核电子学复习资料.pdf
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温度升高热运动加剧,噪声电流或电压增加○2 热噪声电流与外加电压或流经电阻的平均电流无
关○3 实际脉冲宽度在 ps 级别 低频噪声:不明确;特点:噪声电压随频率降低而增大,性能优良的 器件可忽略 3.噪声的来源:物理过程、电子器件、外部干扰 1.噪声主要参量和物理意义 概率密度函数:描述噪声早幅度域内的分布密度 均方值:表示噪声的强度 自相关函数:提供噪声在时间域内相关信息 功率密度函数:给出噪声功率在频率域内的分布 2.核数据获取与处理的方法图
1.写出下列几种电路的冲激响应和频率响应
冲激响应
频率响应
RC 积分电路
1 -) h t = %& '*+*u(t)
1 H w = 1 + &'()
CR 微分电路 RC 并联电路
1 -* h t = $ t - '( )+,*u t
1 -( h t = % &)**u(t)
$%&' H w = 1 + $%&'
1.核电子学是什么? 辐射探测技术与电子技术相结合的学科,把辐射信息转换成电信号或光信 号然后用电子学方法获取,进行处理和分析。 2.噪声的种类,特点和产生原因 散粒噪声:由载流子数目的涨落引起;特点:○1 散粒噪声与载流子运动速率无关○2 平均电流大,电
子涨落大,噪声电流大 热噪声:载流子做随机运动引起;特点:○1 热噪声与导体或电阻温度有关,
3.简述傅立叶变换和拉普拉斯变换的特点○1 模拟和离散系统内,FT 用于频域分析;模拟系统内,LT
作复频域分析○2 FT 便于分析系统的频率特性,分析信号频率和噪声的功率谱○3 LT 便于分析系统
时域和系统参数的关系,系统的稳定性等性能,分析信号波形
1. 总结几种探测器的对比
参数
气体电离室
正比计数器
Q
=
# `$
% VOM
=
% &'
=
() *&'
VO t
=-
'(
--
e./0/
)*+
Cf=1pf Rf=109Ω τ=RfCf=1*10-3sபைடு நூலகம்1ms
6.前放和主放区别:
前放:实现电荷到电压脉冲的转换,对探测器输出信号放大,尽量提高信号的信噪比
主放:对探测器输出电压信号进一步放大,用多种方法对信号进行处理,已尽量提高能量分辨率
$ H w = 1 + '($)
2.表示系统噪声分类方法和意义 等效噪声电压 ENV:实际存在于放大器输入端的噪声功率谱和放大器的频率相应 等效噪声电荷 ENC:输入信号电荷量 Q 与输出信噪比η之比 等效噪声能量 ENE:等效噪声电荷数与探测器平均电离能的乘积 等效噪声晃动:噪声引起定时误差的均方根差值 输入端的噪声不是等效噪声电压,因为 Vn/A 不是一个实际物理量,噪声均方值正比于 A 3.设 f(n)服从高斯分布,求证能量分辨 FWHM=2.36σN ,能量分辨率 R=2.36σN/N 证明:
○1 散粒噪声 s(w)=2n2Q2δ(w)+nQ2/π sS(w)=2I2 δ(w)+Ie/π=Ie/π
○2 热噪声 sT(w)=2Kt/ π R
○3 低频噪声 sF(w)=AF/w=AF/2 πf
1.简述最佳滤波器、白化滤波器和匹配滤波器,三者关系 最佳滤波器可使信噪比最大;白化滤波器把噪声转化为白噪声的一级频率相应为 H1(w)的滤波 器;匹配滤波器为当输入信号频率为其频率响应的复共轭时所获信噪比最佳的滤波器 在输入 噪声不是白噪声时,利用一个白化滤波器把噪声白化,再串联一个匹配滤波器,可得最佳滤波器 2.极零相消的作用 在几级相串联的系统中,将前级传递函数的极(零)点与后级的零(极)点相消, 从而改善输出波形的方法 3.简述滤波成形电路的时间常数,输出脉冲宽度和能量分辨率的关系 峰持时间 tw=twd+tdl 达峰时间(tM=tMd+tdl)为从输出超过εVM 至达到峰值 VM 的时间 延迟时间 tdl 为从冲击输入时到输出达到εVM 的时间 峰底宽度称为脉冲宽度 twd 4.CR-(RC)m 滤波成形电路的信噪比和时间常数 m 的关系 CR-(RC)m 滤波成形网络由一次 CR 微分与 m 次 RC 积分电路组成,存在一个与 m 相关的最佳时间 常数τopt 当τ=τopt 时信噪比最佳 5.简述成形电路造成幅度信息畸变的种类和原因
