第一章核电子学系统中的信号与噪声[001]
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《核电子学》课件——前置放大器
R
iD(t)
C
ViM
+ A
-
RL
R1
Z0
VoM
ViM
R1 R2 R1
RL R RL R
Ci
前放的上升时间与电荷收集时间和放大器的上升时间等有关， 一般在几百ns左右。
脉冲尾部指数下降，放电时间由CiR//RL决定，约为10-100微秒。
电荷灵敏前置放大器
tW iD(t)
Cf
-
vo(t)
A
+
Ci
散粒噪声、热噪声和低频噪声（又称1/f 噪声）。
在电子器件中，载流子产生和消失的随机性， 使得流动着的载流子数目发生波动，有时多些， 有时少些，由此引起的电流瞬时涨落称为散粒噪声。
热噪声是载流子做热运动产生的一种噪声。
低频噪声即1/f 噪声，又名闪变噪声或过量噪声， 其噪声电压随频率的降低而增大。
散粒噪声和热噪声的比较
探测器中的漏电流噪声
半导体探测器的漏电流主要由三部分组成：
•结周围产生的漏电流：如半导体表面吸附原子后形成
的表面电荷会引起漏电流，这种电流产生显著的低频噪声。
但是，通过表面纯化和采用保护环结构，这种噪声可大大降低。
•P区和N区少数载流子向结区扩散而形成的反向电流 •结区内因热激发产生的电子—空穴对所造成的反向电流
Vn 2
lim
T
1 T
T
Vn2 (t)dt
0
信噪比
能量E 辐射源
探测器
输入信号电压Vi
放大器
等效噪声电压 （放大倍数A）
Vo
(ENV)
Vno
信噪比—噪声对测量精度的影响，常用信号幅度和噪
声均方根值的相对值来表示：
核电子学习题+答案+课后答案
对A点：
,
噪声均方值：
对B点：
，
噪声均方值：
第二章
2.1电荷灵敏前置放大器比电压灵敏前置放大器有什么优点？为什么把反馈电容称为积分电容，作用是什么？
优点：VOM稳定性高，能用高能量分辨能谱系统
Cf起积分作用，当A很大时，
2.2试对下图典型的电荷灵敏前置放大器电路在输入冲击电流I(t)=Q·δ(t)时，
1
【判断题】
电荷灵敏和电流灵敏析系统。
错
2
【判断题】
要提高放大电路输出稳定性，减小相对变化量，一般要求放大器开环增益A0必须很高。
对
3
【判断题】
信号由基极输入，发射极输出，构成共集电极放大电路，又叫射极跟随器。
对
4
【判断题】
放大电路中的自举电容，从本质上来说起到一种特殊形式的正反馈。
7.定时误差通常按误差产生的原因分为两类：___时移___和___时晃_。
8.放大器输出信息中，总是由：_信号__,__噪声__,__干扰__组成。
二、选择题：（每题2分，共20分）
1.下列探测器中，能量分辨率最佳的是（B）
A.闪烁体探测器B.半导体探测器C.电离室D.气体探测器
2.CR微分电路（高通滤波器）的频率响应为（A）
优点：有源滤波器更接近于理想的微分和积分特性，把放大和滤波成形连在一起，既节省元件，又比无源滤波器级数少，效果好。
4.改善放大器线性的方法，可以简单归结为：（1）合理选择工作点__。
（2）__采用负反馈_。
5.谱仪放大器基本上由____放大电路__和滤波成形电路组合而成，对滤波成形电路来讲，有_弹道亏损_____和__堆积畸变_两种信息畸变。
6.脉冲幅度甄别器是将__模拟脉冲__转换成__数字逻辑脉冲_输出的一种装置。
,
噪声均方值：
对B点：
，
噪声均方值：
第二章
2.1电荷灵敏前置放大器比电压灵敏前置放大器有什么优点？为什么把反馈电容称为积分电容，作用是什么？
优点：VOM稳定性高，能用高能量分辨能谱系统
Cf起积分作用，当A很大时，
2.2试对下图典型的电荷灵敏前置放大器电路在输入冲击电流I(t)=Q·δ(t)时，
