核电子学与核仪器课件17.pptx
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核电子学与核仪器课件6[1]
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核电子学与核仪器课件6[1]
二、电荷灵敏前置放大器
n 2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
¨ 前置放大器的串联噪声和并联噪声
探测器-前置放大器第一级的信号和主要噪声源的等 效电路。
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核电子学与核仪器课件6[1]
二、电荷灵敏前置放大器
n 2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
（2）低温运用。当温度T低时，a噪声较小，而且 由于探测器漏电流及场效应管栅极漏电流减少也 使b噪声减少。特别是场效应管的跨导也与温度有 关，在一定温度范围内，gm值要比常温大一倍左 右。
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核电子学与核仪器课件6[1]
二、电荷灵敏前置放大器
n 2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
¨ 降低前置放大器噪声的措施
n 2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
¨ 前置放大器中a噪声和b噪声和c噪声
以a、b、c输入并联电流噪声表示的等效电路：
•等效输入端电流噪声
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•等效输出端电压噪声
核电子学与核仪器课件6[1]
二、电荷灵敏前置放大器
n 2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
¨ 前置放大器中a噪声和b噪声和c噪声
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核电子学与核仪器课件6[1]
二、电荷灵敏前置放大器
n 2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
¨ 前置放大器的串联噪声和并联噪声
当反馈足够深时 由图(a)
由图(b)
最终得到
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核电子学与核仪器课件6[1]
二、电荷灵敏前置放大器
n 2.3电荷灵敏前置放大器的噪声分析
¨ 前置放大器的串联噪声和并联噪声
变换增益、输出稳定性、输出噪声、输出脉冲上 升时间及其稳定性、计数率效应
核电子学与核仪器课件16
一、时间分析概述
n 所谓时间分析是指测量的两个相关核事件的时间 间隔概率密度分布。表征一个时间分析系统的主 要特性是时间分辨，它是指系统能分开两个事件 的能力。目前，用电子学方法测量最小时间间隔 约为10-13s。
n 电子学测量时间间隔的范围大概为10-3—10-12s之间。 通常μs量级的定时称为慢定时，ps量级的定时称为 快定时。
触发电路用作定时电路将会存在延迟。
路漫漫其悠远
核电子学与核仪器课件16
二、定时方法
n 2.1前沿定时
¨ 前沿定时误差分析
将输入信号用方程式表 示如下：
路漫漫其悠远
定时时间：
核电子学与核仪器课件16
二、定时方法
¨ 前沿定时误差分析
1）输入信号幅度和上升时间变化引起的时间移动
信号幅度变，上升时间不变：
噪声均方根值为vn 噪声引起的过阈时间的标准偏差
路漫漫其悠远
核电子学与核仪器课件16
二、定时方法
4）输入信号统计涨落引起的时间晃动
对于同一种类、同一能量的入射粒子，即使入射 到探测器同一区域，探测器输出信号的产生时间、 幅度和波形也是涨落的。信号的统计涨落将引起 定时的时间晃动。当然，如果定时电路能够消除 由于幅度和上升时间变化而产生的时间移动，就 能消除由于幅度和上升时间涨落而产生的时间晃 动。但是，探测器输出信号产生时间相对于粒子 入射时刻的涨落和信号波形的涨落，仍将引起定 时电路的时间晃动 。
核电子学与核仪器-课件 16
路漫漫其悠远
2020/11/19
核电子学与核仪器课件16
第四章关键点
n 脉冲幅度甄别器
工作原理、微分谱、积分谱、一般要求、半计数法
n 单道脉冲幅度甄别器
核电子学课件 PPT
对于一个实际甄别器不可能全部满足上述要求。一 般根据不同的测量对象，侧重于某些方面的要求。
一、脉冲幅度甄别器
• 1.1脉冲幅度甄别器的一般要求
实际甄别器根据其速度不同分为中(低)速甄别器和高速 甄别器两类。 脉冲幅度甄别器主要的技术指标为：
（1）输入灵敏度 甄别器的输入灵敏度指甄别器能输出脉冲的最小输入脉冲幅 度。一般为几十毫伏。 （2）甄别阈范围 一般甄别器的甄别阈范围为几十毫伏到几伏，最大阈电压与 最小阈电压之比称为甄别器的动态范围。
怎样用单道脉冲幅度分析器来获得微分谱？
二、单道脉冲幅度分析器
• 2.1单道脉冲幅度分析器工作原理
电路的基本工作原理： 上甄别器
VU＝VL＋VW VU
G1
v1
H=VU -VL
VU
