第5-6章 谱仪放大器与多道脉冲分析系统

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前放输出信号经CR－RC滤波成形后： a、保留了输入信号中的有用信息（即VOM与Q成正比）。
VOM
Q e C f
(e≈2.7)
b、基本形状变窄了。 c、电路有高低通的滤波作用，可有效的抑制来自 前放的信号中的噪声，提高信噪比。
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◇可用于闪烁探测器，τ 应被选择成至少为3倍 的闪烁体的衰减时间常数。
A
③线性：一般给出的是积分非线性。 672：当输出信号（单极性）从0 到 +10 V范围内， 积分非线性<±0.025%。 ④计数率特性:包括计数率变化引起的峰展宽及峰偏移。 672：计数率达到100KHZ时，FWHM 展宽< 8 %。峰 偏移<±0.018%。 计数率达到200KHZ时，FWHM 展宽< 15 %。峰 偏移<±0.05%。
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（3）双极性成形
当系统级间存在隔直流电路时，计数率较高的 单极性随机信号通过后将产生明显的基线偏移和涨 落。而双极性信号，通过后可以不产生、或产生比 单极性信号要小得多的基线偏移和涨落。所以在高 计数率下，有时把信号成形为双极性的。
CD1 RI CI CD2 A RD2 0.35A
vin
RD1
vo
0.7τ 2.2τ 12τ
τ = RD1CD1= RICI= RD2CD2
上图中在CR-RC成形电路之后再接入第二级微 17 分即可得到双极性输出脉冲。
级间的耦 合电容
C u1 Ri u2
u1
0
u1 t t
0
u2
0
t t
18
u2
0
右图为半高斯脉冲成形 的双极性输出脉冲。
这种成形办法，可减小由于计数率变化带来 的基线偏移。因此提高谱仪的能量分辨率特性。 双微分相对于单CR微分来说，其缺点是有较长的 脉冲宽度，并且信噪比较差。
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左图(a)、(b) 为极零相消没调好 时，放大器的输出 脉冲存在有明显的 下冲，并且谱的分 辨率变坏。 (c)、(d)为极 零相消调好后，放 大器的输出脉冲形 状，并且谱的分辨 率大大好于（b）。
(a)
(c)
极零相消功能对能谱测量的影响
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（2）半高斯脉冲成形
电路原理图如下：
① ② ③ ④ 输出 基线 恢复器
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Rf Cf
dVa 2
dVb 2
ii
A
主放
Ci
H ( ω)
VO
4kT 1 2 dVa ( C ) 2 d 3 gm Cf
2
a2 b2
(C CD CA CS C f )
(k：波尔兹曼常数。T：绝对温度)
dVb 2 {
1 4kT 1 [2e( I D I g ) ]} 2 2 d 2 RD // R f Cf
uB
零电平 非常低的 输出阻抗 CBLR A=1 输入到基线恢 复器的信号 RBLR A=1 基线恢复器 的输出信号 非常高的 输入阻抗
S1
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上图是在一个高性能的基线恢复器上得到 的测试结果，在一个非常宽的计数率范围内峰 偏移和分辨率展宽都是可忽略的。
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5.3 堆积判弃 如果两个γ 射线间隔时间在谱仪放大器输出脉冲 的宽度之内到达探测器，它们各自被放大的脉冲将 信号脉冲 信号堆积 被堆积到一起， T 而产生一个幅 (a) 慢放大器 输出脉冲 （a ） 度失真的输出 T 脉冲[如右图 快甄别器的阈 (b) 快放大器 （b ） 输出脉冲 （a）]。 T (c) 快甄别器 此时可采 （c ） 输出 用堆积判弃的 T (d) “检查间隔” （d ） 办法，放弃对 电路输出 T T 这些被堆积的 (e) 抑制脉冲 输出脉冲进行 （e ） T 分析。 23 堆积判弃原理说明的基本波形
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下图给出用锗探测器测60CO源（计数率为5万/ 秒时），有堆积判弃功能与无堆积判弃功能时， 测出的两个能谱图。从图中可见，无堆积判弃时， 由于信号堆积，大幅度信号的计数大大增加，最 终使得能谱图发生畸变。
计 数
无堆积判弃
有堆积判弃
能量（Kev）
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5.4 数字信号处理系统（DSP）（Digital Signal Processor) 性能优越的能谱测量数字信号处理系统（DSP） 是近年来在谱仪制造方面发展起来的新技术。 ORTEC、DSPEC的框图如下：
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数字化谱仪与传统谱仪相比有着优越的性能：如：
◇分辨率特性、计数率特性、温度稳定性等可以做 得比模拟系统要好。 ◇计算机可对DSP多道分析器进行100％的控制。当 用户选用不同探测器或改变测试条件时，可自动 选择成形滤波器有关参数以获得最佳的能量分辨 率。等。
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5.5 谱仪放大器的实例－ORTEC 672谱仪放大器