1
【判断题】
电荷灵敏和电流灵敏析系统。
错
2
【判断题】
要提高放大电路输出稳定性，减小相对变化量，一般要求放大器开环增益A0必须很高。
对
3
【判断题】
信号由基极输入，发射极输出，构成共集电极放大电路，又叫射极跟随器。
对
4
【判断题】
放大电路中的自举电容，从本质上来说起到一种特殊形式的正反馈。
7.定时误差通常按误差产生的原因分为两类：___时移___和___时晃_。
8.放大器输出信息中，总是由：_信号__,__噪声__,__干扰__组成。
二、选择题：（每题2分，共20分）
1.下列探测器中，能量分辨率最佳的是（B）
A.闪烁体探测器B.半导体探测器C.电离室D.气体探测器
2.CR微分电路（高通滤波器）的频率响应为（A）
优点：有源滤波器更接近于理想的微分和积分特性，把放大和滤波成形连在一起，既节省元件，又比无源滤波器级数少，效果好。
4.改善放大器线性的方法，可以简单归结为：（1）合理选择工作点__。
（2）__采用负反馈_。
5.谱仪放大器基本上由____放大电路__和滤波成形电路组合而成，对滤波成形电路来讲，有_弹道亏损_____和__堆积畸变_两种信息畸变。
6.脉冲幅度甄别器是将__模拟脉冲__转换成__数字逻辑脉冲_输出的一种装置。
核电子学与核仪器课件5[1]
![核电子学与核仪器课件5[1]](https://img.taocdn.com/s1/m/1269988faeaad1f347933f19.png)
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。
信号与噪声_第二章
13
二、噪声的分类和噪声源 核电子学中的噪声主要有三类：
散粒噪声 (Shot noise)
探测器漏电流的噪声、场效应管的栅极漏电流的噪声。
热噪声(Thermal noise) 场效应管的沟道噪声、电阻元件的热噪声。 低频噪声(Flicker noise) 场效应管闪烁噪声。
14
散粒噪声
“周期信号都可表示为谐波关系的正弦信号的 加权和”——傅里叶的第一个主要论点
“非周期信号都可用正弦信号的加权积分表示
” ——傅里叶的第二个主要论点
19
傅里叶变换分析的直观说明
：把一个信号的波形分解为许多不同频率正弦波之和。
1
1.299
2
f ( t) 5 0 5
1
1 t
h( t)
4
2
0
2
在信号的产生、传输和测量过程中,探测器和电子学的噪声会叠加
在有用信号上,从而降低测量精度，甚至某些有用的微弱信号会被 噪声所淹没。
通常用信噪比S/N(信号与噪声均方值的比值)来表示系统的噪声指
标。信噪比越高，噪音引起的测量误差越小。
6
噪声的时间平均值为零。但是只要有噪声存在，其 平均功率就不为零，因此通常采用均方值（噪声电压的 平方值按时间求平均） Vn2 作为噪声大小的衡量尺度：
8
噪声的表示方法
通常用信噪比S/N(信号与噪声均方值的比值)来表
示系统的噪声指标。信噪比越高，噪音引起的测量 误差越小 考虑一个常见的探测器与放大器组成的测量系统。 在系统的输出端测得电压信号幅度Vo和噪声均方根 值Vno
辐射源
能量E
探测器 等效 噪声 能量 ENE 等效噪声 电荷ENC 输入信号 电压Vi 等效噪声 电压ENV 放大器 （放大倍数A）
第一章 核电子学
Tn x0 / n 0 ~ 106 s Tp x0 / p 0 ~ 103 s iD in i p
Tn 电子电流持续时间 Tp 离子电流持续时间
电离室输出电流波形
电离室的输出电流信号包含有快成 分（电子电流）和慢成分（离子电 流）。在总输出电荷Q为一定时这 两部分电流所占的比例与粒子入射 位置有关，使得电流波形发生变化， V 因此能量信息和时间信息的提取比 较复杂而且不易准确。
