深圳大学实验报告课程名称：核物理实验（1）
实验名称：基础核电子学测量系统
学院：物理科学与技术学院
专业：12级核技术
指导教师：罗奇班级：12级核技术报告人：张云姗学号：2012180065 实验时间：2014.11.11
实验报告提交时间：
一、实验目的
本次实验主要是接触和认识核电子学插件，包括脉冲发生器、放大器、多道、计数器等一些基础常用的核电子学器件。
二、实验内容
（1）、认识脉冲发生器、放大器、多道、计数器
（2）、观察信号的形状，大小，以及信号是如何处理
（3）、测量放大器的稳定性
（4）、放大器的过载
（5）、什么是基线恢复和极零相消
（6）、测量信号的上升沿和下降沿
三、实验原理
1、核探测信号的特点：
1）信号弱，但跨度大，一般为几个μV至几个V。所以测量某些核信号时需要经过放大器放大信号才方便测量，避免外界过多的噪声干扰。
2）速度快。核反应速度很快，所以核信号测量时间一般很短。
3）概率性和统计性。这是核探测信号最基本的特点。因为核反应过程中，射线与物质的作用过程是随机的，核衰变过程也是概率性的事件，随机性主要表现为脉冲幅度的大小和相邻脉冲的时间间隔存在随机性；同时，在核物理实验中，常常不是研究个别信息，而是研究分布在大量信号里的某种信息，因此也需要对这些大量的信息做统计计数处理，也就是核探测信号的统计性。
2、基础常用核电子学器件的功能
1）脉冲发生器——用来产生信号的或是产生所需参数的电信号仪器。
脉冲信号发生器的输出信号幅度从小到大又从大到小的变化，产生这种信号的脉冲发生器就叫滑移脉冲发生器。
按其信号波形分为四大类：
①正弦信号发生：主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。
②函数（波形）信号发生器。能产生某些特定的周期性时间函数波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号，频率范围可从几个微赫到几十兆赫。
③脉冲信号发生器。能产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的发生器，可用以测试线性系统的瞬态响应，或用作模拟信号来测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的性能。
④随机信号发生器。通常又分为噪声信号发生器和伪随机信号发生器两类。噪声信号发生器主要用途为：在待测系统中引入一个随机信号，以模拟实际工作条件中的噪声而测定系统性能；外加一个已知噪声信号与系统内部噪声比较以测定噪声系数；用随机信号代替正弦或脉冲信号，以测定系统动态特性等。当用噪声信号进行相关函数测量时，若平均测量时间不够长，会出现统计性误差，可用伪随机信号来解决。
2）放大器
在核测量中常用的放大器有三种类型：
⑴谱仪放大器：用于能谱测量中信号放大，一般接在前置放大器之后，又称主放大器；
基本功能——放大来自前置放大器输出的信号，使其达到分析测量系统所要求的幅度范围；成形与滤波，用来尽可能减少谱形畸变和提高能量分辨。这包括提高信噪比、减少堆积和基线涨落、减小径迹亏损和提高抗幅度过载能力等方面，以满足物理实验的需要。
⑵快放大器：用于时间测量或高计数率条件下信号放大；
⑶弱电流放大器：用于强度测量中计数积累效应产生电信号的放大。
3）多道——通用的核谱数据获取和处理的仪器，用于数据采集，储存和能谱显示，井数据处理后输出最后结果；或者是输出待分析的数据。
多道幅度分析器主要包括模－数变换部分及存储器、显示器等；可对大量输入脉冲按幅值精细地分道记录，即把不同幅度的脉冲分别记录到相应的道址中，由此测得脉冲数随其幅值分布的谱形。其工作原理是：当输入幅度为A的脉冲时，经过模-数变换电路,转换为数字量D（作为道址码），接着把该道址中的计数加一，在测量过程中同时显示各道的计数增长过程,最后就得到幅度分布谱。多道分析器常是模-数变换后，直接送计算机的内存储器，称为计算机多道分析器。衡量多道分析器的主要技术指标有：道数、道宽及其稳定性、被测幅度与道址的线性好坏（包括积分线性和微分线性）、测量死时间等。多道分析器既可测量各种以幅度表示的能谱,也可配上时间-幅值变换作时间谱测量。多道分析器的采用，大大提高了核测量的精度与速度。
系统中显示器用于数据获取过程中、获取完毕后观察谱线；或以字符的形式显示多道分析器上的工作状态。在给出时间谱形曲线或能谱时，注意是以横坐标为道址，纵坐标为道的计数。
4）计数器——用于精密记录某一时间间隔内所测脉冲的个数，同时也具有分频的功能。
3、核脉冲信号形状特点
核脉冲信号幅度有大有小，因为信号弱，但跨度大，一般为几个μV至几个V。
总体来说核脉冲信号上升时间和下降时间较短，这是因为核反应速度很快，所以核信号产生和消失的时间一般很短。
核脉冲信号总体上呈现了不规则的几何形状，这是因为核反应过程中，射线与物质的作用过程是随机的，核衰变过程也是概率性的事件，随机性主要表现为脉冲幅度的大小和相邻脉冲的时间间隔存在随机性
第一章 1.1 核电子学与一般电子学的不同在哪里？以核探测器输出信号的特点来说明。 在核辐射测量中，最基本的特点是它的统计特性、非周期性、非等值性，核电子学分析这种信号，经处理得到有用的信息。 1.4 当探测器输出等效电流源/0()t o i t I e τ -=时，求此电流脉冲在 探测器输出回路上的输出波形并讨论R 0C 0<<τ的情况。 V 0(s) = I 0(s)·[R 0∥(1/sc)] = I 0[1/(s+1/τ)]·[R 0(1/sc 0)/( R 0+(1/sc 0)) =( I 0/ c 0)·{1/[(s+1/τ) (s+1/ R 0 c 0)]} ∴ 当R 0 c 0<<τ时，τ－R 0 c 0≈τ ∴