有较好的线性
线 性 和 电 离 室 接 良好的线性
近
栅流声 10-3
基本无噪声 10-3 散粒噪声 10-3
暗电流 10-4
2.电荷灵敏前放优点:VOM 稳定性高,可用能量分辨率较高的谱仪。Cf 起积分作用,当 A 很大 时,Cif=Ci+(1+A)Cf 3.电流、电压、电荷灵敏前置放大器特点 电流灵敏前放输出快,对输出电流信号直接放大,用于快放大器,但其相对噪声大,主要用于对时 间测量系统;电压灵敏前放与电荷灵敏前放都用于提供探测器输出的电荷信息,在要求不高时电 路比较简单,用于能谱测量分析系统;电荷灵敏前放和电压灵敏前放主要用于能谱测量系统,电 荷灵敏前放比电压灵敏前放输出电压稳定性高,可用于高能量分辨率系统 4.1MeV 射线全部消耗与半导体探测器中时,可输出多大幅值的信号？分辨性能如何 Cf=10pf=10-11f E=1MeV Q=Ee/`w=5.1*10-14C VOM=Q/Cf=5.1MeV 分辨性能好 5.当输出冲击电流 I(t)=Q*δ(t),求 V0(t),当 Cf=1pF,Rf=109Ω,画波形
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
半导体探测器
能量电荷转
1
换系数
θ = $ w=30eV
固有分辨率
$%
Vm = & 较好
θ= #
$
w=30eV
$%&
Vm = ' 较好
1
θ = $ w=3eV
$%&
Vm = ' 最好
闪烁体探测 器
# θ=$
w=300eV
$%&
Vm = ' 差
线形 稳定性
低能物理实验中具 工 作 电 压 较 低 时 对 各 种 粒 子 具 有 线性差
关○3 实际脉冲宽度在 ps 级别 低频噪声:不明确;特点:噪声电压随频率降低而增大,性能优良的 器件可忽略 3.噪声的来源:物理过程、电子器件、外部干扰 1.噪声主要参量和物理意义 概率密度函数:描述噪声早幅度域内的分布密度 均方值:表示噪声的强度 自相关函数:提供噪声在时间域内相关信息 功率密度函数:给出噪声功率在频率域内的分布 2.核数据获取与处理的方法图
1.写出下列几种电路的冲激响应和频率响应
冲激响应
频率响应
RC 积分电路
1 -) h t = %& '*+*u(t)
1 H w = 1 + &'()
CR 微分电路 RC 并联电路
1 -* h t = $ t - '( )+,*u t
1 -( h t = % &)**u(t)
$%&' H w = 1 + $%&'
1.核电子学是什么? 辐射探测技术与电子技术相结合的学科,把辐射信息转换成电信号或光信 号然后用电子学方法获取,进行处理和分析。 2.噪声的种类,特点和产生原因 散粒噪声:由载流子数目的涨落引起;特点:○1 散粒噪声与载流子运动速率无关○2 平均电流大,电
子涨落大,噪声电流大 热噪声:载流子做随机运动引起;特点:○1 热噪声与导体或电阻温度有关,
3.简述傅立叶变换和拉普拉斯变换的特点○1 模拟和离散系统内,FT 用于频域分析;模拟系统内,LT
作复频域分析○2 FT 便于分析系统的频率特性,分析信号频率和噪声的功率谱○3 LT 便于分析系统
时域和系统参数的关系,系统的稳定性等性能,分析信号波形
1. 总结几种探测器的对比
参数
气体电离室
正比计数器
Q
=
# `$
% VOM
=
% &'
=
() *&'
VO t
=-
'(
--
e./0/
)*+
Cf=1pf Rf=109Ω τ=RfCf=1*10-3sபைடு நூலகம்1ms