四、核辐射探测器的输出电路
脉冲电离室
i(t) CO RL CS Ri
v(t)
Ri
Ci
Ci
i(t) R C
v(t)
i(t) R C
v(t)
初始条件为：
v(t ) dv(t ) i (t ) C R dt
t 0; i(0) 0; v(0) 0
求解得：
v(t )
e
t RC
C
t
V
N
i(t) rS
辐射源
t
P
i(t)
Q 1 N e vo (t ) i(t )dt C C0 C E e K' E w C
可以用电压信号来测量入射粒子的能量 Q/C
v(t)
t(s)
50ns
100ns
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
t(s)
半导体探测器
金硅面垒探测器
高纯锗半导体探测器
闪烁探测器
t (s)
2、电子脉冲电离室
当 T RC T 时 ： 输出电压脉冲不能达到最大值 vm Ne C 便开始按时间常数为RC的指数率下降，输出电压脉冲大小与入射粒子 位置有关，这时不能作能量测量，只能用作计数测量。
核电子学--信号与噪声分析与测量系统 ppt课件
传输系数
H (s) Vo (s) Vi (s)
h Z1 Z1 Z2
PPT课件
6
RC电路
积分电路
当输入的是阶跃电压时
VR
iR
Vme
t
VC
Vm
VR
Vm
(1
e
t
)
当由电容端输出，且RC》t时，可以忽略式（1）的第二 项，此时电容上的电压为：
VC
1 RC
k0
r(t) e(kt) t h(t kt)
k0
t
r(t) e( )h(t )d
PPT课件
0
4
引入
卷积的概念
对于实际存在的线性系统，当信号在t=0时 输入
PPT课件
5
RC电路
由科希霍夫定律得出 的电路方程
1
Vm iR C 0 iCdt （1）
t
0 Vi (t )dt
PPT课件
7
RC电路
微分电路
当从电阻两端输出，且RC很
小时，（1）式中的第一项可
忽略，此时电阻两端的输出
电压为：
VR
RC
dVi (t ) dt
输入阶跃电压对RC电路充电，经过无限长时间，电 容C上已经充上了电压。某一时刻输入端短路，结
果将会怎样？
PPT课件
8
RC电路
在电压的传输过程中，要考虑长线的固有分布参量， 令L为单位长度电感，C为单位长度电容，并忽略 长线本身的电阻。这样就可以认为两根长导线是由 无穷多个电感L和电容C组成。当在长导线始端加 上电压V，电压就要依次对电容和电感充电，因此 电压由始端传到终端就需要一定的时间。
核电子学
《核电子学》重点内容
第一章探测器信号
1. 探测器信号产生过程及基本概念；
2. 探测器的基本指标；
第二章：信号和噪声的分析方法
1.傅氏变换法计算电路的冲击响应和频率响应；
2.拉氏变换法计算电路冲击响应和频率响应；极零、点分布对系统的影响；
第三章：核电子学中的噪声
1. 噪声的分类；
2. 系统噪声的表示方法；
第四章：前置放大器
1. 电荷灵敏前置放大器的工作原理、噪声来源及主要特性
2. 电荷灵敏前置放大器输出幅度、噪声均方值及信噪比计算；
第五章：滤波成形
1. 最佳滤波器、匹配滤波器、白化滤波器的概念
2. 电荷灵敏前放后接的最佳滤波器；
3. 极-零相消原理；
4. 成形电路引起信号畸变种类
第六章：谱仪放大器
1. 谱仪放大器的结构和各部分的作用
2.谱仪放大器的主要技术指标的意义；提高指标的方法
第七章：时变与非线性电路
1.模拟展宽器、数字展宽器工作原理及应用
2. 基线恢复器的工作原理；掌握CR基线恢复器、CD基线恢复器和CDD基线恢复器的结构、原理和实际电路
3. 信号堆积判弃的条件、电路原理与电路分析。
第八章：幅度信息的甄别
1. 脉冲幅度分析器的结构和工作原理；
