核电子学与核仪器第16课时间分析讲解

一、时间分析概述
时间信息的分析是核电子学的一种基本和重要的 技术。核事件的许多信息是以时间信息方式存在 于核辐射探测器输出信息中。
在时间的测量和分析中，首先是用定时方法准确 的确定入射粒子进入探测器的时间。时间上相关 的事件可以用符合技术进行选择。时间间隔可通 过变换的方法，变成数字信号，从而编码分类计 数最后得到时间谱。
（5）时间变换器
把信号时间间隔变换成对应的数码，或者先将时间量变换 成数码。
一、时间分析概述
对一个包含时间信息的信号，若要精确的确定时 间，理想的是产生一个像δ(t-t0)函数那样的时间脉 冲。但是实际探测器输出信号不是理想的δ(t-t0)信 号，而是具有一定宽度的电流脉冲。
定时误差通常按误差产生的原因分为 两类：时间移动和时间晃动。时间移 动是输入脉冲的幅度和波形的变化引 起定时电路输出脉冲定时时刻的移动。 时间晃动是系统的噪声和探测器信号 的统计涨落引起的定时时刻的涨落。 时间漂移：元件老化、环境温度或 电源电压变化（属于慢变化）引起 的定时误差。
tL
VT

tM max Vi min

tM min Vi max

二、定时方法
2）超阈延迟 上面分析没有考虑甄别器的超阈延迟。实际上，
输入信号刚刚超过甄别阈时，甄别器并不立即产 生输出信号，而是要在信号超过甄别阈某一数值 后才触发；触发时间晚于上述的td1、td2、td3，分别
二、定时方法
2.1前沿定时
前沿定时误差分析
0
VT
(a) 输 入
v1 (t )
td1 td 2
C
B A
1 2
td 3 t
阈电平
3Hale Waihona Puke t(b) 输出
td1
td 2
td 3
t
(c) 输 出
将输入信号用方程式表 示如下：
vi
(t
)


t tM
VM
0

t

tM
VM
t tM
定时时间：
tL

VT VM
tM
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：
t LV

VT
tM
(Vimax Vi min Vi maxVi min
)
信号幅度不变，上升时间变：
t LT
VT VM
(tM max
tM min )
信号幅度、上升时间同时变：
前沿定时电路的优缺点：
优点：电路简单，噪声引起的时间晃动比恒比定 时或ARC定时小 缺点：时间移动大 ，定时误差大
二、定时方法
2.2过零定时
从前沿触发定时电路的分析中可以看出，要在输 入信号幅度变化时不产生时间移动，只有VT＝0。 这一点可用公式表示。令输入信号vi(t)＝Af(t)，A 表示幅度，则过阈时间tT决定于下式t的解：
一、时间分析概述
（2）快前置放大器
为了取得快时间信号，要求有快速时间响应的前置放大器 以保持输出信号时间信息不变，如快电流灵敏前放。
（3）定时滤波放大器
用于定时的前置放大器输出信号有时还需进一步放大才能 驱动定时电路，这就需要一种快速的主放大器。
（4）定时电路
用来确定粒子进入探测器的时间，它应该使各种因素对定 时产生的误差为最小。
二、定时方法
2.1前沿定时
触发比与斜率噪声比
为了减小时间移动和时间晃动，信号触发定时电路要
有一个合适的触发比。触发比指的是，探测器输出电
流脉冲使时检电路触发时的输出电荷量QT与电流脉冲
总电荷量Q之比。也可表示为：
f VT
VM
综合考虑触发比和噪声引起 误差的影响，定义斜率噪声 比为：
T
本章主要介绍时间信息的甄别和分析，包括定时 方法、符合技术和时间变换等内容。
一、时间分析概述
ΔE—E飞行时间望远镜
实际测量中，ΔE—E探测器 输出信号是通过放大器、定 时电路、时间数字变换器等 部件组成的时间测量系统进 行获取和分析的。
定时道各个部件简介
（1）探测器与输出电路
用于时间分析的探测器要有快响应性能。为了保持探测器 输出信号的快时间特性，要求探测器输出电路有快的时间 响应相配合。
存在超阈延迟△1、△2、△3。输出信号的实际产
生时间将为td1’、td2’、td3’ 。 信号前沿斜率越小，超阈延迟通常越大，所以超
阈延迟的存在将增大时间移动。
二、定时方法
3）噪声引起的时间晃动
a、时检电路输入信号上叠加的噪声引起的晃动，如图（a）。
b、时检电路本身的噪声引起的晃动，如图（b）。
目前，电子学部件的分辨时间可以达到几个ps， 它比核辐射探测器的分辨时间小得多。因此，整 个时间分析系统的时间分辨首先受到探测器时间 性能的限制。
二、定时方法
定时电路是核电子学中检出时间信息的基本单元，故 又称时间检出电路。它接收来自探测器的随机脉冲， 产生一个与输入脉冲时间上有确定关系的输出脉冲。

