的基本性能
➢线性响应
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N 平均值 与所消耗的粒子能 量E之间是否有线性变化。
单个电流冲击脉冲： i(t)limQ/ 0
电压脉冲型工作状态 电流脉冲型工作状态
条件
R0C0
R0C0
脉冲前沿 脉冲后沿
1
e
t
慢：缺点
et R0C0
1e
t
R0C0
et
快：优点
脉冲幅度
h
Байду номын сангаас
Q C0
E
大：优点
h Q R0C0 E小：缺点
C0
实际应用中，为得到较大幅度和较小宽度，取 R0C0 ~
且要尽量减小 C 0
37
五、输出信号的数学模拟
Q=Ne
e--1.6*10-19c
形成感应电流 i(t)=Q(t)/△t (与位置〈漂移速度有
关 〉)
t
通过电容器积分得电压 vo(t)Q/C1/C i(t)dt 11 0
12
13
N F *A *E /
Q=Ne
i(t)=Q(t)/△t
t
vo(t)Q/C1/Ci(t)dt 0 14
I(t)
V (t)
Neu u
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Vt
1 C0
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0
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R0C0
Ne et R0C0 C0
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电离室的输出信号需要用电子仪器来测量。
高压
耐高压隔直电容C
气体 电离室
前置 放大器
放大器
单道或多道 脉冲分析器
16
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半导体探测器
工作原理：固体电离室 ω(Ge)=2.96eV ω(Si)=3.61eV
18
19
闪烁体探测器
利用辐射在某些物质中产生的闪光来探测电离辐射的探
测器。
荧光 光子
反射层 窗
光电倍增管 (打拿极) 分压器
前置放大器
多道或单道 高压
闪烁体
光电子 光阴极
阳极
管座
暗盒
20
闪烁探测器
闪烁探测器的工作过程：
(1) 辐射射入闪烁体使闪烁体原子电离或激发，受激 原子退激而发出波长在可见光波段的荧光。 (2) 荧光光子被收集到光电倍增管(PMT)的光阴极，通 过光电效应打出光电子。 (3) 电子运动并倍增，并在阳极输出回路输出信号。 闪烁探测器可用来测量入射粒子的能量。
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三、探测器的基本性能
➢ 输出幅度大小
➢分辨率（能量、时间、空间）
（ - N-N） 2
f(N)f(N)maxe 2N
FWHM(半高全宽)、FW-TM(十分之一高全宽)
R D(FN W 0 ) H 1% 0 M 0 2.3 N 6 N 0 1% 00
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三、探测器的基本性能
能量分辨率反映了谱仪对不同入射粒子能量的分辨能力。
探测的器件称为辐射探测器。
7
探测器类别和输出信号
探测器按探测介质类型及作用机制主要分为：
气体探测器； 闪烁探测器； 半导体探测器。
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气体探测器
电离室、正比计数器、G-M计数器 (a)工作原理. (b) 等效电路 (c)简化电路
产生电子-离子对数
N F *A *E /
F--法诺因子 A--气体放大倍数 ω--平均电离能量（产生 对电子、离子对所需平均能量20~40 ev)
敏区电阻电容；Ri、Ci输入、Cs 分布电容、Cc隔直电容
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3. 闪烁探测器
图1.1.8 (a)、(b)、(c)、(d)、(e)
R=Ra//Ri, C=Co+Cs+Ci
阳极输出电流 ia(t)=Q/τ0× e-t/τ0
电压 vo(t)= (Q/C)RC/(τ0－RC)[e-t/τa-e-t/RC]
目的与要求
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§1.核辐射探测器及其输出信号
核物理和粒子物理实验中，基本的测量方法 核电子学的研究对象是什么？
4
输出信号的特点
探测器输出信号为随机脉冲
时间特性 幅度分布的非周期性
非等值性 由于信号统计性，要求核电子学用独特方法处理和研究
5
输出信号的特点
脉冲参数：
电荷量、出现时刻、单位时间脉冲数、脉冲形状
（上升时间）
核信息：
能量（能损），粒子入射时间、强度、粒子类型
（ α.β.γ.n.p.d）
6
二．探测器类别和输出信号
探测器
对于辐射是不能感知的，因此人们必须借助于辐射探测器探测 各种辐射，给出辐射的类型、强度(数量)、能量及时间等特性。 即对辐射进行测量。
辐射探测器的定义：利用辐射在气体、液体或固体中 引起的电离、激发效应或其它物理、化学变化进行辐射
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闪烁体探测器
闪烁体分子或原子激发,退激发荧光，经光电信号增量成光电子并倍增。
输出电流 i(t)=(Q/τ0)e-t/τ0
Q--阳极收集总电荷 τ0-- 光脉冲衰减时间
22
三种探测器输出信号特点小结
➢等效电流源 ➢时间分析 ➢能量测量
23
三、探测器的基本性能
探测效率
源
探测器
探测效率 实际入 探射 测到 到探 的测 粒 该器 子 粒中 数 子的 数
➢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。
31
32
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四、核辐射探测器的输出电路
1. 脉冲电离室
图1.1.6 (a)、(b)、 ( c)、( d)、(e)
R=RL // Ri C= CO+ Cs + Ci
RC > T+
Vm=Ne/C
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2．半导体探测器 图1.1 .7 (a)、(b)、(c) RD偏置电阻 Rd灵敏区电阻 R’、C’非灵
Vam = (Q/C)(RC/τ0) 1/(1-RC/τ0)
Ra:104~105Ω
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3、闪烁探测器输出电压脉冲信号
由等效电路得：I(t)VR(0t)C0
dV(t) dt
求解得： V (t)Q R 0C 0 e e t/R 0C 0 t/
C 0 (R 0C 0)
两种脉冲工作状态：电压脉冲和电流脉冲。
第一章核电子系统中的 信号与噪声
§1.核辐射探测器及其输出信号 ! ! !
§2.核电子学中的噪声
§3 核电子学中的信号与噪声分析基础 ! ! !
§4 核电子学测量系统概述
1
基 本 核辐射探测器输出信号特点， 内 核电子学中的信号噪声分析基础。 容
(1)掌握核辐射探测器输出信号的特点。 (2)熟练掌握核电子学系统中的信号和噪声分析基础。 (3)了解：核电子学测量系统的组成。
固有能量分辨率
RD(FE W 0 H E1M0% )02.3E6E 010% 0
能量分辨：半导体最佳，气体探测器其次，闪烁体 探测器较差。 时间分辨：闪烁体探测器为优。
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三、探测器的基本性能
➢线性响应
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N 平均值 与所消耗的粒子能 量E之间是否有线性变化。
单个电流冲击脉冲： i(t)limQ/ 0
电压脉冲型工作状态 电流脉冲型工作状态
条件
R0C0
R0C0
脉冲前沿 脉冲后沿
1
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慢：缺点
et R0C0
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R0C0
et
快：优点
脉冲幅度
h
Байду номын сангаас
Q C0
E
大：优点
h Q R0C0 E小：缺点
C0
实际应用中，为得到较大幅度和较小宽度，取 R0C0 ~
且要尽量减小 C 0
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五、输出信号的数学模拟
Q=Ne
e--1.6*10-19c
形成感应电流 i(t)=Q(t)/△t (与位置〈漂移速度有
关 〉)
t
通过电容器积分得电压 vo(t)Q/C1/C i(t)dt 11 0
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N F *A *E /
Q=Ne
i(t)=Q(t)/△t
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