2. 单道的结构和工作原理、电路分析及应用；
第九章：时间信息的获取与处理
1. 符合测量的原理及应用；（根据上课进度）
第十章：谱仪模数变换器
1. ADC的技术指标（道宽、道数、变换系数等）；
2. 线性放电法ADC的原理及电路分析
3. 影响ADC技术指标的主要因素
4. ADC的参数调节；
第十一章：技术设备
1.定标器的工作方式及指标；（根据上课进度）。
核电子学考点知识讲解
核电子学考点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。
北京师范大学学术学位研究生培养方案及教学大纲
北京师范大学核科学与技术研究生培养方案（2015版）北京师范大学学术学位研究生培养方案（2015版） (4)一、培养目标 (4)1.硕士生 (4)2.博士生 (4)二、学科方向与主要研究内容 (5)三、学习年限 (6)1.硕士生 (6)2.博士生 (6)四、课程设置与学分要求 (6)1.硕士生（最低学分：35分） (6)2.博士生（最低学分：20学分） (7)3.本科直博生、硕博连读博士生（最低学分：45学分） (7)4.港澳台研究生 (7)5.外国留学研究生 (7)五、培养方式与培养环节 (8)硕士生 (8)1. 实践活动要求 (8)2. 培养单位自行规定的培养环节 (8)3. 中期考核要求 (8)核科学与技术学科硕士研究生中期考核须在第三学期结束前完成。
参加中期考核的学生应按要求完成相关课程的考试，在导师指导下阅读一定数量的科研文献，并制定合理、可行的研究计划。
中期考核的开题报告由各专业研究方向组织，对学生的学习情况、科研潜力、研究计划进行综合考察，并按优、良、合格、不合格打分。
中期考核不合格者，应在3个月之内再次进行考核。
若考核仍不合格，则劝其退学或按研究生院有关规定处理。
(8)博士生 (8)1. 科研活动 (8)2. 国际化经历要求 (9)3. 中期考核要求 (9)六、导师责任 (9)七、学位论文与论文答辩 (10)1. 硕士生学位论文 (10)2. 博士生学位论文 (11)八、课程一览表 (11)附件1. 北京师范大学学术学位研究生课程教学大纲 (14)原子核物理 (14)粒子与固体相互作用物理学 (22)核分析技术及应用 (26)现代物理实验方法 (29)高级研讨课（博士） (41)学科前沿研讨课（博士） (41)核电子学 (42)辐射技术及应用 (45)辐射剂量与防护 (47)加速器原理 (49)固体X射线学 (52)导管X射线光学 (57)束流光学 (60)离子源技术 (63)表面科学与工程 (69)MEVV A离子束技术及应用 (72)X射线谱仪 (75)X射线荧光分析技术及应用 (77)同步辐射光源概论 (79)多孔固体引论 (82)功能材料 (86)核材料导论 (89)晶体缺陷 (92)材料腐蚀与防护 (95)原子核反应理论 (99)北京师范大学学术学位研究生培养方案（2015版）一级学科：核科学与技术（代码：0827 ）本专业具有硕士学位授予权和博士学位授予权一、培养目标1.硕士生培养具有良好的道德品质和较高科学素质，符合国家建设需要，为祖国和人民服务的核科学与技术专门人才。
第一章-核电子学中的信号与噪声
V N e AEe C wC
• 可以估算出输出电压幅度。其中e＝1.6×10-19 库仑。
18
• 表中给出了1MeV能量的粒子的能量全部沉积在探 测器中时，产生的平均电荷对数及相应的输出电 压幅度。可以看出除了闪烁体探测器和正比计数 器以外，放大器是必须的。
19
2.6 探测器输出信号的特点
• 都能产生相应的输出电流i(t)，可看成电流 源。
Vn2
lim
T
1 T
T2
V (t)dt
0n