6.前放和主放区别:
前放:实现电荷到电压脉冲的转换,对探测器输出信号放大,尽量提高信号的信噪比
主放:对探测器输出电压信号进一步放大,用多种方法对信号进行处理,已尽量提高能量分辨率
$ H w = 1 + '($)
2.表示系统噪声分类方法和意义 等效噪声电压 ENV:实际存在于放大器输入端的噪声功率谱和放大器的频率相应 等效噪声电荷 ENC:输入信号电荷量 Q 与输出信噪比η之比 等效噪声能量 ENE:等效噪声电荷数与探测器平均电离能的乘积 等效噪声晃动:噪声引起定时误差的均方根差值 输入端的噪声不是等效噪声电压,因为 Vn/A 不是一个实际物理量,噪声均方值正比于 A 3.设 f(n)服从高斯分布,求证能量分辨 FWHM=2.36σN ,能量分辨率 R=2.36σN/N 证明:
○1 散粒噪声 s(w)=2n2Q2δ(w)+nQ2/π sS(w)=2I2 δ(w)+Ie/π=Ie/π
○2 热噪声 sT(w)=2Kt/ π R
○3 低频噪声 sF(w)=AF/w=AF/2 πf
1.简述最佳滤波器、白化滤波器和匹配滤波器,三者关系 最佳滤波器可使信噪比最大;白化滤波器把噪声转化为白噪声的一级频率相应为 H1(w)的滤波 器;匹配滤波器为当输入信号频率为其频率响应的复共轭时所获信噪比最佳的滤波器 在输入 噪声不是白噪声时,利用一个白化滤波器把噪声白化,再串联一个匹配滤波器,可得最佳滤波器 2.极零相消的作用 在几级相串联的系统中,将前级传递函数的极(零)点与后级的零(极)点相消, 从而改善输出波形的方法 3.简述滤波成形电路的时间常数,输出脉冲宽度和能量分辨率的关系 峰持时间 tw=twd+tdl 达峰时间(tM=tMd+tdl)为从输出超过εVM 至达到峰值 VM 的时间 延迟时间 tdl 为从冲击输入时到输出达到εVM 的时间 峰底宽度称为脉冲宽度 twd 4.CR-(RC)m 滤波成形电路的信噪比和时间常数 m 的关系 CR-(RC)m 滤波成形网络由一次 CR 微分与 m 次 RC 积分电路组成,存在一个与 m 相关的最佳时间 常数τopt 当τ=τopt 时信噪比最佳 5.简述成形电路造成幅度信息畸变的种类和原因
有较好的线性
线 性 和 电 离 室 接 良好的线性
近
栅流声 10-3
基本无噪声 10-3 散粒噪声 10-3
暗电流 10-4
2.电荷灵敏前放优点:VOM 稳定性高,可用能量分辨率较高的谱仪。Cf 起积分作用,当 A 很大 时,Cif=Ci+(1+A)Cf 3.电流、电压、电荷灵敏前置放大器特点 电流灵敏前放输出快,对输出电流信号直接放大,用于快放大器,但其相对噪声大,主要用于对时 间测量系统;电压灵敏前放与电荷灵敏前放都用于提供探测器输出的电荷信息,在要求不高时电 路比较简单,用于能谱测量分析系统;电荷灵敏前放和电压灵敏前放主要用于能谱测量系统,电 荷灵敏前放比电压灵敏前放输出电压稳定性高,可用于高能量分辨率系统 4.1MeV 射线全部消耗与半导体探测器中时,可输出多大幅值的信号？分辨性能如何 Cf=10pf=10-11f E=1MeV Q=Ee/`w=5.1*10-14C VOM=Q/Cf=5.1MeV 分辨性能好 5.当输出冲击电流 I(t)=Q*δ(t),求 V0(t),当 Cf=1pF,Rf=109Ω,画波形
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
半导体探测器
能量电荷转
1
换系数
θ = $ w=30eV
固有分辨率
$%
Vm = & 较好
θ= #
$
w=30eV
$%&
Vm = ' 较好
1
θ = $ w=3eV
$%&
Vm = ' 最好
闪烁体探测 器
# θ=$
w=300eV
$%&
Vm = ' 差
线形 稳定性
低能物理实验中具 工 作 电 压 较 低 时 对 各 种 粒 子 具 有 线性差