核信息获取与处理—绪论部分

一 核信息获取与处理系统构成概述二 核信号特点及测量要求三 核信息获取与处理进展简介四 本课程主要内容及要求一 核信息获取与处理系统构成概述核技术应用系统中都需要进行核信息的获取和处理，才能完成对射线的测量、监控、分析和利用。

对核辐射在探测器中形成的电信号进行获取与处理系统一般组成框图如下：典型的核信息获取测试系统实验测量系统的组成刘书焕部分数据获取部分和存储器等以硬件方式作为独立插件或插卡（称为MCB：MultiChannel Buffer）；控制和显示由PC机中运行的软件来实现（称为MCA Emulation Software）。

系统的基本组成核测量系统通常由核辐射探测器和核电子学测量系统两部分组成。

而核电子学测量系统包括模拟信号获取和处理，模数转换以及数据的获取和处理三部分。

（1)信号起源（a）核辐射也称为电离辐射、射线，泛指原子或原子核的某些过程（如核衰变或核裂变等）放出的粒子，或由加速器加速的离子或核反应产生的各种粒子，包括 （4He2+）、3He、p、d、t等重带电粒子，重离子和裂变碎片，e+、e-（ 射线）等轻带电粒子，X、 射线，中子等。

包括：高能电磁波：X、γ射线；粒子:带电粒子、中性粒子等。

辐射以电磁波或粒子的形式向外放散。

Radiation used：Examples：（b）辐射与探测器介质相互作用——能量-电荷转换The electrical signal is generated from the movement of ionization in the detecting medium.Incident radiation quanta, or ionizing particles, impart sufficient energy to individual atomic electrons to form electron-ion pairs (e.g. in gas-based and liquid-based sensors) or electron-hole pairs (e.g. in semiconductor sensors).Energy is measured in electron volts (eV). The eV is equal to the quantity of kinetic energy gained by a free electron when it moves through an electrostatic potential difference of one volt.1 eV ≈ 1.6·10 19 JouleIn general：Measure the amplitude and/or timing of the event.(2)辐射探测器利用辐射在气体、液体或固体中引起的电离、激发效应或其它物理、化学变化进行核辐射探测的器件称为辐射探测器。

辐射探测的基本过程(1)辐射粒子射入探测器的灵敏体积(2)入射粒子通过电离、激发等过程而在探测器中沉积能量(3)探测器通过各种机制将沉积能量转化成某种形式的输出信号相应电荷量：气体探测器入射粒子在电离室中引起电离，电子、离子漂移形成电流；当外加电压升高时，探测器工作于正比区，就成为正比计数器；当气体放大倍数随电压急剧上升，电子雪崩持续发展成自激放电，则成为G-M计数器。

核辐射探测器输出信号类别：电信号与非电信号输出电信号探测器基本类型：总电子-离子对数：电离室输出的电流波形电流信号i(t)的时间持续过程，主要与电子和离子的漂移速度有关。

通常，在电离室中电子漂移速度较快，约微秒量级，而离子漂移速度慢得多，约毫秒量级。

脉冲电离室等效输出电路探测器可等效为电流源信号幅度：用气体脉冲电离室对能量为1MeV的射线进行测量，分析输出电压信号幅度的量级（设脉冲电离室的分布电容为10pF）.对后续电路（输出回路）的选择，取决于物理参数的测量时间测量能谱测量半导体探测器常用的半导体探测器包括金硅面垒探测器、Ge(Li)和Si(Li)探测器、高纯锗探测器等，它们都是以半导体材料为探测介质，具有能量分辨率高，线性范围宽等优点。

等效电路半导体探测器输出电路闪烁体探测器当射线入射到闪烁晶体时，先使闪烁体中的分子或原子激发，然后退激时发出荧光，此光脉冲射到光电倍增管的光阴极上转换成光电子，通过管内逐级倍增，最后在阳极上收集成为电流脉冲i(t)。

输出电流i(t)与闪烁体的发光效率、光阴极的灵敏度及光电倍增管的倍增系数有关。

闪烁探测器闪烁探测器输出电流和电压分别为：探测器可等效为一个电流源，电流脉冲中包含的时间特性和电荷信息与探测器种类有关核辐射探测器输出信号的数学模拟各类核辐射探测器通过后接输出电路，将被测量的核辐射信息转换成具有一定特性形状的波形。

当信号延迟时间与输出电路时间常数相比小得多时，可以认为核辐射探测器信号主要以脉冲形式出现，探测到的单个或一群粒子转化成单个或一系列电脉冲，而且，当电荷收集时间较短时，可以认为是一种持续时间极短的电流冲击脉冲。

在数学上，引入单位冲击函数，则电流脉冲可用冲激脉冲来模拟。

冲击函数和冲击脉冲系列核信号的统计性决定了处理问题的特殊性。

上述表达式作为核电子学电路的输入信号，它为后续电路对信号的处理和研究提供了数学模拟。

核辐射探测器输出信号：核辐射探测器的输出信号是一系列幅度大小不一（多为mV量级）、波形不尽一致、前后间隔疏密不均匀出现的时间随机分布的电荷或电流脉冲（持续时间为ns-s），它们是由核辐射的性质及探测器的响应所决定的，对这些脉冲进行测量，可以得到有关核辐射的信息核辐射探测器都能产生相应的输出电流i(t)，电路分析时，可把它等效为电流源；该输出电流i(t)具有一定形状，具有一定时间特性，在作时间测量时，由于要求保持时间信息，可以直接利用这种电流源的时间特性，可用于时间分析；探测器的时间特性：电离电荷的收集形成电流波形，其基本原理是电荷在电场作用下的漂移，受探测器介质、结构和机理影响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。