VL
v1
vo
VL VL
下甄别器
vo
G2
二、单道脉冲幅度分析器
• 2.1单道脉冲幅度分析器工作原理
vU
存在问题： v1 v1
一、脉冲幅度甄别器
• 脉冲幅度选择的基本电路是脉冲幅度甄别器。它有一个阈 电压，称为甄别阈。输入脉冲幅度大于给定的甄别阈时， 输出一个脉冲，输入脉冲幅度小于给定的甄别阈时则无脉 冲 输 出 。 有 无 脉 冲 输 出 输 出 可 分 别 用 逻 辑 “ 1” 或 逻 辑 “0”表示。
甄别器及其工作波形
二、单道脉冲幅度分析器
• 2.1单道脉冲幅度分析器工作原理
简称：（单道）
（Single Channel Analyzer）L
VU
VL
用途：限定信
号的幅度范围。 v1
vo
二、单道脉冲幅度分析器
• 2.1单道脉冲幅度分析器工作原理 几个概念 1）上阈：VU 下阈：VL 2）道宽与阈 道宽：上下阈之差 VW= VU -VL
一、脉冲幅度甄别器
• 1.1脉冲幅度甄别器的一般要求
实际甄别器根据其速度不同分为中(低)速甄别器和高速 甄别器两类。 脉冲幅度甄别器主要的技术指标为：
（1）输入灵敏度 甄别器的输入灵敏度指甄别器能输出脉冲的最小输入脉冲幅 度。一般为几十毫伏。 （2）甄别阈范围 一般甄别器的甄别阈范围为几十毫伏到几伏，最大阈电压与 最小阈电压之比称为甄别器的动态范围。
怎样用单道脉冲幅度分析器来获得微分谱？
二、单道脉冲幅度分析器
• 2.1单道脉冲幅度分析器工作原理
电路的基本工作原理： 上甄别器
VU＝VL＋VW VU
G1
v1
H=VU -VL
VU
VL
v1
vo
VL VL
下甄别器
vo
G2
二、单道脉冲幅度分析器
• 2.1单道脉冲幅度分析器工作原理
vU
存在问题： v1 v1
一、脉冲幅度甄别器
• 脉冲幅度选择的基本电路是脉冲幅度甄别器。它有一个阈 电压，称为甄别阈。输入脉冲幅度大于给定的甄别阈时， 输出一个脉冲，输入脉冲幅度小于给定的甄别阈时则无脉 冲 输 出 。 有 无 脉 冲 输 出 输 出 可 分 别 用 逻 辑 “ 1” 或 逻 辑 “0”表示。
甄别器及其工作波形
二、单道脉冲幅度分析器
• 2.1单道脉冲幅度分析器工作原理
简称：（单道）
（Single Channel Analyzer）L
VU
VL
用途：限定信
号的幅度范围。 v1
vo
二、单道脉冲幅度分析器
• 2.1单道脉冲幅度分析器工作原理 几个概念 1）上阈：VU 下阈：VL 2）道宽与阈 道宽：上下阈之差 VW= VU -VL
核电子学与核仪器课件17
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核电子学与核仪器课件17
符合曲线测量装置及符合曲线
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核电子学与核仪器课件17
三、符合
n 3.2符合电路
¨ 慢符合电路
n 慢符合电路的分辨时间范围 大概为10ns到10μs之间。慢 符合电路单元大多用与非门 作成。
n 实际符合电路都需要一个比 较好的输入成形级，使输入 信号成形为宽度相同且稳定 的脉冲信号。
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核电子学与核仪器课件17
¨ 快信号传输和传输电缆
n 在使用电缆传输信号时，需要区分所传输的脉冲 信号是快脉冲还是慢脉冲。由于所用电缆的传输 速 度 一 般 为 vp=3.3ns/m ， 所 以 信 号 在 电 缆 中 的 传 输时间为：t=vp·l。信号的上升时间tr<t为快脉冲； 上升时间tr>t为慢脉冲。
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核电子学与核仪器课件17
三、符合
n 3.1符合方法
•分辨时间：能够产生符合输出 的几个输入端脉冲之间的最大 时间间隔。
符合单元的工作波形
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核电子学与核仪器课件17
三、符合
n 3.1符合方法
符合电路所能识别的“同时”，不是严格的同时， 只表明两输入脉冲的到达时间在一定范围内。所 以tW越大，发生偶然符合的概率就越大。但是， tW也不能选得太小。由于探测器输出信号存在时 间涨落和实际的时检电路存在时间移动和晃动， 真符合事件产生的两信号可能不同时到达符合电 路，在tW过小时将有真符合计数损失，所以要根 据实际条件合适选择tW。选择时主要考虑的问题 就是真符合效率和偶然符合计数率。
¨ 起-停型时幅变换
时间间隔变换成脉冲幅度的最简单方法是在起始信号 与停止信号之间的时间间隔内，用恒定电流充电的方 法。
核电子学与核仪器课件3[1]
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核电子学与核仪器课件3[1]
一、核辐射探测器及其输出信号
n 1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号
(1)核辐射探测器实质上就是一个能量-电荷转换器， 用于把抽象的核辐射信息转换成具体的电信号； (2)对核辐射信息的处理实际上就是对探测器输出信号 的处理，从探测器输出信号中提取出核辐射信息，并 转换成相应的物理量； (3)核辐射探测器通常可以看成是一个电流源； (4)不同的探测器，其能量-电荷转换过程及持续时间 是不同的，输出信号各有其特点，需采用不同的处理 方法或手段。