1.5 如图，设，求输出电压V(t)。 1.6 表示系统的噪声性能有哪几种方法？各有什么意义？输入端的噪声电压是否就是等效噪声电压？为什么？ ENV ENC ENN ENE η(FWHM)NE
不是 1.7 设探测器反向漏电流I D =10-8A ，后级电路频宽为1MHz,计算散粒噪声相应的方根值和相对于I D 的比值。 115.6610A -==? = 35.6610D I -=?= 1.8 试计算常温下（设T=300K ）5M Ω电阻上相应的均方根噪声电压值（同样设频宽为1MHz ），并与1MHz 能量在20pF 电容上的输出幅值作比较。 52.8810V -===? ∵ 2 12 E CV = ∴0.126V V == 1.9 求单个矩形脉冲f （t ）通过低通滤波器，RC=T ，RC=5T ，及RC=T/5，时的波形及频谱。
第一章 1.1 核电子学与一般电子学的不同在哪里？以核探测器输出信号的特点来说明。 在核辐射测量中，最基本的特点是它的统计特性、非周期性、非等值性，核电子学分析这种信号，经处理得到有用的信息。 1.4 当探测器输出等效电流源/0()t o i t I e τ -=时，求此电流脉冲在 探测器输出回路上的输出波形并讨论R 0C 0<<τ的情况。 V 0(s) = I 0(s)·[R 0∥(1/sc)] = I 0[1/(s+1/τ)]·[R 0(1/sc 0)/( R 0+(1/sc 0)) =( I 0/ c 0)·{1/[(s+1/τ) (s+1/ R 0 c 0)]} ∴ 0000000()1t t R C I R V t e e R C τ τ --??=- ? ???- 000000t t R C I R e e R C τττ--?? =- ? ?-? ? 当R 0 c 0<<τ时，τ－R 0 c 0≈τ
∴ 00 000 () t t R C V t I R e e τ - - ?? =- ? ? ?? 1.5 如图，设/ () T i t θ? =? ? 0t T t T ≤≤ ≥ ，求输出电压V(t)。 111 () Ts Ts Q Q e I s e T s s T s - - - ?? =-= ? ?? 11 () 1 H s c s τ = + 111 () 11 Ts Ts Q e Q Q V s e cT s cT cT s s τττ ττ - - - =-+ ++ ()()() / () t T t Q Q Q V t s t s t e e s t cT cT cT ττ τττ ττ - - - ∴=---+- ?? ??
深圳大学实验报告课程名称：核物理实验（1） 实验名称：基础核电子学测量系统 学院：物理科学与技术学院 专业：12级核技术 指导教师：罗奇班级：12级核技术报告人：张云姗学号：2012180065 实验时间：2014.11.11 实验报告提交时间：
一、实验目的 本次实验主要是接触和认识核电子学插件，包括脉冲发生器、放大器、多道、计数器等一些基础常用的核电子学器件。 二、实验内容 （1）、认识脉冲发生器、放大器、多道、计数器 （2）、观察信号的形状，大小，以及信号是如何处理 （3）、测量放大器的稳定性 （4）、放大器的过载 （5）、什么是基线恢复和极零相消 （6）、测量信号的上升沿和下降沿 三、实验原理 1、核探测信号的特点： 1）信号弱，但跨度大，一般为几个μV至几个V。所以测量某些核信号时需要经过放大器放大信号才方便测量，避免外界过多的噪声干扰。 2）速度快。核反应速度很快，所以核信号测量时间一般很短。 3）概率性和统计性。这是核探测信号最基本的特点。因为核反应过程中，射线与物质的作用过程是随机的，核衰变过程也是概率性的事件，随机性主要表现为脉冲幅度的大小和相邻脉冲的时间间隔存在随机性；同时，在核物理实验中，常常不是研究个别信息，而是研究分布在大量信号里的某种信息，因此也需要对这些大量的信息做统计计数处理，也就是核探测信号的统计性。 2、基础常用核电子学器件的功能 1）脉冲发生器——用来产生信号的或是产生所需参数的电信号仪器。 脉冲信号发生器的输出信号幅度从小到大又从大到小的变化，产生这种信号的脉冲发生器就叫滑移脉冲发生器。 按其信号波形分为四大类： ①正弦信号发生：主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。 ②函数（波形）信号发生器。能产生某些特定的周期性时间函数波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号，频率范围可从几个微赫到几十兆赫。 ③脉冲信号发生器。能产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的发生器，可用以测试线性系统的瞬态响应，或用作模拟信号来测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的性能。 ④随机信号发生器。通常又分为噪声信号发生器和伪随机信号发生器两类。噪声信号发生器主要用途为：在待测系统中引入一个随机信号，以模拟实际工作条件中的噪声而测定系统性能；外加一个已知噪声信号与系统内部噪声比较以测定噪声系数；用随机信号代替正弦或脉冲信号，以测定系统动态特性等。当用噪声信号进行相关函数测量时，若平均测量时间不够长，会出现统计性误差，可用伪随机信号来解决。