• 由于噪声电压是随机地叠加在信号电压上， 它会使原来幅度确定的信号，在平均值作上 下起伏。因而被测量的分辨率变坏。
29
噪声的表示方法
• 考虑一个常见的探测器与放大器组成的 测量系统。在系统的输出端测得电压信 号幅度Vo 和噪声均方根值Vno
输出信噪比表示为
• 噪声与我们通常所说的空间电磁波感应、工频交流电 网以及电源纹波等外界干扰不同。这些干扰是外部的， 可以通过屏蔽、隔离、滤波、稳压等各种措施加以消 除或改善。噪音则是由所采用的器件本身产生的，原 则上是只能设法减小但不能完全消除。
28
2.1 噪声对测量的影响
• 噪声的时间平均值为零。但是只要有噪声存 在，起平均功率就不为零，因此通常采用均 方作值为（噪噪声声大电 小压 的的 衡平 量方 尺值 度按 ：时间求平均）Vn2
穴电流的电荷，因而既
能保持比较好的固有能
量分辨率，又可以工作 在比较高的计数率下。
11
2.3 闪烁探测器
• 以闪烁晶体为探测介质
• 当被测粒子通过探测器的工作介质时，通 过库仑散射使得工作介质原子中的电子产 生激发，退激发产生荧光。 闪烁体探测器 的输出为光信号，必须通过光电倍增管PMT 或光二极管PD转换成电信号。
• 可以估算出输出电压幅度。其中e＝1.6×10-19 库仑。
18
• 表中给出了1MeV能量的粒子的能量全部沉积在探 测器中时，产生的平均电荷对数及相应的输出电 压幅度。可以看出除了闪烁体探测器和正比计数 器以外，放大器是必须的。
19
2.6 探测器输出信号的特点
• 都能产生相应的输出电流i(t)，可看成电流 源。
Vn2
lim
T
1 T
T2
V (t)dt
0n
• 由于噪声电压是随机地叠加在信号电压上， 它会使原来幅度确定的信号，在平均值作上 下起伏。因而被测量的分辨率变坏。
29
噪声的表示方法
• 考虑一个常见的探测器与放大器组成的 测量系统。在系统的输出端测得电压信 号幅度Vo 和噪声均方根值Vno
输出信噪比表示为
• 噪声与我们通常所说的空间电磁波感应、工频交流电 网以及电源纹波等外界干扰不同。这些干扰是外部的， 可以通过屏蔽、隔离、滤波、稳压等各种措施加以消 除或改善。噪音则是由所采用的器件本身产生的，原 则上是只能设法减小但不能完全消除。
28
2.1 噪声对测量的影响
• 噪声的时间平均值为零。但是只要有噪声存 在，起平均功率就不为零，因此通常采用均 方作值为（噪噪声声大电 小压 的的 衡平 量方 尺值 度按 ：时间求平均）Vn2
穴电流的电荷，因而既
能保持比较好的固有能
量分辨率，又可以工作 在比较高的计数率下。
11
2.3 闪烁探测器
• 以闪烁晶体为探测介质
• 当被测粒子通过探测器的工作介质时，通 过库仑散射使得工作介质原子中的电子产 生激发，退激发产生荧光。 闪烁体探测器 的输出为光信号，必须通过光电倍增管PMT 或光二极管PD转换成电信号。
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Ne C0 Q C0
Neu u
I
d
Neu
I
d
t
Vt
1 C0
t
I0tdt
0
T
T
R0C0
Ne et R0C0 C0
t
15
电离室的输出信号需要用电子仪器来测量。
高压
耐高压隔直电容C
气体 电离室
前置 放大器
放大器
单道或多道 脉冲分析器
16
17
半导体探测器
工作原理：固体电离室 ω(Ge)=2.96eV ω(Si)=3.61eV
Q=Ne
e--1.6*10-19c
形成感应电流 i(t)=Q(t)/△t (与位置〈漂移速度有
关 〉)
t
通过电容器积分得电压 vo(t)Q/C1/C i(t)dt 11 0
12
13
N F *A *E /
Q=Ne
i(t)=Q(t)/△t
t