vi'(tT ) vn
二、定时方法
触发比与斜率噪声比
为了减小信号幅度和上升时间变化引起的时间移动， f应尽量小。但是为了保证定时电路不被噪声Vn触发， 又要求VT >(2-3)Vn，即要求f >(2-3)/η。η为信噪比 V/Vn。
为了减小噪声引起的时间晃动，触发比应选在信号上 升斜率最大处 。
td
t
0
td
t
0
阈电平
VT
v1
输
2 T 1
入
(a)
VT
2T 2
v1
输
入
(b)
噪声均方根值为vn 噪声引起的过阈时间的标准偏差
T1

vn vi (tT
)
T2

vV vi (tT
)
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
第四章关键点
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
单道脉冲幅度甄别器
工作原理、实验用单道脉冲幅度分析电路的结构、 技术指标
用于幅度分析的模数变换器
模数变换方法的基本原理、变换系数与道宽
线性门与展宽器
线性门(常闭线性门与常开线性门)、模拟展宽器 工作原理
线性放电型模数变换器
工作原理、参数调节与辅助电路、滑移标尺道宽 均匀器
逐次比较型模数变换器
数模变换器工作原理、逐次比较型模数变换器工 作原理、道宽均匀器工作原理 闪电型模数变换器、模数变换器的主要技术性能
本堂课主要内容
一、时间分析概述 二、定时方法
2.1前沿定时 2.2过零定时 2.3恒比定时 2.4幅度和上升时间补偿定时 2.5最佳定时滤波器与定时滤波放大器 2.6定时单道脉冲幅度分析器
一、时间分析概述
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。
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。
﹡
探测器
iD 快放大器
v1
vo
时检电路
因为探测器输出的脉冲上升时
间变化范围很大，输出脉冲幅
t
度变化范围也很大，再加上噪
iD
t
声的影响，所以精确定时有一
v1
t
定的困难。
vo
t
二、定时方法
2.1前沿定时
电路原理
0
VT
v1
FD
v2
v1
回差
VT
E
RV
v2
(tT )L
定时时间
前沿定时是检出定时信号的最简单方法，但是一个 触发电路用作定时电路将会存在延迟。
对于探测器输出信号幅度变化范围小和信号形状 不变化的情况，前沿定时的时间分辨率最好。对 于信号幅度变化范围大且信号形状不变化的情况， 恒比定时很有效。对于信号上升时间也变化的情 况，要用幅度和上升时间补偿定时。因此，任何 定时方法的选用都和探测器输出信号的特性、探 测器电荷收集特性有关。
二、定时方法
v12 (t ) Af (t td ) pAf (t )
Af (t0 td ) pAf (t0 )
不能消除上升 时间变化的影 响。
t0 td ptM
二、定时方法
2.4幅度和上升时间补偿定时
原理
幅度上升时间补偿定时，简称ARC定时，是恒比 定时方法的进一步发展。为了消除上升时间变化 引起的时间移动，可以取VT为：
度A成正比，设VT＝pA，则
Af (t T ) pA 0
上式的解与A无关，而触发比f=pA/A=p，恒定不变， 调节p可以很方便的调节触发比，使晃动最小。
特点：消除信号幅度变化引起的时间移动，触 发比可调。
二、定时方法
2.3恒比定时
恒比定时的两种结构：
二、定时方法
实现恒比定时的关键是如何得到VT=pA。