第一章 核电子学与一般电子学的不同在哪里以核探测器输出信号的特点来说明。 在核辐射测量中，最基本的特点是它的统计特性、非周期性、非等值性，核电子学分析这种信号，经处理得到有用的信息。 当探测器输出等效电流源/0()t o i t I e τ -=时，求此电流脉冲在探测 器输出回路上的输出波形并讨论R 0C 0<<τ的情况。 V 0(s) = I 0(s)·[R 0∥(1/sc)] ^ = I 0[1/(s+1/τ)]·[R 0(1/sc 0)/( R 0+(1/sc 0)) =( I 0/ c 0)·{1/[(s+1/τ) (s+1/ R 0 c 0)]} ∴ 当R 0 c 0<<τ时，τ－R 0 c 0≈τ ∴
如图，设，求输出电压V(t)。 | 表示系统的噪声性能有哪几种方法各有什么意义输入端的噪声电压是否就是等效噪声电压为什么 ENV ENC ENN ENE η (FWHM)NE
不是 ' 设探测器反向漏电流I D =10-8A ，后级电路频宽为1MHz,计算散粒噪声相应的方根值和相对于I D 的比值。 115.6610A -==?= 35.6610D I -=?= 试计算常温下（设T=300K ）5M Ω电阻上相应的均方根噪声电压值（同样设频宽为1MHz ），并与1MHz 能量在20pF 电容上的输出幅值作比较。 52.8810V -===? 。 ∵ 2 12 E CV = ∴0.126V V == 求单个矩形脉冲f （t ）通过低通滤波器，RC=T ，RC=5T ，及RC=T/5，时的波形及频谱。 U
1． 核辐射探测器电流脉冲信号用理想数学模拟表示为 ) ()(0t t Q t i -?=δ。 2． 核电子学中的噪声主要有三类： 散粒噪声 、 热噪声 和低频噪声。 3． 短路延迟线冲击响h(t)=) (21 )(21d t t τδδ--；其频率响应为 ) 1(21 )(d j e H ωτω--=。 4． 从物理测量的要求看， 电荷 和 电压 前置放大器主要用于能谱 测量分析系统； 5． 主放大器的作用是对信号进一步 放大 和 成形 ，且在此过程中须保 持探测器输出的有用信息，尽可能减小失真。 6． 对核脉冲进行幅度和时间分析中，常用计数设备来测量某一类信号的计数率， 常用的计数设备有 定标器 、 计数率计 。 7． 模数变换是一种量化处理，即把连续的的模拟量（幅度）变换为 数字量 。 8． 《 9． 三种核脉冲计数系统： 简单的计数 系统、 单道计数 系统、 符合计数 系统。 10． 处理单元插件标准化分为 NIM 标准 、 CAMAC 标准 、 快总线标 准 。 11． 多道分析器获取数据的三种方式是：脉冲幅度分析(PHA)、多路定标(MCS) 和 列表方式。 / 二、选择题 （共10小题，共20分） 1. 由n 节放大节组成的放大器上升时间与各放大节上升时间的关系为tr=( B ) (A) 1 2r r rn t t t +++ (C) 12r r rn t t t ?? ? (D) {}12,,r r rn MIN t t t 2. 下面哪种说法是正确的（C ） (A ） 2 ()()m CR RC -双极性滤波成形与()()m CR RC -单极性成形相比信噪比要好。 (B) 2 ()()m CR RC -双极性滤波成形的基线偏移和涨落很大，在高计数率下得到的能量分辨 率低。 ） (C) ()()m CR RC -单极性滤波成形的基线偏移和涨落都较2 ()()m CR RC -双极性滤波成 形的要小，在高计数率下得到的能量分辨率高。 (D) 2 () ()m CR RC -双极性滤波成形的脉冲顶部较尖，弹道亏损较大，对后接幅度分析器的 测量精度不利。 3. 关于谱仪放大器中采用负反馈的作用，下列哪种情况是错误的（D ） (A) 放大倍数的稳定性增大了(1)o A F +倍。 (B) 放大器的上升时间减少了(1)o A F +倍。 (C) 放大器的频率响应增加了(1)o A F +倍。 (D) 放大器的噪声降低了(1)o A F + 倍。 4. 通常放大器的输出阻抗比较小，以便能适应在不同负载情况下工作，为与输出电缆匹配使用，输出阻抗一般取（ D ）。 】 (A) 20Ω (B) 30Ω (C) 40Ω (D) 50Ω 5. 双极性高斯成形一般组成为（C ）
《核电子学与核仪器》课程设计报告 Title: The Improvement of Single-channel Analyzer 课程设计题目：改进型单道脉冲幅度分析器 学生姓名：XXX 专业：核工程与核技术 学号：09XXXXXX 指导老师：覃国秀 二零一二年六月
