核电子学及其进展50页PPT

对于一个实际甄别器不可能全部满足上述要求。一 般根据不同的测量对象，侧重于某些方面的要求。
一、脉冲幅度甄别器
• 1.1脉冲幅度甄别器的一般要求
实际甄别器根据其速度不同分为中(低)速甄别器和高速 甄别器两类。 脉冲幅度甄别器主要的技术指标为：
（1）输入灵敏度 甄别器的输入灵敏度指甄别器能输出脉冲的最小输入脉冲幅 度。一般为几十毫伏。 （2）甄别阈范围 一般甄别器的甄别阈范围为几十毫伏到几伏，最大阈电压与 最小阈电压之比称为甄别器的动态范围。
怎样用单道脉冲幅度分析器来获得微分谱？
二、单道脉冲幅度分析器
• 2.1单道脉冲幅度分析器工作原理
电路的基本工作原理： 上甄别器
VU＝VL＋VW VU
G1
v1
H=VU -VL
VU
VL
v1
vo
VL VL
下甄别器
vo
G2
二、单道脉冲幅度分析器
• 2.1单道脉冲幅度分析器工作原理
vU
存在问题： v1 v1
一、脉冲幅度甄别器
• 脉冲幅度选择的基本电路是脉冲幅度甄别器。它有一个阈 电压，称为甄别阈。输入脉冲幅度大于给定的甄别阈时， 输出一个脉冲，输入脉冲幅度小于给定的甄别阈时则无脉 冲 输 出 。 有 无 脉 冲 输 出 输 出 可 分 别 用 逻 辑 “ 1” 或 逻 辑 “0”表示。
甄别器及其工作波形
二、单道脉冲幅度分析器
• 2.1单道脉冲幅度分析器工作原理
简称：（单道）
（Single Channel Analyzer）L
VU
VL
用途：限定信
号的幅度范围。 v1
vo
二、单道脉冲幅度分析器
• 2.1单道脉冲幅度分析器工作原理 几个概念 1）上阈：VU 下阈：VL 2）道宽与阈 道宽：上下阈之差 VW= VU -VL

(t )
1
0
t0
t
1(t )
• 阶跃函数是冲 击函数的积分， 而冲击函数是 阶跃函数的微 分。
1
0
t0
t
傅立叶变换
• 傅氏级数
傅立叶（傅氏）级数是傅立叶变换的基础 设周期为T的函数，可以展开成傅氏级数，即表示为三角函数的线 性组合：
其中：
2 T /2 am f (t ) cos m 0 tdt T / 2 T • 利用欧拉公式：
f1 (t ) f 2 (t ) F1 ( ) F2 ( )
频率卷积定理
若有变换 则有
f1 (t ) F1 ( ) ，
f 2 (t ) F2 ( )
，
1 f 1 (t ) f 2 (t ) F1 ( ) F2 ( ) 2
式中频率卷积分为
F1 ( ) F2 ( )
第二章 第二部分
2004年9月21日第三次起
第四节 分析方法基础
• 2.4.1 时域和频域分析 • 2.4.1.1 冲击函数 • 2.4.1.2傅立叶变换 • 2.4.1.3拉普拉斯变换 • 2.4.1.4线性系统的响应 • 2.4.2常见的基本电路分析 • 2.4.2.1探测器的输出电路 • 2.4.2.2低通滤波器（RC积分电路） • 2.4.2.3高通滤波器（CR微分电路） • 2.4.2.4短路延迟线成形电路
f (t ) 和F (s) 组成拉氏变换对。从上式可以看出，由于f (t ) 乘
拉氏变换的基本性质
与傅氏变换类似，拉氏变换由如下性质 • 线性
设 f1 (t ) F1 (s)， f 2 (t ) F2 (s)， 1 和 2 为 任意常数，则满足线性关系