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核电子学与核仪器课件3[1]
一、核辐射探测器及其输出信号
1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号
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。
n 一、核辐射探测器及其输出信号
1.1核辐射探测器的要求和特点 1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号 1.3核辐射探测器的基本性能 1.4核辐射探测器的输出电路 1.5核辐射探测器输出信号的数学模拟
n 二、核电子学中的噪声
2.1噪声对核测量的影响 2.2噪声的分类和噪声源
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核电子学与核仪器课件3[1]
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核电子学与核仪器课件3[1]
一、核辐射探测器及其输出信号
n 1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号
¨ 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。
核电子学与核仪器课件5[1]
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减少外界干扰，提高信噪比，并使连接信号用的高频电
缆阻抗相匹配，通常把放大器分成前置放大器和主放大
器两部分。(在实际测量中，前置放大器的参数很少变动，
பைடு நூலகம்
而由后面的主放大器来调节。)
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核电子学与核仪器课件5[1]
一、概述
n 1.1前置放大器的作用
¨ 提高系统的信噪比
•布局1：传输线 长，分布电容大， 信噪比小。
n 2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性
¨ 变换增益 此外，还可以定义能量变换增益ACE，它表示相 应于单位能量的射线被探测时，前置放大器输出 幅度的大小。
一般，探测器输出信号幅度经过前置放大器放大后比
探测器直接输出的信号要大一个数量级，相对于毫伏 量级的一般干扰，前置放大器输出信号的抗干扰能力 要强的多。
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核电子学与核仪器课件5[1]
二、电荷灵敏前置放大器
n 2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性
¨ 计数率效应
当输入单个电流Q·δ(t)时，由于反馈放大器输入端为虚 地，则输出电压为
如输出信号的平均计数率为n时，每个电流脉冲的电荷 量为Q，则堆积的输出信号的平均值为
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核电子学与核仪器课件5[1]
n 积分电路与微分电路
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核电子学与核仪器课件5[1]
本堂课主要内容：
n 一、概述
1.1前置放大器的作用 1.2前置放大器的分类
n 二、电荷灵敏前置放大器
2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性 2.2电荷灵敏前置放大器的基本电路和实例分析
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核电子学与核仪器课件5[1]
一、概述
电压灵敏前置放大器的主要问题是输入端总电容Ci决定 于CD、CA和CS，它们不是稳定不变的。例如，放大器 输入电容CA可能由于输入级增益不稳定而变化；使用 P-N结半导体探测器时，如偏压不稳定，则其结电容CD 将发生变化等等；这时Ci也就随之变化。当Ci不稳定时， 输出电压幅度也不稳定，在能谱测量中，这将使系统 的分辨率降低。在输入端并联大容量的电容器可减小 输入总电容中不稳定因素的相对影响，然而，这将使 信号幅度减小，信噪比降低。
核电子学与核仪器
1．解释：核辐射探测器辐射探测器是将入射射线的信息(能量、强度、种类等)转换成电信号或者其它易测量信号的转换器，即传感器或换能器。
是用来对核辐射和粒子的微观现象，进行观察和研究的传感器件﹑装置或材料。
2．核辐射探测的主要内容有哪些？辐射探测的主要内容有：记录入射粒子的数量(射线强度)，测定射线的种类，确定射线的能量等。
应用要求不同，探测的内容可能不同，使用的辐射探测器也可能不同。
3．常见的核辐射探测器按工作原理可分成哪几类？常见的辐射探测器，按工作原理可分成以下几类:①利用射线通过物质产生的电离现象做成的辐射探测器，例如，电离室、半导体探测器等。
②利用射线通过物质产生荧光现象做成的探测器，例如，闪烁计数器。