一、设计时间： 2012.06.12～2012.6.28 二、设计地点 核电子学实验室和东华理工大学南区寝室 三、设计任务 以课本《核电子学与核仪器》中的理论知识及实验为基础，到网上和图书馆查找与该设计课题相关资料，找到该课题的相应的电路原理图，并对电路图进行设计，学习Protel2004软件，用Protel2004软件进行电路设计并实现PCB板的封装，最终得到PCB板。 四、设计目的 通过使用Protel2004对电路进行设计，对《核电子学与核仪器》所学内容有更进一步的理解，加深印象，使所学知识得以巩固和提高。全面掌握单道脉冲幅度分析器各个模块电路原理的设计，实现电路设计与PCB设计的技术环节，最终得到单道脉冲幅度分析器的PCB板，从而在该课程设计过程中学会提高分析问题解决问题的能力；培养我们的动手能力和遵守纪律的高尚情操还有对待工作严肃认真、一丝不苟、实事求是、不畏艰辛的优良作风，为今后从事技术工作奠定坚实的基础。 五、设计要求 1、掌握Protel2004的使用方法； 2、掌握所画电路的工作原理； 3、掌握Protel2004电原理路图的设计； 4、基本掌握使用Protel2004进行PCB设计。 六、设计的原理及方法 单道脉冲分析器是一种对核脉冲信号幅度信息甄别测量的装置，虽然现在一般多用多道脉冲幅度分析器测量能谱，但由于单道具有结构简单、价格便宜，还可
习题解答 第一章绪论 1、核信息的获取与处理主要包括哪些方面的？ ①时间测量。核信息出现的时间间隔是测定核粒子的寿命或飞行速度的基本参数，目前直接测量核信息出现的时间间隔已达到皮秒级。 ②核辐射强度测量。核辐射强度是指单位时间内核信息出现的概率，对于低辐射强度的测量，要求测量仪器具有低的噪声本底，否则核信息将淹没于噪声之中而无法测量。对于高辐射强度的测量，由于核信息十分密集，如果信号在测量仪器中堆积，有可能使一部分信号丢失而测量不到，因此要求仪器具有良好的抗信号堆积性能。对于待测核信息的辐射强度变化范围很大的情况(如核试验物理诊断中信号强度变化范围可达105倍)，如测量仪器的量程设置太小，高辐射强度的信号可能饱和；反之，如量程设置太大，低辐射强度的信号又测不到，因此对于这种场合的测量则要求测量仪器量程可自动变换。 ③能谱测量。辐射能谱上的特征是核能级跃迁及核同位素差异的重要标志，核能谱也是核辐射的基本测量内容。精确的能谱测量要求仪器工作稳定、能量分辨力达到几个电子伏特，并具有抑制计数速率引起的峰位和能量分辨力变化等性能。 ④位置测量。基本粒子的径迹及空间位置的精确测定是判别基本粒子的种类及其主要参数的重要手段。目前空间定位的精度可达到微米级。 ⑤波形测量。核信息波形的变化往往反映了某些核反应过程的变化，因此核信息波形的测量是研究核爆炸反应过程的重要手段，而该波形的测量往往是单次且快速(纳秒至皮秒级)的。 ⑥图像测量。核辐射信息的二维空间图像测量是近年来发展起来的新技术。辐射图像的测量方法可分为两类：第一种是利用辐射源进行透视以摄取被测物体的图像；第二种是利用被测目标体的自身辐射(如裂变反应产生的辐射)以反映目标体本身的图像。图像测量利用计算机对摄取的图像信息进行处理与重建，以便更准确地反映实际和提高清晰度。CT技术就是这种处理方法的代表。 2、抗辐射加固主要涉及哪些方面？ 抗辐射加固的研究重点最初是寻找能减弱核辐射效应的屏蔽材料，后来在电路上采取某些抗辐射加固措施，然后逐渐将研究重点转向对器件的抗辐射加固。 3、核电子学的应用领域主要包括哪些方面？ 核电子可应用于核与粒子物理基本研究、核辐射探测器电子学、核反应堆电子学、加速器电子学、同位素应用仪表、核医学电子仪器以及剂量测量仪器等。
核电子学复习整理 第一章 一、名词解释 探测效率：探测器探测到的粒子数与此时实际入射到探测器中的粒子总数的比值。 散粒噪声：（在电子器件或半导体探测器中）由于载流子产生和消失的随机涨落形成通过器件的电流的瞬时波动，或输出电压的波动，叫做散粒噪声。 分辨率：识别两个相邻的能量、时间、位置（空间）之间最小差值的能力。（主要有能量分辨率、时间分辨率、空间分辨率） 死时间校正：在监察信号的时间T Ip内，如果再有信号输入都要被舍弃，因此监察时间就是堆积拒绝电路所产生的死时间。计时电路就不应该把这个时间计入测量时间，而应从总的测量时间中扣除这个死时间得到活时间。由测到的总计数除以活时间就是信号计数率。这种办法称为死时间校正。 二、填空题 1.核电子学是核科学与电子学相结合的产物； 2.探测器按介质类型及作用机制主要分为：气体探测器、闪烁体探测器、半导体探测器； 3.核电子学中主要的噪声指三类：散粒噪声、热噪声、低频噪声； 4.核辐射探测器的输出信号特点是：随机分布的电荷或电流脉冲。（时间特性、幅度上是非周期非等值的）； 5.功率谱密度为常数即S(W)=a的噪声为白噪声。 三、简答题 1.简述核电子学的信号特点。 答：1.随机性；2.信号弱，跨度大；3.速度快。
2.简述白噪声与干扰以及两者的区别。 答：干扰：主要是指空间电磁波感应，工频交流电网的干扰，以及电源纹波干扰等外界因素。（可在电路和工艺上予以减小或消除） 噪声：是由所采用的元器件本身产生的。（可以设法减小但无法消除）白噪声定义为功率谱密度为常数的噪声。 3.降低前置放大器噪声的措施有哪些？ 答：1.输入级采用低频噪声器件；2.低温运行；3.减少冷电容C s；4.反馈电阻R f和探测器负载电阻R D选用低噪声电阻，阻值一般在109欧~1020欧左右。 除此之外，用滤波网络来限制频带宽度，也可进一步抑制噪声。 4.构成核电子学的测量系统的三部分是哪些？ 答：1.模拟信号获取和处理，2.模数变换，3.数据的获取和处理三个部分 5.简述前置放大器的作用。 答：1.提高信噪比、2.减少外界干扰的影响、3.合理布局，4.便于调节和使用、5.实现阻抗转换和匹配； 第二章 前置放大器的作用与分类？ 作用：提高信噪比、减少外界干扰的影响、合理布局，便于调节和使用、实现阻抗转换和匹配； 分类（按输出信号成形方式分）：电压灵敏前置放大器、电荷灵敏前置放大器、电流灵敏前置放大器。