vo(t)Q/C1/Ci(t)dt 0 14
I(t)
V (t)
21
闪烁体探测器
闪烁体分子或原子激发,退激发荧光，经光电信号增量成光电子并倍增。
输出电流 i(t)=(Q/τ0)e-t/τ0
Q--阳极收集总电荷 τ0-- 光脉冲衰减时间
22
三种探测器输出信号特点小结
➢等效电流源 ➢时间分析 ➢能量测量
23
三、探测器的基本性能
探测效率
源
探测器
探测效率 实际入 探射 测到 到探 的测 粒 该器 子 粒中 数 子的 数
➢稳定性 稳定性是描述探测器的性能变化随温度及
电源变化的指标。稳定性越好，这种随动性越小。
31
32
33
四、核辐射探测器的输出电路
1. 脉冲电离室
图1.1.6 (a)、(b)、 ( c)、( d)、(e)
R=RL // Ri C= CO+ Cs + Ci
RC > T+
Vm=Ne/C
34
2．半导体探测器 图1.1 .7 (a)、(b)、(c) RD偏置电阻 Rd灵敏区电阻 R’、C’非灵
24
25
26
27
三、探测器的基本性能
➢ 输出幅度大小
➢分辨率（能量、时间、空间）
（ - N-N） 2
f(N)f(N)maxe 2N
FWHM(半高全宽)、FW-TM(十分之一高全宽)
R D(FN W 0 ) H 1% 0 M 0 2.3 N 6 N 0 1% 00
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三、探测器的基本性能
能量分辨率反映了谱仪对不同入射粒子能量的分辨能力。
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19
闪烁体探测器
利用辐射在某些物质中产生的闪光来探测电离辐射的探
测器。
荧光 光子
反射层 窗
光电倍增管 (打拿极) 分压器
前置放大器
多道或单道 高压
闪烁体
光电子 光阴极
阳极
管座
暗盒
20
闪烁探测器
闪烁探测器的工作过程：
(1) 辐射射入闪烁体使闪烁体原子电离或激发，受激 原子退激而发出波长在可见光波段的荧光。 (2) 荧光光子被收集到光电倍增管(PMT)的光阴极，通 过光电效应打出光电子。 (3) 电子运动并倍增，并在阳极输出回路输出信号。 闪烁探测器可用来测量入射粒子的能量。
探测的器件称为辐射探测器。
7
探测器类别和输出信号
探测器按探测介质类型及作用机制主要分为：
气体探测器； 闪烁探测器； 半导体探测器。
8
9
10
气体探测器
电离室、正比计数器、G-M计数器 (a)工作原理. (b) 等效电路 (c)简化电路
产生电子-离子对数
N F *A *E /
F--法诺因子 A--气体放大倍数 ω--平均电离能量（产生 对电子、离子对所需平均能量20~40 ev)
单个电流冲击脉冲： i(t)limQ/ 0
（上升时间）、粒子类型
（ α.β.γ.n.p.d）
6
二．探测器类别和输出信号
探测器
对于辐射是不能感知的，因此人们必须借助于辐射探测器探测 各种辐射，给出辐射的类型、强度(数量)、能量及时间等特性。 即对辐射进行测量。
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
Vam = (Q/C)(RC/τ0) 1/(1-RC/τ0)
Ra:104~105Ω
36
3、闪烁探测器输出电压脉冲信号
由等效电路得：I(t)VR(0t)C0
dV(t) dt
求解得： V (t)Q R 0C 0 e e t/R 0C 0 t/
C 0 (R 0C 0)
两种脉冲工作状态：电压脉冲和电流脉冲。
第一章核电子系统中的 信号与噪声
§1.核辐射探测器及其输出信号 ! ! !
§2.核电子学中的噪声
§3 核电子学中的信号与噪声分析基础 ! ! !