③利用辐射损伤现象做成的探测器，例如，径迹探测器。
④利用射线与物质作用产生的其他现象，例如，热释光探测器。
⑤利用射线对某些物质的核反应、或相互碰撞产生易于探测的次级粒子做成的探测器，例如，中子计数管。
⑥利用其他原理做成的辐射探测器。
4．闪烁计数器由哪几个部分组成？答：闪烁计数器由闪烁体和光电倍增管等组成。
5．核辐射探测器输出的脉冲，其哪些参量与射线强弱、能量大小有着什么样的定性关系？入射射线强时，单位时间内产生的脉冲数就多一些；入射粒子能量大时，产生的光子就多，脉冲幅度就大一些，从这些情况便可测知射线的强度与能量。
6．对用作核辐射探测器的闪烁体有哪些要求？①闪烁体应该有较大的阻止本领，这样才能使入射粒子在闪烁体中损耗较多的能量，使其更多地转换为光能，发出较亮的闪光。
为此，闪烁体的密度及原子序数大一些对测量γ射线是合适的。
②闪烁体应有较大的发光效率(也称转换效率)。
③闪烁体对自己发出的光应该是透明的，这样，闪烁体射出的光子可以大部分(或全部)穿过闪烁体,到达其后的光电倍增管的阴极上，产生更多的光电子。
④闪烁体的发光时间应该尽可能短。
闪烁体的发光时间越短，它的时间分辨能力也就越强，在一定时间间隔内，能够观测的现象也就更多，可以避免信号的重叠。
核电子学基础 ppt课件
频域卷积
若 Z[ x( n)] X ( z ) 1 Z[h( n)] H ( z ) z 1 则 Z[ x( n)h( n)] X ( ) H ( v ) v dv C 1 2 j v
PPT课件 16
3、Z变换的性质
帕色伐尔定理
若 Z [ x( n)] X ( z )
*
Z [h( n)] H ( z )且令z e j
1 则 x ( n )h ( n ) 2 n=-
2
X ( ) H * ( )d
当x ( n) h( n)时，上式变成
n=-
1 x ( n) 2
2
X ( ) d
PPT课件 17
3、Z变换的性质
PPT课件 14
3、Z变换的性质
z域尺度变换
若 Z [ x ( n)] X ( z ) z 则 Z [a x( n)] X ( ) a
n
时间反转
若 Z[ x(n)] X ( z ) 则 Z[ x( n)] X ( z )
PPT课件 15
3、Z变换的性质
时域卷积
若 Z[ x(n)] X ( z ) Z[ y(n)] Y ( z ) 则 Z[ x(n)* y(n)] X ( z )Y ( z )
u( t t 0 )
1 1 j t0 W XY ( ) X ( )Y ( ) பைடு நூலகம் e j j
*
1 j t0 2 e 2
PPT课件
24
2、信号相关分析
信号的自相关函数
为了确定信号 x(t) 与其时移副本 x(t-τ) 之间的差别 程度或相似程度，定义了自相关函数
核电子学与核仪器课件2[1]
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核电子学与核仪器课件2[1]
一、气体探测器
n 1.2电离室的工作机制
¨ 电离室的工作方式 (1) 脉冲型工作状态
记录单个入射粒子的电离效应，处于这种工作状态 的电离室称为：脉冲电离室。
(2) 累计型工作状态
记录大量入射粒子平均电离效应，处于这种工作状 态的电离室称为：累计电离室。
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对不同的气体，W大约为30eV。
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核电子学与核仪器课件2[1]
一、气体探测器
n 1.1气体中离子与电子的运动规律
¨ 电子与离子在气体中的运动
当存在外加电场的作用情况时，离子和电子除了与 作热运动的气体分子碰撞而杂乱运动和因空间分布 不均匀造成的扩散运动外，还有由于外加电场的作 用沿电场方向定向漂移。
一、气体探测器
n 1.1气体中离子与电子的运动规律
¨ 气体的电离与激发 入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用， 使电子获得能量而引起原子的电离或激发。 入射粒子直接产生的离子对称为原电离。初电离产 生的高速电子足以使气体产生的电离称为次电离。
总电离 =原电离+ 次电离
电离能W：带电粒子在气体中产生一电子离子对 所需的平均能量。
n 入射粒子通过电离、激发等效应而在探测器 中沉积能量；
n 探测器通过各种机制将沉积能量转换成某种 形式的输出信号。
•辐射探测器学习要点（研究问题）：
• 探测器的工作机制； • 探测器的输出回路与输出信号； • 探测器的主要性能指标； • 探测器的典型应用。
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核电子学与核仪器课件2[1]
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核电子学与核仪器课件2[1]
一、气体探测器
《核电子学》课件——核电子学中的仪器标准
NIM信号标准
慢线性信号标准： 幅度：0~1V 或0~10V； 上升时间：50ns； 宽度：0.5~100s； 输入阻抗、输出阻抗无统一标准，现有插件（ORTEC）
中一般为输入阻抗1k，输出阻抗一般有两种：前面板 为<1，后面板93