在作能谱分析时，因为与能量成正比的量是探测器收集的电荷或电荷在电容上的积分电压，所以要求探测器输出电荷或电压信号。

如果既要作时间测量，又要作能量测量，则应要求探测器既输出电流信号又输出电荷（或电压）信号。

探测器输出脉冲幅度在mV-V之间，对于小的信号需要放大，是否选择放大器与所使用的探测器有关。

探测器输出脉冲波形与输出回路的时间常数有关，对于不同实验目的的实验测量系统，如能量测量、计数测量或时间测量，电子学插件的选用也不同。

小结：(1)核辐射探测器实质上就是一个能量-电荷转换器，用于把抽象的核辐射信息转换成具体的电信号；(2)对核辐射信息的处理实际上就是对探测器输出信号的处理，从探测器输出信号中提取出核辐射信息，并转换成相应的物理量；(3)核辐射探测器通常可以看成是一个电流源；(4)不同的探测器，其能量-电荷转换过程及持续时间是不同的，输出信号各有其特点，需采用不同的处理方法或手段。

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。

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。

为了区分不同N0值的相对能量分辨率，常定义探测器固有能量分辨率为：探测器输出电流波形核辐射探测器的基本性能探测效率线性响应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的标志。

电荷对数平均值与所消耗粒子能量的线性程度.另外，衡量探测器性能还有抗辐射损伤，粒子鉴别能力等。

二 核信号的特点及测量要求（1）核信号的特点处理的对象是宽度从纳秒量级到微秒量级的电脉冲信号.处理的电脉冲信号在时间上和幅度上是随机变化的、即非周期的和非等值的，没有一定规律可寻。

测量的精度要求高。

目前时间测量的达到100ps的量级，使得空间分辨率达到几十微米量级，幅度测量的精度能达到千分之一。

信息量大：在大型的粒子物理实验中，探测系统非常庞大，有成千上万个探测单元及相应的信号通道。

这样的系统十分复杂与庞大。

例如北京谱仪的探测单元就有3万多路（北京谱仪电子学），而欧洲核子研究中心CERN的LHC上的CMS、ATLAS等实验探测器的信号通道数更高。

本底事件多：加速器运行造成的强电磁场及束流丢失在探测器和电子学所造成的噪声和干扰信号以及假信号，形成很强的本底事件，因而要进行事件判选。

长时间工作：一般的实验都要连续运行数月或数年，工作寿命达一二十年。

学科交叉性稳定性通常，温度和电源的变化会引起探测器性能的不稳定；因此，探测器对工作环境温度和高压电源供电电压的稳定性有一定要求。

（2）核信息的分类（2）核信息的分类-时间信息（2）核信息的分类-位置信息（2）核信息的分类-波形信息核信息的处理三 核信息获取与处理研究进展(a)从仪器到系统机械和电气标准：核电子学信号处理设备的插件化、标准化，核电子学仪器在机箱、插件的机械结构、电源标准和信号电平等方面做出了规定.总线标准：现代计算机技术在核电子学系统的应用，实现数据采集和处理系统的标准化，在信息传输方式、信号传送的硬件和软件方面定了标准。

（此处只涉及核科学和技术领域的总线技术）核电子学中的仪器和总线标准NIM （Nuclear Instrument Module） 标准最早提出的核电子学插件化的标准。

NIM标准是在计算机大量普及前制定的，因此，一般用于模拟信号处理系统。

目前，除了前置放大器之外，所有进行模拟信号处理的设备以及模数变换、计数电路等设备，在国内外也都按NIM标准设计和生产。

NIM标准的确立大大提高了核电子学仪器的机械互换性和电气互换性。

NIM机箱和插件结构NIM信号标准快（负）逻辑标准：为电流信号，流入阻抗为50的负载，用于高速逻辑电路中。

电流标准输出（必须送出） 输入（必须反应）‘1’ -14~ -18 mA -12~ -36 mA‘0’ -1~ +1mA -4~ +4 mA上升时间 2ns~ 10ns，宽度不重要，前沿触发（在ORTEC插件中信号的典型上升时间为2ns）。

输入阻抗、输出阻抗 50**由于信号的快上升时间，在负的快逻辑信号处理中必须考虑电缆匹配的问题。

慢线性信号标准：幅度：0~1V 或0~10V；上升时间： 50ns；宽度：0.5~100 s；输入阻抗、输出阻抗无统一标准，现有插件（ORTEC）中一般为输入阻抗1k ，输出阻抗一般有两种：前面板为<1 ，后面板93快线性信号标准：幅度：0~ -1V，0~ -5V或 0~ -10V；上升时间：<50ns；宽度：<1s；输入阻抗50，输出阻抗很大或<1。