核电子学及其进展

• 前沿定时除了由幅度游动效应引起较大晃动之外，触发比 不恒定也是一个缺点。
• 探测器的固有时间晃动往往与外电路收集到的电荷量与总 电荷量比值有关，在某一比值时，固有时间晃动可达到最 小。这一比值却好就是触发比 P: P=VT/Vi 如果能对每一个信号作到恒定的触发比，就可以选择 合适的比值，使探测器的固有时间晃动最小。同时能克服 幅度游动效应。
•具有这种功能的电路通常称为符合电路 ， 1 ＋ 2为其分辨时间。（也就是时间 间隔阈值）。
•经常遇到的情况是处理二个输入信号的符合电路，称为二重符合电路。二个输
入信号到达的时间分别为t1和t2 ，若满足
-1 < t1－t2 < 2 (1 , 2 >0）
在输出端产生逻辑信号输出，否则将不产生输出 。 1 ＋ 2为其分辨时间。
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§2. 定时技术
一．产生时间晃动的几个主要因素 二．时间晃动大小的度量 三．前沿定时甄别器-固定阈值甄别器 四．恒比定时甄别器（CFD） 五．幅度和上升时间补偿定时（ARC）
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一． 产生时间晃动的几个主要因素
输入到时间信息分析系统的信号出现时间晃 动主要有以下几个因素：
1. 探测器的固有晃动。 2. 噪声引起时检电路输出的时间晃动。 3. 幅度时间游动效应。 4. 上升时间游动效应。 以上几种因素在不同条件下对晃动所起的影响是
核电子学方法
第五章 时间信息的分析
1
第五章 时间信息的分析
§1 概 述 §2 定时技术 §3 符合电路 §4 时间分析器 §5 脉冲形状甄别（PSD）
结束 2
§1. 概 述
一．时间信息分析所要解决的基本问题 二．时间信号的检出
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3
一． 时间信息分析所要解决的基本问题
1. 时间间隔甄别 2. 时间间隔测量
时间延迟差 td=(t2-t1)应为：
td
VT Vi2
tmVi
td随Vi变化而发生变化称为幅度时间游动效应。显而可见 VT和tm越小， td变化
量就越小，幅度时间游动效应就越小
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前沿定时特性分析（二）
• 上述讨论在Vi很小情况下，如果Vi变化很大时，服从某 一种分布规律，要得到 td必须Vi的概率密度函数求得td 的概率密度函数，得到 td。
0 t tm tm t td td t td tm t td tm
从负极性变到正极性的过零时刻 ：
tz td Pm t
由此可知
(1)过零点与信号幅度无关 (2)在tz时刻，对于任何幅度都一样。
因此tz是一个理想的时刻，既克服了游动效应，又在此 时刻的信号值与总幅度之比为一恒值。在这一时刻检 出信号可以达到恒比定时的目的。图中过零甄别器 ZCD起到在时刻检出信号的作用
• 若达峰时间 tm发生变化（也就是上
升时间发生变化），延迟时间的变化
为：
td
VT Vi
tm
这称为上升时间游动效应。
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基本电路构型
• 高速运算放大器（例如THS3201、OPA847等）构成的施 米特甄别器；
• 高速比较器（例如AD96687）构成的截止式放大器型甄 别器；
• 双阈甄别电路。
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噪声引起时检电路输出的时间晃动
• 噪声叠加在信号之上将引起时检电路输出 的时间晃动。
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幅度时间游动效应
• 不同幅度经过时检电路之后在输出时间上 产生差异 ，探测器输出信号幅度的随机变 化造成了时间上晃动，称为幅度时间游动 效应。
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上升时间游动效应
• 不同上升时间的信号经过时检电路之后会产生在输出信号 时间上差异 ，而有些探测元件输出信号上升时间也存在 随机变化，这也就带来了时检电路的输出信号在时间上晃 动。这称为上升时间游动效应。
• 输出端的数码值为
L1
m Ai 2i
i0
t2t1m0 T ,其 中 T 0
其中T0为LSB所对应的时间间隔。
• TDC的输出再送到数据获取系统进行数据采集与存储，它的功能与多
道幅度分析器中数据获取系统相同。
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时间信号的检出
• 无论是送到符合电路还是送到TDC的信号，要求它的出现时刻与粒子 击中探测器的时刻能精确地相对应。事件的产生到信号进入时间信息 分析电路之间，大体上如以下过程所示： 核事件产生粒子→探测器被击中（t0时刻）→探测器信号输出（t1时刻 出现信号）→电子学电路信号处理（放大、成形等）→时检电路检出 信号送到时间信号分析电路或符合电路输入端（t0’时刻出现信号）。
• 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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时间间隔甄别器的基本功能
• N个信号加入它的输入端为 u1,u2….ui…. uN-1,uN，它们分别在 ti（i=1,2…N）时刻到达甄别器的输 入端，其中任意一对信号间的时间差 都满足：
-1 < ti－tj < 2 (1 , 2 >0）
在输出端产生逻辑信号输出 ， 只要有任意一对信号不满足上述条件， 将不产生输出。
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时间信号的检出
• 在讨论时间信号检出时，从探测器输出的电流信号有以 下几点需要考虑： 1. 延迟。t1在t0之后一定时间之后出现 2. 展宽。实际的电流信号不是一个信号 3. 涨落。( t0’- t0)是一个随机量，而且信号形状也会 随机变化。
• 时检电路的功能是使的涨落尽可能小，或者说的晃动很 小。
• 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。
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时间分析器的基本功能
• 由时间间隔编码器与数据获取系统组成的时间分析器，用来完成时间 间隔测量。
• 时间间隔编码电路是时间间隔测量中关键部件，通常称它为时间－数
字转换器（TDC ,Time to Digit Conversion ）。
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时间间隔甄别