快线性信号标准： 幅度：0~ -1V，0~ -5V或 0~ -10V； 上升时间：<50ns； 宽度：<1s； 输入阻抗50，输出阻抗很大或<1。
• CAMAC标准
核电子学领域的专业总线，没能在其他领
• FASTBUS 标准 域得到推广
• VME-VXI标准 • PCI-PXI标准 • USB标准
工业界的通用总线，近年来广泛应用于 核电子学领域
重点： 1. 核电子学仪器标准在哪些方面提出了规范要求？
机械标准、电气标准和总线标准 2. 几种典型的标准
Nuclear Instrument Module
最早提出的核电子学插件化的标准。NIM标准是在 计算机大量普及前制定的，因此，一般用于模拟 信号处理系统。
目前，除了前置放大器之外，所有进行模拟信号 处理的设备以及模数变换、计数电路等设备，在 国内外也都按NIM标准设计和生产。
NIM标准的确立大大提高了核电子学仪器的机械 互换性和电气互换性。
核电子学中的仪器和总线标准
NIM(-GPIB)标准： CAMAC标准 FASTBUS 标准 VME-VXI标准 PCI-PXI标准 USB标准
最早发展起来的核电子学标准，模拟仪器 核电子学领域的专业总线，没能在其他领 域得到推广
工业界的通用总线，近年来广泛应用于 核电子学领域
NIM标准
输入阻抗、输出阻抗 50
**由于信号的快上升时间，在负的快逻辑信号处理中必须 考虑电缆匹配的问题。
核电子学与核仪器课件
一、概述
1.3放大器的基本参量及测量方法
放大器的幅度过载特性
抗过载性能可用“过载恢复时间”来表示。其定义： 在给定过载程度的条件下，放大器输出波形回到基线 并保持在基线附近最大额定输出电压±1%的一个带内， 小信号增益已回到正常时所需要的时间。然而，由于 过载引起的下冲还与放大器的成形电路时间常数、输 入脉冲宽度有关，故通常是在一定成形时间常数下， 抗过载性能的表示：规定过载脉冲幅度为最大线性输 入幅度的多少倍，过载恢复时间则以不过载时的脉宽 多少倍来度量。
t'2 r2
t'2 rn
上升时间与带宽的关系： 快的上升时间相应有宽的频带，
0.35 f
tr
因此核测量用的脉冲放大器通常 是一个宽带放大器，而采用负反 馈是提高放大节上升时间很有效 的方法。
一、概述
1.3放大器的基本参量及测量方法
其它类型的一些放大器 (1)偏置放大器
(2)快脉冲放大器
快脉冲放大器是放大特别快的信号，往往要求在时间 信息方面使用。
An
1
Rf R
信噪比对比：
AS R f AS R R f
信号从同相端输入
An 1 An
二、谱仪放大器的放大节
2.2分立元件构成的 放大节电路
（1）采用差分放大器 作为输入级，可以提高 电路的抗过载性能。
二、谱仪放大器的放大节
2.2分立元件构成的 放大节电路
（2）采用交直流分开的 负反馈。从交流反馈来 看是电压串联负反馈， 故具有电压串联反馈的 一切优点。
放大器输出信号的形状，取决于成形滤波电路，所 以放大节上升时间必须比滤波成形电路的上升时间 小得多。
一、概述
1.3放大器的基本参量及测量方法
核电子学与核仪器课件3
随机性（时间、幅度）
信号弱，但跨度大（ μV~几十伏） 速度快
路漫漫其悠远
核电子学与核仪器课件3
一、核辐射探测器及其输出信号
n 1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号
¨ 核辐射探测器的分类 给出信号（电信号与非电信号） 电信号： 气体探测器（气体电离室，正比计数器，G-M 管等） 半导体探测器（ P-N结、PIN结、高纯锗等） 闪烁体探测器（=闪烁体+光电倍增管）
路漫漫其悠远
核电子学与核仪器课件3
一、核辐射探测器及其输出信号
n 1.1核辐射探测器的要求和特点
核辐射测量中，最基本的特点是它的统计性，因 为在核辐射探测器中，射线与物质相互作用的过 程是随机的，且核衰变过程也是也是以一定的概 率性来表现的；所以，必须对大量事物的统计规 律作出相应的处理和分析。
¨ 核电子学信号的特点
等效噪声电压：
路漫漫其悠远
核电子学与核仪器课件3
二、核电子学中的噪声
2.1噪声对核测量的影响
等效噪声电荷（ENC） 为了判断核谱测量系统对电荷量、能量的分辨 程度，也可将系统的输出端噪声折算到输入端， 给出噪声所对应的等效噪声电荷或等效噪声能 量。
等效噪声电荷：
路漫漫其悠远
核电子学与核仪器课件3
路漫漫其悠远
核电子学与核仪器课件3
一、核辐射探测器及其输出信号
n 1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号
(1)核辐射探测器实质上就是一个能量-电荷转换器， 用于把抽象的核辐射信息转换成具体的电信号；
(2)对核辐射信息的处理实际上就是对探测器输出信号 的处理，从探测器输出信号中提取出核辐射信息，并 转换成相应的物理量；
n 2.2噪声的分类与噪声源
核电子学中的主要噪声有三类： 散粒噪声（探测器漏电流的噪声、场效应管栅极 漏电流噪声） 热噪声（场效应管的沟道热噪声、电阻原件的热 噪声） 低频噪声（场效应管闪烁噪声）
信号弱，但跨度大（ μV~几十伏） 速度快
路漫漫其悠远
核电子学与核仪器课件3
一、核辐射探测器及其输出信号
n 1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号