第一章核电子学系统中的信号与噪声 电信号是指随着时间而变化的电压或电流，因此在数学描述上可将它表示为时间的函数，并可画出其波形。信息通过电信号进行传送、交换、存储、提取等。 核辐射探测器的主要类别和输出信号 气体探测器 半导体探测器 闪烁体探测器 核电子学中的噪声 噪声的分类和噪声源 散粒噪声 热噪声 低频噪声 核电子学中的信号与噪声分析基础 时域和频域分析 核电子学中常见的基本电路分析 探测器的输出电路 RC积分电路（低通滤波器） CR微分电路（高通滤波器） 短路延迟线
核电子学测量系统概述 系统的基本组成 核电子学常用的信号处理系统 1 前置放大器 2 主放大器 3 幅度或时间信息的甄别 4 模数变换 5 数据获取的分析和处理 第二章前置放大器前置放大器的作用 1 提高系统的信噪比 2 减少外界干扰的相对影响 3 合理布局，便于调节和使用 4 实现阻抗转换和匹配 前置放大器的分类 电压灵敏前置放大器 电荷灵敏前置放大器 电流灵敏前置放大器 电荷灵敏前置放大器 电荷灵敏前置放大器的主要特征 1 变换增益 2 输出稳定性
3 输出噪声 4 输出脉冲上升时间（）及其稳定性 5 计数率效应 电荷灵敏前置放大器的基本电路和实例分析 1 电路分析 2 定量估算 电压灵敏前置放大器 第三章放大器放大器在核测量系统中的作用 放大器的基本参量及测量方法 放大器的放大倍数（增益）及其稳定性 放大器的线性 放大器的噪声和信号噪声比 放大器的幅度过载特性 放大器的计数率过载特性 放大器的上升时间 放大器的输入阻抗和输出阻抗 其它类型的一些放大器 偏执放大器 快脉冲放大器 弱电流放大器 谱仪放大器的放大节 放大节的结构
核辐射探测器中的核电子学学院名称核科学技术学院
学号 201321010322 学生姓名张枫 核辐射探测器中的核电子学 摘要：核辐射探测器是指能够指示、记录和测量核辐射的材料或装置。辐射和核 辐射探测器内的物质相互作用而产生某种信息（如电、光脉冲或材料结构的变化），经放大后被记录、分析，以确定粒子的数目、位置、能量、动量、飞行时 间、速度、质量等物理量。核辐射探测器是核物理、粒子物理研究及辐射应用中 不可缺少的工具和手段。核辐射探测器的工作过程大致分为二阶段：一是与辐射 反应，生成某种信息，该过程属于核测控内容；二是该信息的记录、收集、处理， 该过程属于核电子学内容。 关键字：核辐射、核电子学、核辐射探测器。
1.核辐射探测器的工作过程 其工作过程大致分为二个，一是与辐射反应，生成某种信息；二是该信息的记录、收集、处理。 2.与辐射相互作用产生某种信息的过程 核辐射探测器按探测介质类型及作用类型大致分为三种：气体探测器、半导体探测器、闪烁体探测器。它们与辐射相互作用的过程大不相同，但是其基本思想没变，都是辐射粒子射入探测器的灵敏体积；入射粒子通过电离、激发等效应而在探测器中沉积能量；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息。 2.1气体探测器 气体探测器是内部充有气体、两极加有一定电压的小室。入射带电粒子通过气体时，使气体分子电离或激发，在通过的路径上生成大量的离子对—电子和正离子。带电粒子在气体中产生一电子离子对所需的平均能量称为电离能，电离能只与介质有关，与带电粒子的种类无关；带电粒子能量越高，其所生成的离子对越多，则生成的离子对数可以反应入射带电粒子的能量。 2.2闪烁体探测器 闪烁探测器是利用某些物质在核辐射的作用下会发光的特性探测核辐射的，这些物质称为荧光物质或闪烁体。其工作原理为：带电粒子进入闪烁体中，使原子电离激发，受激原子在退激过程中发光，光子穿过闪烁体、光导，一部分到达光电倍增管的光阴极，在光阴极上打出光电子，被光电倍增光的第一倍增极收集的光电子经过光电倍增管各倍增极的倍增，便产生一个电脉冲信号。 2.3半导体探测器 半导体探测器探测带电粒子的基本原理与气体电离室的十分相似，都是带电粒子在半导体探测器的灵敏体积内产生电子－空穴对，电子－空穴对在外电场的作用下漂移而输出信号。 我们把气体探测器中的电子－离子对、闪烁探测器中被 PMT第一打拿极收集的电子及半导体探测器中的电子－空穴对统称为探测器的信息载流子。 3信号载流子收集、记录、处理过程
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。 ⑤闪烁体发射的光谱应该与光电倍增管的光阴极光谱响匹配，这样才能使产生的光子
核电子学习题解答 Prepared on 22 November 2020
第一章 核电子学与一般电子学的不同在哪里以核探测器输出信号的特点来说明。 在核辐射测量中，最基本的特点是它的统计特性、非周期性、非等值性，核电子学分析这种信号，经处理得到有用的信息。 当探测器输出等效电流源/0()t o i t I e τ-=时，求此电流脉冲在探测器输 出回路上的输出波形并讨论R 0C 0<<τ的情况。 V 0(s) = I 0(s)·[R 0∥(1/sc)] = I 0[1/(s+1/τ)]·[R 0(1/sc 0)/( R 0+(1/sc 0)) =( I 0/ c 0)·{1/[(s+1/τ) (s+1/ R 0 c 0)]} ∴ 当R 0 c 0<<τ时，τ－R 0 c 0≈τ ∴ 如图，设 ，求输出电压V(t)。 表示系统的噪声性能有哪几种方法各有什么意义输入端的噪声电压是否就是等效噪声电压为什么 ENV ENC ENN ENE η (FWHM)NE 不是
