《核数据处理》1 能谱数据的获取

x(n)
xCT
(t)
2N 1 R
（1-3）
其中称为ADC的分辨率。由于ADC分辨率的限制引起 离散化过程中脉冲幅度的变化称为量化误差，其大小 如式（1-4）所示：
q(n) x(ts ) xCT (t)（1-4）
为离散化后处的采样值，ADC的越大，则量化误差越 小。
本课程讲授的内容
核素库 能量刻度曲线
按工作原理分类： • 利用射线通过物质产生的荧光现象做成的辐射探测器。
闪烁体闪光越亮越好； 输出信号大，利于后续电路处理
闪烁时间越短越好； 能量线性好。
适于探测强辐射 甄别能量
常见的有：
NaI(Ti) CsI(Ti/Na) BGO LaBr3
ZnS(Ag) 6LiI(Eu) +n/γ
LiI(Eu) 7LiI(Eu) +γ
定性分析
能谱除噪
寻峰
峰面积计算
定量确定
效率刻度曲线
V
VMAX VT
0
t
tMAX tT
波形数字化过程中幅度亏损示意图
核信号顶部形状对幅度亏损影响示意图
采样频率对幅度亏损影响示意图
模拟信号经理想抽样后变成离散序列，该序列是有限
字长的二进制数，对于一个位ADC来说，若其转换量 程范围为[-R,R]，则其离散输出信号与连续输入的模 拟信号的关系如式（1-3）所示：
• 带电粒子：与物质中原子的轨道电子直接相互作用；
• γ/X射线 • 中子
本课程在核专业课中的位置
原子核物理
核辐射探测器
核仪器
核电子学
核数据处理
辐射剂量与防护 核环境学 核技术应用
1.1 核辐射探测器
按给出信息分类：
• 粒子进入探测器后，经过一定的处理才给出感官所能接受 的信息；
• 探测器接收到入射粒子后，立即给出/转换成相应的电信号。
核数据处理
第一章 能谱数据的获取
1.1 核辐射探测器
定义：
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。 光、热、色或径迹 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、 化学变化进行辐射探测的器件称为辐射探测器。
工作原理： • 基于粒子与物质的相互作用。
1.1 核辐射探测器
按工作原理分类： • 利用射线通过物质产生的电离现象做成的辐射探测器。
N
半导体探测器为什么能
量分辨率优？
■ 平均电离能小 ，且 与入射粒子能量无关；
复合区 饱和区
电离室
正比区
正比计 数管
雪崩区
G-M计 数管
■ 电离密度高 V ■ 能量线性宽
■ 分辨时间短，ns级
1.1 核辐射探测器
C
R1
R
VR(t)
R
f
R1
f
R1
R
R1 C
VR
t
RR1 t
V0 e R1
R1
R R1 RC
R R1
VR
t
V0
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e
1.2 模拟式能谱仪
主放大器：
探头 极性转 1 极零相消 2
输入 换电路
成形电路
滤波放 3 大电路
基线恢 输出 复电路
主放大器除具有良好的线性、稳定的增益的较强的抗过载 能力外，还应具备：
104 45
Rh
-
104 46
Pd
绝缘体(如衬硼，吸收中子)
1.1 核辐射探测器
按工作原理分类：
• 利用射线与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。
■ 中子激活探测器
109 47
Ag
n,
110 47
Ag
110Gd
2.8MeV
107 47
Ag
n,
108 47
Ag
108Gd
1.8MeV
t CH V ; m t CHV
I
T0 IT0
其中：T0为时钟周期；I为恒流源电流；CH为保持电容。
1.2 模拟式能谱仪
模数变换： ■ A/D转换电路 以AD1674为 例 输入脉冲幅度0-10V
输出数字000H-FFFH
1.3 数字核能谱仪
模拟式能谱仪结构图
典型的数字化能谱仪结构图
V
Vi(t)
Vi(t) V0
C
R
VR(t)
VR
t
Vi
t
e
t RC
Vi
t
t
e
Vi
t
V0
t
e f
2
VR(t) V0
VR
t
0
V0
f
f
f
f
1
0
O
t
O
t
VR(t0)
1.2 模拟式能谱仪
主放大器：
探头 极性转 1 极零相消 2
输入 换电路
成形电路
滤波放 3 大电路
基线恢 输出 复电路
Vi(t)
■由于探测器输出的信号比较小，提高信号的差异匹配后续 电路，必须对信号进行放大。
■ 直接将两者连接在一起，系统笨重，且可能受周围环境 （空间太小，辐射太强）的影响。
■ 同时为减少探测器输出端到放大器间的分布电容、匹配传 输线阻抗，减少外界干扰，提高信噪比。
前置放大器的作用：
■ 提高系统的信噪比 ■ 减少信号传输过程中外界干扰的相对影响 ■ 合理布局，便于调节和使用 ■ 实现阻抗转换与匹配
■ 把输入的小信号放大到所需的幅度；
■ 信号基线恢复； ■ 改造信号的形状，降低噪声。
1.2 模拟式能谱仪
单道脉冲幅度分析器：
上甄别器 VU=Vk+VL V’U 展宽 V’’U
Vin
VL 下甄别器
VU VL Vin V’U V’L V’’U V’’L Vout
V’L 延迟 V’’L
反符合电路
Vout
靶核：中子俘获截面大；
问题： 是否活化完成后立即
生成放射性核素半衰期适中；
测量？
物理、化学性质稳定。
为什么要冷却？冷却 时间如何把握？
1.1 核辐射探测器
按工作原理分类： • 利用射线与物质的相互作用的其它原理制成的辐射探测器 ■ 切伦琴科夫探测器 ■ 热释光探测器
1.2 模拟式能谱仪
谱仪中为什么需要前置放大器：
1.1 核辐射探测器
按工作原理分类： • 利用辐射损伤现象做成的探测器。
1.1 核辐射探测器
按工作原理分类： • 利用射线与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。
■ 自给能探测器 (β/电子发射探测器)
收集极
发射极，中子俘获截面
14053Rh n,
104 45
Rh
大的材料，如Rh(铑)
1.2 模拟式能谱仪
前置放大器的分类： ■电压灵敏前置放大器实际上就是电压放大器。
■ 电荷灵敏前置放大器就是带有电容负反馈的电流积分器。
■ 电流灵敏前置放大器是对探测器输出电流信号直接进行放 大。
1.2 模拟式能谱仪
主放大器：
探头 极性转 1 极零相消 2
输入 换电路
成形电路
滤波放 3 大电路
基线恢 输出 复电路
模数变换：
1.2 模拟式能谱仪
V U
比较器1
U
比较器2
U-V
控制电路
A/D转换
1.2 模拟式能谱仪
模数变换：
■ 一般线性放电法
工作原理 基于脉冲幅度与时间的线性变换
V t变换
模拟展宽 V
CH
I 线性放电
甄别成形
t
时钟T0
时钟门
t m变换
首先，将脉冲幅度V变 换成时间间隔Δt，然 后把时间间隔Δt变换 m 成数字，由此实现幅 t 度数字变换。