¨ 核辐射探测器的分类 给出信号（电信号与非电信号） 电信号： 气体探测器（气体电离室，正比计数器，G-M 管等） 半导体探测器（ P-N结、PIN结、高纯锗等） 闪烁体探测器（=闪烁体+光电倍增管）
路漫漫其悠远
核电子学与核仪器课件3
一、核辐射探测器及其输出信号
n 1.1核辐射探测器的要求和特点
核辐射测量中，最基本的特点是它的统计性，因 为在核辐射探测器中，射线与物质相互作用的过 程是随机的，且核衰变过程也是也是以一定的概 率性来表现的；所以，必须对大量事物的统计规 律作出相应的处理和分析。
¨ 核电子学信号的特点
等效噪声电压：
路漫漫其悠远
核电子学与核仪器课件3
二、核电子学中的噪声
2.1噪声对核测量的影响
等效噪声电荷（ENC） 为了判断核谱测量系统对电荷量、能量的分辨 程度，也可将系统的输出端噪声折算到输入端， 给出噪声所对应的等效噪声电荷或等效噪声能 量。
等效噪声电荷：
路漫漫其悠远
核电子学与核仪器课件3
路漫漫其悠远
核电子学与核仪器课件3
一、核辐射探测器及其输出信号
n 1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号
(1)核辐射探测器实质上就是一个能量-电荷转换器， 用于把抽象的核辐射信息转换成具体的电信号；
(2)对核辐射信息的处理实际上就是对探测器输出信号 的处理，从探测器输出信号中提取出核辐射信息，并 转换成相应的物理量；
n 2.2噪声的分类与噪声源
核电子学中的主要噪声有三类： 散粒噪声（探测器漏电流的噪声、场效应管栅极 漏电流噪声） 热噪声（场效应管的沟道热噪声、电阻原件的热 噪声） 低频噪声（场效应管闪烁噪声）
核电子学及其进展ppt课件
o 积分和微分幅度甄别器(单道分析器)，进行一位模 数变换
o 模数变换电路(ADC)，进行一位以上模数变换 o 时间-数字变换器 o 位置编码电路
编辑版pppt
14
模数变换电路（ADC）
▪ 常用的几种ADC：
o 线性放电型ADC o 逐次比较型ADC
o 多甄别器型ADC (FADC)
• ADC的主要性能指标是微分非线性（DNL）和变换 时间；
• 线性放电型ADC微分非线性最佳，多甄别器型ADC 最差；
• 线性放电型ADC变换时间最长，多甄别器型ADC最 短；
• 微分非线性改善方法：道宽平滑器
编辑版pppt
15
时间-数字变换器
将二个信号之间的时间间隔数字化，按变换方法不同有 以下几种类型：
o 直接计数型TDC o 游标尺型TDC o TAC+ADC
编辑版pppt
20
高能物理实验的DAQ
粒子
触发判选
探测器
微弱信号
电子学
数据获取
离线分析
电子学：将探测器输出的信号放大、成形等处理后数字化，将信息暂存并 作数据预处理；
触发判选：选择满足物理条件的好事例，压缩本底事例；
数据获取和在线分析：读出通过触发判选的好事例数据，以数字形式记录 下来；给出反映探测器性能的各种统计图形以及所获事例的分类统计图形， 监测探测器与电子学工作状态；
编辑版pppt
24
NIM
在核仪器领域中NIM标准是一个公认的标准，该标准1964年 提出，1974年正式作为标准（TID20893 ）。
电源：6V，12V，24V
NIM逻辑信号定义：
正逻辑：
OUTPUT
INPUT
LOGIC 1
o 模数变换电路(ADC)，进行一位以上模数变换 o 时间-数字变换器 o 位置编码电路
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14
模数变换电路（ADC）
▪ 常用的几种ADC：
o 线性放电型ADC o 逐次比较型ADC
o 多甄别器型ADC (FADC)
• ADC的主要性能指标是微分非线性（DNL）和变换 时间；
• 线性放电型ADC微分非线性最佳，多甄别器型ADC 最差；
• 线性放电型ADC变换时间最长，多甄别器型ADC最 短；
• 微分非线性改善方法：道宽平滑器
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时间-数字变换器
将二个信号之间的时间间隔数字化，按变换方法不同有 以下几种类型：
o 直接计数型TDC o 游标尺型TDC o TAC+ADC
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20
高能物理实验的DAQ
粒子
触发判选
探测器
微弱信号
电子学
数据获取
离线分析
电子学：将探测器输出的信号放大、成形等处理后数字化，将信息暂存并 作数据预处理；
触发判选：选择满足物理条件的好事例，压缩本底事例；
数据获取和在线分析：读出通过触发判选的好事例数据，以数字形式记录 下来；给出反映探测器性能的各种统计图形以及所获事例的分类统计图形， 监测探测器与电子学工作状态；
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NIM
在核仪器领域中NIM标准是一个公认的标准，该标准1964年 提出，1974年正式作为标准（TID20893 ）。
电源：6V，12V，24V
NIM逻辑信号定义：
正逻辑：
OUTPUT
INPUT
LOGIC 1
《核电子学与核仪器概论》课程教学大纲
2
4
专业基础
选做
设计性
否
M2
4
实验
4
报告
34
实验4
辐射强度测量实验
熟悉定标器、计数计的工作原理；掌握定标器的定时、定计数测量方式使用方法；采用精密脉冲发生器输出进行强度测量。
M2