设探测器反向漏电流I D =10-8A ，后级电路频宽为1MHz,计算散粒噪声相应的方根值和相对于I D 的比值。 115.6610A -==?= 3 5.6610D I -=?= 试计算常温下（设T=300K ）5M Ω电阻上相应的均方根噪声电压值（同样设频宽为1MHz ），并与1MHz 能量在20pF 电容上的输出幅值作比较。 ∵212 E CV = ∴0.126V V == 求单个矩形脉冲f （t ）通过低通滤波器，RC=T ，RC=5T ，及RC=T/5，时的波形及频谱。 V 0（t ），并画 ω ，当此噪声通过下图电路后，求 对A 点： 噪声均方值： 对B 点： 噪声均方值： 第二章 t
核电子学习题解答 第一章第二章第三章第四章第五章第六章
第一章 1.1 核电子学与一般电子学的不同在哪里？以核探测器输出信号的特点来说明。 在核辐射测量中，最基本的特点是它的统计特性、非周期性、非等值性，核电子学分析这种信号，经处理得到有用的信息。 1.4 当探测器输出等效电流源/0()t o i t I e τ -=时，求此电流脉冲在 探测器输出回路上的输出波形并讨论R 0C 0<<τ的情况。 V 0(s) = I 0(s)·[R 0∥(1/sc)] = I 0[1/(s+1/τ)]·[R 0(1/sc 0)/( R 0+(1/sc 0)) =( I 0/ c 0)·{1/[(s+1/τ) (s+1/ R 0 c 0)]} ∴ 00 00000()1t t R C I R V t e e R C ττ --??=- ? ???- 000000t t R C I R e e R C τττ-- ?? =- ? ?-? ? 当R 0 c 0<<τ时，τ－R 0 c 0≈τ
∴ 00000()t t R C V t I R e e τ --??=- ? ??? 1.5 如图，设/()0 T i t θ?=? ? 0t T t T ≤≤≥，求输出电压V(t)。 111()Ts Ts Q Q e I s e T s s T s ---??=-= ??? 11 ()1H s c s τ = + 111()11Ts Ts Q e Q Q V s e cT s cT cT s s τττττ ---=-+++ ()()() /()t T t Q Q Q V t s t s t e e s t cT cT cT ττ τττ ττ-- -∴=---+-????
第一章 1、1 核电子学与一般电子学的不同在哪里？以核探测器输出信号的特点来说明。 在核辐射测量中,最基本的特点就是它的统计特性、非周期性、非等值性,核电子学分析这种信号,经处理得到有用的信息。 1、4 当探测器输出等效电流源/0()t o i t I e τ-=时,求此电流脉冲在 探测器输出回路上的输出波形并讨论R 0C 0<<τ的情况。 V 0(s) = I 0(s)·[R 0∥(1/sc)] = I 0[1/(s+1/τ)]·[R 0(1/sc 0)/( R 0+(1/sc 0)) =( I 0/ c 0)·{1/[(s+1/τ) (s+1/ R 0 c 0)]} ∴ 当R 0 c 0<<τ时,τ－R 0 c 0≈τ ∴
1、5 如图,设,求输出电压V(t)。 1、6 表示系统的噪声性能有哪几种方法？各有什么意义？输入端的噪声电压就是否就就是等效噪声电压？为什么？ ENV ENC ENN ENE η(FWHM)NE
不就是 1、7 设探测器反向漏电流I D =10-8A,后级电路频宽为1MHz,计算散粒噪声相应的方根值与相对于I D 的比值。 115.6610A -==? = 3 5.6610D I -=?= 1、8 试计算常温下(设T=300K)5M Ω电阻上相应的均方根噪声电压值(同样设频宽为1MHz),并与1MHz 能量在20pF 电容上的输出幅值作比较。 52.8810V -===? ∵212 E CV = ∴0.126V V == 1、9 求单个矩形脉冲f(t)通过低通滤波器,RC=T,RC=5T,及RC=T/5,时的波形及频谱。 U
第一章 1、核电子学：核科学与电子学相结合的产物，用电子学的方法来获取和处理核信息的科学。 2、核电子学的特点：①输出的电脉冲信号强度在纳秒到微妙量级；②输出的电脉冲信号有随 机性、非周期性、非等值性；③测量精度要求高；④信息量大；⑤本底事例多。 3、核电子学发展趋势：①标准化、插件化、集成化；②电子技术和计算机技术紧密结合。 4、核电子学测量系统的三部分：①模拟信号获取和处理系统；②模数转换系统；③数据获取处理系统。 5、为什么需要辐射探测器？不能感知，需要借助辐射探测器探测各种辐射，给出辐射类型、强度、能量及时间等特征。即对辐射进行测量。 6、核辐射探测器定义：利用辐射在气、液、固体中引起的电离，激发效应或其他物理化学进行辐射探测的器件。 7、核辐射探测器的分类，按作用机制可分为：气体探测器、闪烁探测器、半导体探测器。 8、辐射探测器基本过程：①辐射粒子摄入探测器的灵敏体；②入射粒子通过电离、激发等效应在探测器中沉积能量；③探测器通过各种机制将沉积的能量转换成某种形式的输出信号。 