§4 核电子学测量系统概述
1
基 本 核辐射探测器输出信号特点， 内 核电子学中的信号噪声分析基础。 容
(1)掌握核辐射探测器输出信号的特点。 (2)熟练掌握核电子学系统中的信号和噪声分析基础。 (3)了解：核电子学测量系统的组成。
敏区电阻电容；Ri、Ci输入、Cs 分布电容、Cc隔直电容
35
3. 闪烁探测器
图1.1.8 (a)、(b)、(c)、(d)、(e)
R=Ra//Ri, C=Co+Cs+Ci
阳极输出电流 ia(t)=Q/τ0× e-t/τ0
电压 vo(t)= (Q/C)RC/(τ0－RC)[e-t/τa-e-t/RC]
目的与要求
2
3
§1.核辐射探测器及其输出信号
核物理和粒子物理实验中，基本的测量方法 核电子学的研究对象是什么？
4
输出信号的特点
探测器输出信号为随机脉冲
时间特性 幅度分布的非周期性
非等值性 由于信号统计性，要求核电子学用独特方法处理和研究
5
输出信号的特点
脉冲参数：
电荷量、出现时刻、单位时间脉冲数、脉冲形状
电压脉冲型工作状态 电流脉冲型工作状态
条件
R0C0
R0C0
脉冲前沿 脉冲后沿
1
e
t
慢：缺点
et R0C0
1e
t
R0C0
et
快：优点
脉冲幅度
h
Q C0
E
大：优点
h Q R0C0 E小：缺点
C0
实际应用中，为得到较大幅度和较小宽度，取 R0C0 ~
且要尽量减小 C 0
37
五、输出信号的数学模拟
固有能量分辨率
RD(FE W 0 H E1M0% )02.3E6E 010% 0
能量分辨：半导体最佳，气体探测器其次，闪烁体 探测器较差。 时间分辨：闪烁体探测器为优。
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30
三、探测器的基本性能
➢线性响应
探测器的线性是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之间是否成线性变化关系 ，比如探测器产生的离子对N 平均值 与所消耗的粒子能 量E之间是否有线性变化。
Neu u
I
d
Neu
I
d
t
Vt
1 C0
t
I0tdt
0
T
T
R0C0
Ne et R0C0 C0
t
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电离室的输出信号需要用电子仪器来测量。
高压
耐高压隔直电容C
气体 电离室
前置 放大器
放大器
单道或多道 脉冲分析器
16
17
半导体探测器
工作原理：固体电离室 ω(Ge)=2.96eV ω(Si)=3.61eV
Q=Ne
e--1.6*10-19c
形成感应电流 i(t)=Q(t)/△t (与位置〈漂移速度有
关 〉)
t
通过电容器积分得电压 vo(t)Q/C1/C i(t)dt 11 0
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N F *A *E /
Q=Ne
i(t)=Q(t)/△t
t
vo(t)Q/C1/Ci(t)dt 0 14
I(t)
V (t)
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闪烁体探测器
闪烁体分子或原子激发,退激发荧光，经光电信号增量成光电子并倍增。
输出电流 i(t)=(Q/τ0)e-t/τ0
Q--阳极收集总电荷 τ0-- 光脉冲衰减时间
22
三种探测器输出信号特点小结
➢等效电流源 ➢时间分析 ➢能量测量
23
三、探测器的基本性能
探测效率
源
探测器
探测效率 实际入 探射 测到 到探 的测 粒 该器 子 粒中 数 子的 数
➢稳定性 稳定性是描述探测器的性能变化随温度及
电源变化的指标。稳定性越好，这种随动性越小。
31
32
33
四、核辐射探测器的输出电路
1. 脉冲电离室
图1.1.6 (a)、(b)、 ( c)、( d)、(e)
R=RL // Ri C= CO+ Cs + Ci
RC > T+
Vm=Ne/C
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2．半导体探测器 图1.1 .7 (a)、(b)、(c) RD偏置电阻 Rd灵敏区电阻 R’、C’非灵
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三、探测器的基本性能
➢ 输出幅度大小
➢分辨率（能量、时间、空间）
（ - N-N） 2
f(N)f(N)maxe 2N
FWHM(半高全宽)、FW-TM(十分之一高全宽)
R D(FN W 0 ) H 1% 0 M 0 2.3 N 6 N 0 1% 00
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三、探测器的基本性能
能量分辨率反映了谱仪对不同入射粒子能量的分辨能力。
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闪烁体探测器
利用辐射在某些物质中产生的闪光来探测电离辐射的探
测器。
荧光 光子
反射层 窗
光电倍增管 (打拿极) 分压器
前置放大器
多道或单道 高压
闪烁体