• 时间间隔甄别应用实例 • 时间间隔甄别器的基本功能
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时间间隔甄别应用实例
电子正电子对撞实验中，产生μ+和μ-的事例
ee
•探测器D1和探测器D2相距有几十米以上， 对称排布，用来测定子。 •因为+和-的动量相等，且对面碰撞， 根据动量守恒定律，和飞行方向相反， 飞行速度近似相同，从对撞点飞出，应 几乎同时分别击中D1和D2 。 •随着击中D1和D2 位置不同信号S1和S2产生时刻发生差别，如果最大时差值 为5ns，那么S1和S2时间间隔小于5ns的事例应该是+和-事例的的一个“候 选”条件，这样可以排斥掉很多本底事件。例如宇宙射线穿过探测器系统 ， D1和D2是先后被击中， S1和S2的时间间隔将会大于 5ns，不满足此“候选”条 件，应该被排斥掉 。 •需要用一个时间间隔甄别器来作为事例的选择 。
返回29
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。
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恒比定时甄别原理
➢ 用 ui(t)来近似描述输入信号:
Vi (t)
Vi tm
t
0t tm
输出信号对输入信号的时间延迟可以表示为：
td tt t
其中ti为输入信号从出现到上升为VT所需时 间，t为渡越时间，假定在快甄别器情况 下， t很小 ，暂不加以考虑 。
td
tt
VT Vi
tm
在Vi由Vi1变为Vi2时，Vi= (Vi1 -Vi2)，如果Vi很小，则输出信号对输入信号的
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二．时间晃动大小的度量
• 时检电路信号输出与粒子击中探测器之间的时间差
td=（t0’-t0）是随机量，它服从一定的分布规律， td的概率
密度函数为 Pd（td），可以得到各级矩：
td
td
0 td Pd (td )dtd
t
2 d
n
td
td2 tdn
0td2Pd (td )dtd
t n
但是这样也会带来一个问题，
输出信号前沿时刻在略超过情况 下亦会落在之后，又将造成输出 信号对应的前沿定时时刻。为此 在门Y1输出处加上一延迟线作适 当延迟，以保证输出信号前沿在 DT输出信号之后。
返回35
双极性信号成形方法
1. 延迟线成形 2. RC成形
0d
Pd
(td
)dtd
一级矩 二级矩 n级矩
由此推知td的随机变化情况，来度量的晃动大小 。
一般可以假设td服从高斯分布，t d 和(td td )2 是关键 参量
t 2d (td td )2 0 (td td )2 P d (td )d dt
作为时间晃动的度量
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二． 时间晃动大小的度量
• 二个信号时间间隔及其晃动量
源 ，几乎是同时发射 两个粒子[1和2 ]）；
测量计数随τ（即时间间隔）值变化曲线 ，图中求得 t d
和半高全宽时间FWHMtd ,时间晃动为
td
1 2.35FWHM td
2返1 回
三． 前沿定时甄别器-固定阈值甄别器
• 前沿定时特性分析 • 基本电路构型
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前沿定时特性分析（一）
• 将输入信号前沿近似看成线性上升，可用下述关系表示：
t0' 2t0' 1
(t02t01)(td2 td1)
td 2 t02 t02 td1 t01 t01
( t02 t0)1(td2td1)
2 [(td2 td1)(td2 td1)]2
2
2来自百度文库
td1 td2
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二．时间晃动大小的度量
• 时间晃动实验测量
在实验上可以用同一瞬间产生两个粒子的放射源（如60Co
经过衰减倒相后信号（其中为衰减因子）：
经延迟后的信号
ui(t)PUi ttm 0t tm PUi t tm
0
ui(t)
Ui
t
td tm
Ui
t td td t tm td t td
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恒比定时甄别原理
经过相加电路之后是一个双极性信号：
u1(t) U iPPUUt tii mtttmd P
Ui 1 P
不相同的，因而要具体加以分析，分清主次。 着重分析幅度和上升时间游动效应产生的时间 晃动及其解决办法。
返1回4
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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高速比较器AD96687构成的甄别器
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双阈甄别电路
• 由于幅度效应，前沿定时会有较大的定时误差。降低甄别阈，是减 少这一误差的重要措施。但甄别阈的减少将会明显引起噪声误触发， 为此，设计了双阈甄别电路，采用低阈定时，高阈选通的方案，既 可减少噪声影响，又由于甄别阈的降低，还可减少由于幅度效应引 起的时间游动
选择 1 = 2 = ，则分辨时间为2 （或称为符合时间窗宽）。
返7回
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。
ui(ttz)PV i
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恒比定时甄别器实现
• 门控型恒比定时甄别器 • 双予甄别门控型恒比定时甄别器 • 双极性信号成形方法
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门控型恒比定时甄别器
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双予甄别门控型恒比定时甄别器
成形电路采用恒比成形时，常常取其延迟电路的延迟时间略大于tm， 但对于小幅度输入信号，特别是刚过阈值的信号，触发时间已接近而超 阈幅度很小，因此甄别器的渡越时间比较长，有可能使前沿甄别器输出 信号落在过零时刻之后，这样一来就成为前沿定时了。因此，上述电路 对小信号（即刚过触发阈的信号）就起不到恒比定时作用了。为此，提 出一种改进方案，即双予甄别门控型恒比定时甄别器，它是在门控型恒 比定时甄别器电路基础上再加上一个固定阈值甄别器DT，其阈值比的阈 值要大 。在小信号时（即输入信号幅度略大于 VTP）不能触发 DT，因 而最后不产生输出。只有输入信号幅度大于 VTT才能触发 DT，产生最后 输出，这时DP的输出信号不会落在过零时刻之后，保证了恒比定时。