9、辐射探测器的要求和特点：通常核辐射探测器的输出信号是随机分布的电荷或电流脉冲（时间特性、幅度分布上的非周期性和非等值性）。 由脉冲及相关参数所得到的信息：脉冲所携带的电荷量、脉冲出现的准确时刻、脉冲的形状。 10、核电子学信号特点：①随机性；②信号弱，但跨度大；③速度快。 11、探测器的主要类别和输出信号： 根据给出信息，分为：电信号、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） 探测器输出信号的特点：①产生相应的输出电流，可等效为电流源；②有一定时间特性，可用于时间分析；③输出电熔上取积分电压信号，可做射线能量测量。 12、核辐射探测器的性能： 探测效率：探测器测到的粒子数与此时实际入射到探测器中的该种粒子总数的比值。 输出幅度：由平均电离能和入射离子能量决定。 分辨率：识别两个相邻的能量、时间、位置之间最小差别的能力。主要有能量分辨率、时间分辨率、空间分辨率。 线性响应：衡量在一定范围内探测器所给出的信息，与入射粒子相应的物理量是否成线性关系的标志。 稳定性：温度和电源变化引起了探测器性能的稳定性，它是描述探测器性能变化随温度和电源变化的指标。 13、探测器的输出电路：探测器本身的输出电路+与之相连的放大器的输入电路。 14、噪声对核测量的影响：噪声叠加，混杂到信号上，使核辐射测量系统的能量、时间分辨率力学影响、某些有用的微弱信号被噪声“淹没”。 15、噪声与干扰及二者的区别：噪声是由所采用的元器件本身产生的，干扰是空间电磁波效应，工频（50周）交流电网的干扰，以及电源及波干扰等外界因素；噪声原则上可以减少但无法消除，而干扰对测量的影响，可在电路和工艺上设法予以减小或消除。 16 信噪比：噪声对测量精度的影响，常用信号幅度和噪声均方值根的相对比值η表示。
核探测与核电子学 摘要：核辐射探测器是核物理、粒子物理研究及辐射应用中不可缺少的工具和手段。核辐射探测器的工作过程大致分为二阶段：一是与辐射反应，生成某种信息，该过程属于核测控内容；二是该信息的记录、收集、处理，该过程属于核电子学内容。 关键字：核辐射、核电子学、核辐射探测器。 1 前言 核辐射探测器，简称为核探测器，也称为核探测设备。是一种辐射射线检测装置。核辐射是原子核从某种能量状态或某种结构向另一种结构或状态发生转变时，在转变过程中释放出来的微观粒子流，这是一个涉及原子或原子核的过程，从原子核中释放出的辐射。γ辐射、中子辐射、α和β辐射等这些辐射都称为核辐射[1]。X，γ射线都是属于电磁辐射范畴，X-ray 是由核外电子在跃迁过程中产生的，γ射线是在核跃迁或粒子湮灭过程的中发出来的电磁辐射[2]。核辐射探测器可以说是粒子物理研究以及核物理研究中最为基础，也是极其重要的一项技术和工具，核辐射探测器的基本工作原理如图。当辐射射线（或粒子）辐照到探测器的电荷灵敏区，而电荷灵敏区内的物质在辐射的激发下会产生出大量电子-空穴对，在外加电场的作用下分别向正负电极移动而产生电学信号，对电学信号的分析整理，从而实现对辐射射线或粒子的探测。高能物理事业、核技术及现代电子学的发展, 带动各种探测器技术不断发展。辐射探测器是通过粒子与适当的探测介质相互作用而产生某种信息，经放大后被记录、分析，以转变为各种形式的直接或间接可为人们感官所能接受的信息，从而确定粒子的数目、位置能量、动量、飞行时间、速度质量等物理量。按照产生信息的方式，探测器大体上可分为计数器和径迹室两大类。本文以探测器原理依据，分别介绍不同探测器原理，以及核电子技术在不同探测器的应用原理 2.计数器类探测器 计数探测器是应用最广泛的辐射探测器。它以电脉冲的形式记录、分析辐射产生有关信息。这种类型探测器的问世，导致了核电子学这一新的分支学科的出现和发展。最常用的计数器类探测器主要有气体探测器、半导体探测器和闪烁探
01 核电子学研究信号得特点 随机性:用概率密度函数描述,要求仪器稳定可靠。 信号弱,但跨度大:提高信噪比,加前置放大器,主放大器,极零相消等。 速度快:脉冲成形,反堆积技术。 信号:用于描述与记录消息得任何物理状态随时间变化得过程。(电信号) 噪声专指无用或干扰信息 信号在产生、传输与放大过程中都伴随有噪声 噪声就是随机得,服从统计规律、其基本特性可用统计平均量或统计函数来描述,主要有: 均方值:表示噪声得强度(用于信噪比计算) 概率密度函数:描述噪声在幅度域内得分布密度 自相关函数:提供噪声在时间域里得相关信息 功率谱密度函数:给出噪声功率在频域里得分布情况 核辐射探测器得结构 核辐射探测器得定义:利用辐射在气体、液体或固体中引起得电离、激发效应或其它物理、化学变化进行辐射探测得器件称为辐射探测器。