4
实验
4
报告
四、考核方式
序号
考核环节
操作细节
总评占比
1
平时作业
1.每周布置2~3道题目，平均每次课1道题以上。
2.成绩采用百分制，根据作业完成准确性、是否按时上交、是否独立完成评分。
27
第7章
数据获取和处理
本章的重点难点：定标器和计数率计的原理与电路结构；多道原理和结构
/
/
/
/
/
28
7.1
核脉冲计数
定标器；计数率计。
M1
2
讲授
/
/
29
7.2
核能谱数据获取和处理
多道分析器的基本原理和功能；计算机多道分析器的几种典型结构；能谱显示
M1
2
讲授
3
作业+应用实例学习
30
第8章
实验
课内实验
/
12
/
/
/
31
实验1
谱仪放大器实验
熟悉线性放大器的工作原理；掌握线性放大器的各性能指标的测量方法
M2
4
实验
4
报告
32
实验2
单道脉冲幅度分析器实验
熟悉单道脉冲幅度分析器的工作原理；掌握单道脉冲幅度分析器的甄别阈及道宽线的测量方法
M2
4
实验
4
报告
4
专业基础
选做
设计性
否
M2
4
实验
4
报告
34
实验4
辐射强度测量实验
熟悉定标器、计数计的工作原理；掌握定标器的定时、定计数测量方式使用方法；采用精密脉冲发生器输出进行强度测量。
M2
4
实验
4
报告
四、考核方式
序号
考核环节
操作细节
总评占比
1
平时作业
1.每周布置2~3道题目，平均每次课1道题以上。
2.成绩采用百分制，根据作业完成准确性、是否按时上交、是否独立完成评分。
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第7章
数据获取和处理
本章的重点难点：定标器和计数率计的原理与电路结构；多道原理和结构
/
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7.1
核脉冲计数
定标器；计数率计。
M1
2
讲授
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7.2
核能谱数据获取和处理
多道分析器的基本原理和功能；计算机多道分析器的几种典型结构；能谱显示
M1
2
讲授
3
作业+应用实例学习
30
第8章
实验
课内实验
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12
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31
实验1
谱仪放大器实验
熟悉线性放大器的工作原理；掌握线性放大器的各性能指标的测量方法
M2
4
实验
4
报告
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实验2
单道脉冲幅度分析器实验
熟悉单道脉冲幅度分析器的工作原理；掌握单道脉冲幅度分析器的甄别阈及道宽线的测量方法
M2
4
实验
4
报告
《高等核电子学》课件
04
核电子学应用领域
核能科学与工程
01 核能发电
核能科学与工程领域利用核裂变或核聚变反应产 生的能量进行发电，解决能源需求问题。
02 核燃料循环
核燃料循环涉及核燃料的提取、加工、再处理以 及废物处理等环节，旨在实现核燃料的可持续利 用。
03 核反应堆技术
核反应堆是实现可控核裂变反应的装置，涉及到 反应堆设计、运行与维护等方面的技术。
高等核电子学
目录
• 核电子学概述 • 核电子学基础知识 • 核电子学实验技术 • 核电子学应用领域 • 核电子学发展前景与挑战
01
核电子学概述
核电子学的定义与特点
核电子学是一门研究核辐射探测、测量和处理的科学，主要涉及核辐射与物质的相互作用、探 测器的设计制作以及信号处理等方面。
核电子学具有高灵敏度、高分辨率和高可靠性等特点，广泛应用于核物理实验、核医学成像、 放射性计量等领域。
03
核电子学实验技术
核电子学实验设备与仪器
放射性探测器
用于检测放射性物质发出的射线，如闪烁 计数器、半导体探测器等。
信号处理电路
用于对探测器输出的信号进行预处理，如 滤波、放大等。
电子倍增器
用于放大微弱信号，提高信号的信噪比。
数据采集系统
用于采集和处理实验数据，如多通道数据 采集卡、数字化仪等。
核医学与放射生物学
放射性药物
核医学利用放射性物质进行疾病 诊断和治疗，放射生物学则研究 放射性物质对生物体的影响和作
用机制。
医学影像技术
核医学影像技术如PET、SPECT等 ，能够提供高分辨率、高灵敏度的 医学影像，有助于疾病诊断。
放射治疗
放射治疗是利用放射线消除肿瘤细 胞的方法，核医学与放射生物学在 放射治疗药物的研发和治疗效果评 估方面发挥重要作用。
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输入端1成形电路
＋12V
100ns
tW
tW
2.6k
R1
A
D1 R4
1k
D4
D3
D2 R3
5.6k
v3
v2
v3
单稳电路
0V
v4
D5
v5
B
1
C2
5.5－18 p
甄别器
－12V
－12V
1
调
I
4.2k
分
恒流源
辨
500ns
v6
率 时
200
T 6.8
间 2k
680
C3
v
符合输出
单稳电路 （输出成形）
1
G
2
3
4.6k
3.1符合方法
理想的符合是指两个事件在时间上是完全重合的，但 实际上这是不可能的，因为任何一个核时间都有一定 的时间过程，所以实际的符合是指事件在一定的时间 间隔内的重合。 符合单元的基本逻辑功能相当于一个数字门电路。
