核信息获取与处理—绪论部分

一 核信息获取与处理系统构成概述

二 核信号特点及测量要求

三 核信息获取与处理进展简介

四 本课程主要内容及要求

一 核信息获取与处理系统构成概述

核技术应用系统中都需要进行核信息的获取和处理，才能完成对射线的测量、监控、分析和利用。对核辐射在探测器中形成的电信号进行获取与处理系统一般组成框图如下：

典型的核信息获取测试系统

实验测量系统的组成

刘书焕部分

数据获取部分和存储器等以硬件方式作为独立插件或插卡（称为MCB：MultiChannel Buffer）；控制和显示由PC机中运行的软件来实现（称为MCA Emulation Software）。

系统的基本组成

核测量系统通常由核辐射探测器和核电子学测量系统两部分组成。而核电子学测量系统包括模拟信号获取和处理，模数转换以及数据的获取和处理三部分。

（1)信号起源

（a）核辐射

也称为电离辐射、射线，泛指原子或原子核的某些过程（如核衰变或核裂变等）放出的粒子，或由加速器加速的离子或核反应产生的各种粒子，包括 （4He2+）、3He、p、d、t等重带电粒子，重离子和裂变碎片，e+、e-（ 射线）等轻带电粒子，X、 射线，中子等。包括：高能电磁波：X、γ射线；粒子:带电粒子、中性粒子等。

辐射以电磁波或粒子的形式向外放散。

Radiation used：Examples：

（b）辐射与探测器介质相互作用——能量-电荷转换The electrical signal is generated from the movement of ionization in the detecting medium.

Incident radiation quanta, or ionizing particles, impart sufficient energy to individual atomic electrons to form electron-ion pairs (e.g. in gas-based and liquid-based sensors) or electron-hole pairs (e.g. in semiconductor sensors).

Energy is measured in electron volts (eV). The eV is equal to the quantity of kinetic energy gained by a free electron when it moves through an electrostatic potential difference of one volt.

1 eV ≈ 1.6·10 19 Joule

In general：

Measure the amplitude and/or timing of the event.

(2)辐射探测器

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、化学变化进行核辐射探测的器件称为辐射探测器。

辐射探测的基本过程

(1)辐射粒子射入探测器的灵敏体积

(2)入射粒子通过电离、激发等过程而在探测器中沉积能量

(3)探测器通过各种机制将沉积能量转化成某种形式的输出信号

相应电荷量：

气体探测器

入射粒子在电离室中引起电离，电子、离子漂移形成电流；当外加电压升高时，探测器工作于正比区，就成为正比计数器；当气体放大倍数随电压急剧上升，电子雪崩持续发展成自激放电，则成为G-M计数器。

核辐射探测器输出信号类别：电信号与非电信号

输出电信号探测器基本类型：

总电子-离子对数：

电离室输出的电流波形

电流信号i(t)的时间持续过程，主要与电子和离子的漂移速度有关。通常，在电离室中电

子漂移速度较快，约微秒量级，而离子漂移速度慢得多，约毫秒量级。

脉冲电离室等效输出电路

探测器可等效为电流源

信号幅度：

用气体脉冲电离室对能量为1MeV的射线进行测量，分析输出电压信号幅度的量级（设脉冲电离室的分布电容为10pF）.

对后续电路（输出回路）的选择，取决于物理参数的测量

时间测量能谱测量

半导体探测器

常用的半导体探测器包括金硅面垒探测器、Ge(Li)和Si(Li)探测器、高纯锗探测器等，它们都是以半导体材料为探测介质，具有能量分辨率高，线性范围宽等优点。

等效电路

半导体探测器输出电路

闪烁体探测器

当射线入射到闪烁晶体时，先使闪烁体中的分子或原子激发，然后退激时发出荧光，此光脉冲射到光电倍增管的光阴极上转换成光电子，通过管内逐级倍增，最后在阳极上收集成为电流脉冲i(t)。

输出电流i(t)与闪烁体的发光效率、光阴极的灵敏度及光电倍增管的倍增系数有关。

闪烁探

测器

闪烁探测器输出电流和

电压分别为：

探测器可等效为一个电流源，电流脉冲中包含的时间特性和电荷信息与探测器种类有关

核辐射探测器输出信号的数学模拟

各类核辐射探测器通过后接输出电路，将被测量的核辐射信息转换成具有一定特性形状的波形。当信号延迟时间与输出电路时间常数相比小得多时，可以认为核辐射探测器信号主要以脉冲形式出现，探测到的单个或一群粒子转化成单个或一系列电脉冲，而且，当电荷收集时间较短时，可以认为是一种持续时间极短的电流冲击脉冲。

在数学上，引入单位冲击函数，则电流脉冲可用冲激脉冲来模拟。

冲击函数和冲击脉冲系列

核信号的统计性决定了处理问题的特殊性。上述表达式作为核电子学电路的

输入信号，它为后续电路对信号的处理和研究提供了数学模拟。

核辐射探测器输出信号：

核辐射探测器的输出信号是一系列幅度大小不一（多为mV量级）、波形不尽一致、前

后间隔疏密不均匀出现的时间随机分布的电荷或电流脉冲（持续时间为ns-s），它们是

由核辐射的性质及探测器的响应所决定的，对这些脉冲进行测量，可以得到有关核辐

射的信息核辐射探测器都能产生相应的输出电流i(t)，电路分析时，可把它等效为电流源；该输出电流i(t)具有一定形状，具有一定时间特性，在作时间测量时，由于要求保

持时间信息，可以直接利用这种电流源的时间特性，可用于时间分析；

探测器的时间特性：电离电荷的收集形成电流波形，其基本原理是电荷在电场作用下

的漂移，受探测器介质、结构和机理影响

如在输出电容上取积分电压信号Vc(t)，则Vc(t)正比于E，可做射线能量测量。

在作能谱分析时，因为与能量成正比的量是探测器收集的电荷或电荷在电容上的积分电压，所以要求探测器输出电荷或电压信号。

如果既要作时间测量，又要作能量测量，则应要求探测器既输出电流信号又输出电荷（或电压）信号。

探测器输出脉冲幅度在mV-V之间，对于小的信号需要放大，是否选择放大器与所使用

的探测器有关。

探测器输出脉冲波形与输出回路的时间常数有关，对于不同实验目的的实验测量系统，如能量测量、计数测量或时间测量，电子学插件的选用也不同。