探测器按探测介质类型及作用机制主要分为:气体探测器;闪烁体探测器;半导体探测器。 三种探测器得工作原理 气体探测器:入射带电粒子通过气体,使气体分子电离成电子—正离子对时,它们在外加电场作用下分别作漂移运动,相应在平行板电机上产生感应电荷,并在外电路上产生相应得电信号。 闪烁体探测器:射线入射到闪烁晶体时,先使其中得分子或原子激发,然后在退激时发光,光子通过光电效应转换成光电子,随后通过光电倍增管倍增,最后在阳极上收集成为电流脉冲。 半导体探测器:带电粒子在半导体探测器得灵敏体积内产生电子—空穴对,电子-空穴对在外电场得作用下漂移而输出信号。 三种主要探测器得分析可得出如下结论: (1)核辐射探测器都能产生相应得输出电流i(t),在电路分析时,可把它等效为电流源; (2)该输出电流i(t)具有一定形状,具有一定时间特性,所以可用于时间分析; (３)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、 气体探测器:电离室、脉冲电离室、正比计数器、G-M计数器 闪烁体探测器:NaI探测器,CｓＩ探测器 半导体探测器:金硅面垒探测器、高纯锗探测器 核辐射探测器得基本性能 探测效率:探测器测到得粒子数与此时实际入射到探测器中得该种粒子总数得比值。 输出幅度大小、稳定性 线性响应(探测器所给出得信息,与入射粒子相应得物理量成线性关系) 分辨率:探测器实际分辨核信息得能力,主要有能量分辨率、时间分辨率、空间分辨率。 噪声与干扰:干扰可在电路与工艺上予以减小或消除,噪声可以设法减小但无法消除 噪声得衡量:信噪比、等效噪声能量、等效噪声电荷、等效噪声电压 核电子学中得主要噪声:散粒噪声、热噪声、低频噪声 0２
01 核电子学研究信号的特点 随机性：用概率密度函数描述，要求仪器稳定可靠。 信号弱，但跨度大：提高信噪比，加前置放大器，主放大器，极零相消等。 速度快：脉冲成形，反堆积技术。 信号：用于描述和记录消息的任何物理状态随时间变化的过程。（电信号） 噪声专指无用或干扰信息 信号在产生、传输和放大过程中都伴随有噪声 噪声是随机的，服从统计规律。其基本特性可用统计平均量或统计函数来描述，主要有： 均方值：表示噪声的强度（用于信噪比计算） 概率密度函数：描述噪声在幅度域内的分布密度 自相关函数：提供噪声在时间域里的相关信息 功率谱密度函数：给出噪声功率在频域里的分布情况 能量信息强度分析时间信息 位置信息幅度甄别 数能谱分析 线性放大 据滤波成形采 探测器前放时间甄别 集时间分析 堆积判弃系 基线恢复统 模数变换位置分析 图像分析信息检取信号处理数据处理 核辐射探测器的结构 核辐射探测器的定义：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。
探测器按探测介质类型及作用机制主要分为：气体探测器；闪烁体探测器；半导体探测器。三种探测器的工作原理 气体探测器：入射带电粒子通过气体，使气体分子电离成电子—正离子对时，它们在外加 电场作用下分别作漂移运动，相应在平行板电机上产生感应电荷，并在外电路上产生相应 的电信号。 闪烁体探测器：射线入射到闪烁晶体时，先使其中的分子或原子激发，然后在退激时发光， 光子通过光电效应转换成光电子，随后通过光电倍增管倍增，最后在阳极上收集成为电流脉冲。 半导体探测器：带电粒子在半导体探测器的灵敏体积内产生电子－空穴对，电子－空穴对 在外电场的作用下漂移而输出信号。 三种主要探测器的分析可得出如下结论： (1)核辐射探测器都能产生相应的输出电流i(t) ，在电路分析时，可把它等效为电流源； (2)该输出电流i(t)具有一定形状，具有一定时间特性，所以可用于时间分析； (3)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。 气体探测器：电离室、脉冲电离室、正比计数器、G-M 计数器 闪烁体探测器：NaI 探测器， CsI探测器 半导体探测器：金硅面垒探测器、高纯锗探测器 核辐射探测器的基本性能 探测效率：探测器测到的粒子数与此时实际入射到探测器中的该种粒子总数的比值。 输出幅度大小、稳定性 线性响应（探测器所给出的信息，与入射粒子相应的物理量成线性关系） 分辨率：探测器实际分辨核信息的能力，主要有能量分辨率、时间分辨率、空间分辨率。噪声与干扰：干扰可在电路和工艺上予以减小或消除，噪声可以设法减小但无法消除 噪声的衡量：信噪比、等效噪声能量、等效噪声电荷、等效噪声电压 核电子学中的主要噪声：散粒噪声、热噪声、低频噪声 02
第一章 核电子学与一般电子学的不同在哪里以核探测器输出信号的特点来说明。 在核辐射测量中，最基本的特点是它的统计特性、非周期性、非等值性，核电子学分析这种信号，经处理得到有用的信息。 当探测器输出等效电流源/0()t o i t I e τ -=g 时，求此电流脉冲在探测器输 出回路上的输出波形并讨论R 0C 0<<τ的情况。 V 0(s) = I 0(s)·[R 0∥(1/sc)] = I 0[1/(s+1/τ)]·[R 0(1/sc 0)/( R 0+(1/sc 0)) =( I 0/ c 0)·{1/[(s+1/τ) (s+1/ R 0 c 0)]} ∴ 当R 0 c 0<<τ时，τ－R 0 c 0≈τ ∴ 如图，设 ，求输出电压V(t)。 表示系统的噪声性能有哪几种方法各有什么意义输入端的噪声电压是否就是等效噪声电压为什么 ENV ENC ENN ENE η (FWHM)NE 不是 设探测器反向漏电流I D =10-8A ，后级电路频宽为1MHz,计算散粒噪声相应的
方根值和相对于I D 的比值。 11 5.6610 A -==? = 35.6610D I -=?= 试计算常温下（设T=300K ）5M Ω电阻上相应的均方根噪声电压值（同样设频宽为1MHz ），并与1MHz 能量在20pF 电容上的输出幅值作比较。 ∵ 2 12 E CV = ∴0.126V V == 求单个矩形脉冲f （t ）通过低通滤波器，RC=T ，RC=5T ，及RC=T/5，时的波形及频谱。 V 0（t ），并画 /ω，当此噪声通过下 图电路后，求A 对A 点： 噪声均方值： 对B 点： 噪声均方值： 第二章 t