三、符合
3.1符合方法
分辨时间：能够产生符合输出 的几个输入端脉冲之间的最大 时间间隔。
四、时间量变换方法
四、时间量变换方法
4.2时间-幅度变换
时幅变换原理电路框图
四、时间量变换方法
4.2时间-幅度变换
起-停型时幅变换 在前面的讨论中，都假设在测量时间间隔时，每 个起始信号都对应一个停止信号。但是，在实际 工作中，起始道对应的探测器和停止道对应的探 测器的探测效率不会完全相同，所以一个探测器 探测到的核辐射信号在另一个探测器可能探测不 到，因此，在时幅变换中，除了有起有停情况外， 还有另外两种情况：一个是有起始信号无停止信 号；另一个是有停止信号无起始信号。
目前，时间间隔数字编码的主要方法可分为两类。一 类是时间-数字变换，另一类是时间-幅度变换。
四、时间量变换方法
4.2时间-幅度变换(TAC)
实现时间-幅度变换就是把时间间隔的长短变换成幅 度的大小。按工作原理的不同，可以把时幅变换分成 两类：起停型时幅变换器和重叠型时幅变换。
起-停型时幅变换
时间间隔变换成脉冲幅度的最简单方法是在起始信号 与停止信号之间的时间间隔内，用恒定电流充电的方 法。
四、时间量变换方法
4.1时间分析
时间分析是分析一个核态与另一个核态之间的时间关 系，也就是测量核事件的时间间隔概率密度分布。一 个为起始事件，另一个事件为停止事件，两个事件相 对时间间隔大小是随机分布的。在电子学上，就是测 量相应的起始信号和停止信号之间时间间隔的分布。
一般，两个信号之间的时间间隔分布可用延迟符合方 法获得。延迟符合测量是改变两道符合输入信号之间 的相对延迟时间td，测量其相应的计数。设符合电路 分辨时间为τ，则对于延迟时间td，符合电路只选择那 些时间间隔落在td±τ中的脉冲对加以记录，逐点改变 td，就可以测得延迟符合曲线。
四、时间量变换方法
4.1时间分析
用上述的方法测量一个时间分布要花费很多时间，同 时也带来仪器长期稳定性问题，而且放射性活度的变 化也会影响到测量结果。为此，需要一次测量就能得 到时间间隔分布的多道时间分析器。
用多道时间分析器进行时间分析，与用多道脉冲幅度 分析器进行幅度分析类似，首先要将时间间隔作为数 字编码，然后对数字化信息进行统计和分析。多道分 析器在一次测量中能将具有各种时间间隔的脉冲对进 行分类。
+24V
I
4.2k
3
I
4.2k
2
三、符合
3.2符合电路
快符合电路 快符合电路单元是用高速元器件(高速隧道二极管、 高速二极管)做成的。
隧道二极管基本符合单元
相加型共基极快符合电路单元
三、符合
3.3快信号的传输和纳秒延迟器
快信号传输和传输电缆
在核电子学中，快信号在各个部件之间传输是由传输 电缆完成的。一般，信号在电缆中传输的速度为光速 的66%。若为延迟电缆，则中心导线是螺旋形的。
核电子学与核仪器
覃国秀
qinguoxiu198201@
Tel: 13807947408
核技术教研室
2009/06/04
本堂课主要内容
三、符合
3.1符合方法 3.2符合电路 3.3快信号的传输和纳秒延时器
四、时间量变换方法
4.1时间分析 4.2时间-幅度变换 4.3时间-数字变换
五、脉冲波形甄别
电缆的主要特性有特性阻抗、 单位长度电容和衰减系数。 当电缆与高压连接的时候， 还需注意电缆的耐压大小。
快信号传输和传输电缆
在使用电缆传输信号时，需要区分所传输的脉冲 信号是快脉冲还是慢脉冲。由于所用电缆的传输 速 度 一 般 为 vp=3.3ns/m ， 所 以 信 号 在 电 缆 中 的 传 输时间为：t=vp·l。信号的上升时间tr<t为快脉冲； 上升时间tr>t为慢脉冲。
符合曲线测量装置及符合曲线
三、符合
3.2符合电路
慢符合电路
慢符合电路的分辨时间范围 大概为10ns到10μs之间。慢 符合电路单元大多用与非门 作成。
实际符合电路都需要一个比 较好的输入成形级，使输入 信号成形为宽度相同且稳定 的脉冲信号。
输 入 端 成 形 电 路
v1
C1
150 p
R2 5.6k
符合单元的工作波形
探测器1 1
探测器2
2
时检1
tW
1
时检2
tW
2
3
三、符合
3.1符合方法
符合电路所能识别的“同时”，不是严格的同时， 只表明两输入脉冲的到达时间在一定范围内。所 以tW越大，发生偶然符合的概率就越大。但是， tW也不能选得太小。由于探测器输出信号存在时 间涨落和实际的时检电路存在时间移动和晃动， 真符合事件产生的两信号可能不同时到达符合电 路，在tW过小时将有真符合计数损失，所以要根 据实际条件合适选择tW。选择时主要考虑的问题 就是真符合效率和偶然符合计数率。
对于快脉冲的传输，特性阻抗的匹配时很重要的。
三、符合
3.3快信号的传输和纳秒延迟器
纳秒延时器 信号在传工处理过程中都会产生延迟。 信号的时间延迟是信号传输和加工的一个普遍现 象。对于时间测量系统，这些延迟会影响时间测 量结果。
纳秒延迟器一般由 延迟电缆和开关组 成。
三、符合
3.1符合方法
符合测量是辐射探测中的一种常用和基本的技术。
可用于确定两个或多个电离事件的同时性或时间 上的相关性。符合测量分正符合测量（简称符合 测量）和反符合测量。
探测器1 探测器2
时检电路1 时检电路2
td1
v1 1 2
符合电路
v3
nE (td )
计数器
td 2 v2
符合方法方框图
三、符合