输入
C
A1 R2
微分器和极 零相消电路
RC积分器
R C
A2
R1
积分器
A＝1
A＝1
有源积分器
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为得到更好的信噪比性能及更好的波形形状， 实际使用的滤波成形电路往往比上述的CR-RC电路 要复杂的多。半高斯脉冲成形即为常用的一种。它 用一个复杂的有源积分网络代替简单的RC积分，如 上图所示。
上图的输出脉冲形状如 右图，大概近似为高斯曲 线的形状。因此这种滤波 放大器被称为“半高斯成 形放大器”。
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下图中，细实线a、b和a十b分别表示前放输出 （即主放输入）的a噪声、b噪声及两者之和。 经推导，后接CR-RC滤波器的频率响应H(ω )为：
H ( )
ab
H ( )
H ( )
j H ( ) (1 j ) 2
2 1
0
1
a b

（如图中黑实线或虚线）
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分析上式：τ 增大时，同样|H(ω )|值对应的 ω 减少，即H(ω )的频带变窄，曲线向低频方向压 缩。此时，输出噪声中的a噪声将减小，b噪声将 增大。而相反当τ 减小时，H(ω )的频带变宽，曲 线向高频方向伸展，但形状和高度不变。此时， 输出噪声中的a噪声将增加，b噪声将减小。因而 滤波器的时间常数τ 可能有最佳值τ opt。在τ ＝ τ opt时，总噪声可取得最小值。τ opt被称作为 “最佳时间常数”。
672是高性能的谱仪放大器，非常适用于锗、 Si(Li)、硅带电粒子探测器，也可用于闪烁探测 器和正比计数管。
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672的前、后面板图
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5.6 简述谱仪放大器的主要性能及技术指标
（为对这些指标有定量的了解，下面在讲述指标物理概念的 同时，以 ORTEC 672为例，给出了672指标的具体数据）
信号脉冲 信号堆积 T P T W W 快甄别器的阈 T F
F
T
INS
INS
T
T
INS
INS INS
INS
T
INH
INH
图4 －3 － 1
堆积判弃原理说明的基本波形
办法如下：用一个快脉冲成形放大器与慢谱仪 放大器并联。快放大器的输出信号如上图（b）。再 用一快甄别器将此模拟脉冲转换成数字脉冲，如上 图（c）。快甄别器输出的下降沿触发一个“检查间 隔电路”，此电路输出脉冲宽度T1NS与慢放大器输出 脉冲的宽度TW相等，如上图（d） 。如果在“检查 间隔”期间，探测器又测到第二个信号，则此时肯 定发生了脉冲堆积。利用快甄别器输出的第二个脉 冲再触发一个“抑制脉冲发生电路”，产生一个抑 制脉冲T1NHS，如上图（e）。这个抑制脉冲被送入后 续的谱仪ADC或多道分析器，以阻止堆积事件被分析 与记录。最终实现“堆积判弃”功能。
单极性输出
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与CR－RC滤波器相比，半高斯脉冲成形的优点是：
a、信噪比性能被提高了
脉冲成形放大器的信噪比性能被改善约17% －19%。这一点对于半导体探测器是非常重要的。 因为半导体探测器本身具有很高的能量分辨特性， 因此对滤波成形部分的要求也更高。
b、在脉冲幅度的0.1%处的宽度减小了。 半高斯成形能使输出脉冲宽度与CR－RC滤波 器相比减少22%－52%，这相当于每个脉冲被放大 时占用的死时间大大减少。因此整个谱仪可输入 信号的计数率性能会得到很大改善。
①增益：即电压放大倍数。 672：增益范围从2.5－1500连续可调。
②噪声：谱仪放大器是一种电压放大器，其噪声指标 用折合到输入端的等效噪声电压表示。设谱 仪放大器的增益为A，在输入端不接前放时测 得输出噪声电压有效值为Vno，则等效输入噪 声电压有效值为： Vno
Vni＝
672：增益>100时，等效输入噪声电压有效值 <5.0 µV 。 31
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“极零相消”工作原理： 图中左侧为前 放输出信号。 图（a）中微 分电路的输出脉冲 存在着不希望有的 下冲。下冲幅度大 小可由下面公式给 出：
Co
vi
Ro
vo
下冲
图（a）简单的CR微分电路
Co
vi
Ro
vo
图（b）带有极零相消的CR微分电路
下冲幅度 微分时间常数 脉冲幅度 ＝ 前放输出脉冲的衰减时间常数
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基本原理为：
前放输出的模拟信号直接用一个闪电ADC对其 进行快速采样并将其转换成数字量。采样频率要选 择合适，以便使数字量代表的脉冲外轮廓具有合理 的精度。然后将这数字量进行一系列的数字信号处 理。其中包括低通、高通滤波、自动极零调整、基 线恢复、增益细调、数字化稳谱等。前面讲述的线 性脉冲成形放大器中的各种用模拟信号处理方法实 现的功能，如今大部分都能借助于数字信号处理的 办法来实现。 以上所有对信号的数字处理过程不是利用软件 通过计算机完成，因这样做速度太慢。而是在被称 为DSP（数字信号处理）的硬件电路中来实现。
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理论推导可知：在CR－RC滤波成形电路中，当 选择τ ＝ a/b 时，总噪声可取得最小值。