光电子 光阴极
阳极
管座
暗盒
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闪烁探测器
闪烁探测器的工作过程：
(1) 辐射射入闪烁体使闪烁体原子电离或激发，受激 原子退激而发出波长在可见光波段的荧光。 (2) 荧光光子被收集到光电倍增管(PMT)的光阴极，通 过光电效应打出光电子。 (3) 电子运动并倍增，并在阳极输出回路输出信号。 闪烁探测器可用来测量入射粒子的能量。
探测的器件称为辐射探测器。
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探测器类别和输出信号
探测器按探测介质类型及作用机制主要分为：
气体探测器； 闪烁探测器； 半导体探测器。
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气体探测器
电离室、正比计数器、G-M计数器 (a)工作原理. (b) 等效电路 (c)简化电路
产生电子-离子对数
N F *A *E /
F--法诺因子 A--气体放大倍数 ω--平均电离能量（产生 对电子、离子对所需平均能量20~40 ev)
单个电流冲击脉冲： i(t)limQ/ 0
（上升时间）、粒子类型
（ α.β.γ.n.p.d）
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二．探测器类别和输出信号
探测器
对于辐射是不能感知的，因此人们必须借助于辐射探测器探测 各种辐射，给出辐射的类型、强度(数量)、能量及时间等特性。 即对辐射进行测量。
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
Vam = (Q/C)(RC/τ0) 1/(1-RC/τ0)
Ra:104~105Ω
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3、闪烁探测器输出电压脉冲信号
由等效电路得：I(t)VR(0t)C0
dV(t) dt
求解得： V (t)Q R 0C 0 e e t/R 0C 0 t/
C 0 (R 0C 0)
两种脉冲工作状态：电压脉冲和电流脉冲。
第一章核电子系统中的 信号与噪声
§1.核辐射探测器及其输出信号 ! ! !
§2.核电子学中的噪声
§3 核电子学中的信号与噪声分析基础 ! ! !
§4 核电子学测量系统概述
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基 本 核辐射探测器输出信号特点， 内 核电子学中的信号噪声分析基础。 容
(1)掌握核辐射探测器输出信号的特点。 (2)熟练掌握核电子学系统中的信号和噪声分析基础。 (3)了解：核电子学测量系统的组成。
敏区电阻电容；Ri、Ci输入、Cs 分布电容、Cc隔直电容
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3. 闪烁探测器
图1.1.8 (a)、(b)、(c)、(d)、(e)
R=Ra//Ri, C=Co+Cs+Ci
阳极输出电流 ia(t)=Q/τ0× e-t/τ0
电压 vo(t)= (Q/C)RC/(τ0－RC)[e-t/τa-e-t/RC]
目的与要求
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§1.核辐射探测器及其输出信号
核物理和粒子物理实验中，基本的测量方法 核电子学的研究对象是什么？
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输出信号的特点
探测器输出信号为随机脉冲
时间特性 幅度分布的非周期性
非等值性 由于信号统计性，要求核电子学用独特方法处理和研究
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输出信号的特点
脉冲参数：
电荷量、出现时刻、单位时间脉冲数、脉冲形状
电压脉冲型工作状态 电流脉冲型工作状态
条件
R0C0
R0C0
脉冲前沿 脉冲后沿
1
e
t
慢：缺点
et R0C0
1e
t
R0C0
et
快：优点
脉冲幅度
h
Q C0
E
大：优点
h Q R0C0 E小：缺点
C0
实际应用中，为得到较大幅度和较小宽度，取 R0C0 ~
且要尽量减小 C 0
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五、输出信号的数学模拟
固有能量分辨率
RD(FE W 0 H E1M0% )02.3E6E 010% 0
能量分辨：半导体最佳，气体探测器其次，闪烁体 探测器较差。 时间分辨：闪烁体探测器为优。
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三、探测器的基本性能
➢线性响应
探测器的线性是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之间是否成线性变化关系 ，比如探测器产生的离子对N 平均值 与所消耗的粒子能 量E之间是否有线性变化。