• 生物体死亡后，新陈代谢停止，由于C14的不断衰 变，体内C14和C12含量的相对比值相应不断减少。
• 通过对生物体出土化石中C14和C12含量的测定，就可
以准确算出生物体死亡（即生存）的年代。
碳-14测年法
• C14的半衰期 5730年
• C14的适合测定的年份范围 五百年以前~三万年以内
• C14的应用实例 我国对楼兰女尸、罗布泊纸 的年代鉴定
大亚湾核电站
人们将Z相同N不同的一些核素称为同位素（Isotope）；
描述核衰变快慢的物理量。
6亿千瓦，核电约占总发电量的23.
美国的 TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor)
C14一面生成，一面衰变，使C14在自然界中的含量与C12的含量的相对比值基本保持不变。
通过鉴定确认，只有《织花边的女人》和《微笑的少女》两幅是真迹。
• 民用核电站大都是压水反应堆核电站，其工作 原理是：用铀制成的核燃料在反应堆内进行裂 变并释放出大量热能；高压下的循环冷却水把 热能带出，在蒸汽发生器内生成蒸汽，推动发 电机旋转。
• 中国现有的核电站包括：
–秦山核电站（运营中） –大亚湾核电站（运营中） –岭澳核电站（运营中） –田湾核电站（建设中） –三门核电站（建设中）
– 2050年能源需求: ∽40亿吨标煤 规模极大,结构应合理
– 一座百千瓦核裂变电站，300万吨原煤/年
– 无二氧化碳造成温室效应, 无二氧化硫和氮化物对大气的污染 – 世界核电状况: 根据IAEA截止到1994年的统计，装机容量为3.6亿
千瓦，核电约占总发电量的23.2%,
• 而中国大陆仅1% 左右，核电可大有作为!
规模可与未来实用聚变反应堆相仿，用以解决建设聚变 电站的关键技术问题。

第二章 信号、噪声分析方法及 信号处理概述
第一节 探测器简介 第二节 探测器的输出信号 第三节 噪声 第四节分析方法基础 第五节核与粒子信号处理概述
1
信号、噪声分析方法及信号处理 概述
在核与粒子物理实验中，最基本的测 量方法是，采用各种核电子仪器和装置， 来获取并处理探测器输出的电信号，并 对测量数据进行分析记录。由于核电子 学研究的是如何处理探测器的输出信号， 因此本章对探测器的输出信号作简要介 绍。然后介绍核与粒子探测器及其输出 信号；噪声；分析方法基础；核与粒子 信号处理概述
17
2.2.2.4 PIN半导体探测器
• 平面PIN探测器是正负电极 连于两边的N型区和P型区， 中间是本征层I，厚度为d。 入射粒子在本征层产生电子 －空穴对。电子和空穴的收 集过程和平行板电离室一样， 但电子和空穴的迁移率μn和 μp的差别很小，在常温时 μn≈2μp。 当电场强度达到 102V/cm以上时，μn和μp趋 于饱和，饱和漂移速度 约为 107cm/s。 18
22
2.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ.3 输出信号的幅度
• 假定在探测介质中产生一对电子／离子对或 电子／空穴对需要的平均能量为(称之为平均 电离能)，A为探测器内部或光电倍增管的倍 增系数，入射粒子在探测介质中产生的平均 电荷对数为 E
N W A
• 定义单位能量（1MeV）产生的平均电荷数为
N A n E W
23
5
第一节 探测器简介
2.1.3 液体探测器 • 液体探测器主要由水、液态氩等物质作 为工作介质。当被测粒子通过时，通过 契仑科夫辐射机制产生光信号，由光导 和光电倍增管收集放大后输出电信号。 • 探测器的结构参见参考资料，本文不再 赘述。
6

完善和提高
20世纪70年代，由于粒子物理逐渐成为一门独立的学科，核物理已不再
是研究物质结构的最前沿。核能利用方面也不像过去那样迫切，核物理进入
了一个纵深发展和广泛应用的新的更成熟的阶段。 在现阶段，粒子加速
技术已有了新的进展。由于重离子加速技术的发展，人们已能有效地加速从 氢到铀所有元素的离子，其能量可达到十亿电子伏每核子。这就大大扩充了 人们变革原子核的手段，使重离子核物理的研究得到全面发展。 随着高 能物理的发展，人们已能建造强束流的中高能加速器。这类加速器不仅能提 供直接加速的离子流，还可以提供次级粒子束。这些高能粒子流从另一方面 扩充了人们研究原子核的手段，使高能核物理成为富有生气的研究方面。
引起新的裂变。如此持续进行就是裂变的链式反应。链式反
应产生大量热能。用循环水(或其他物质)带走热量才能避免
反应堆因过热烧毁。导出的热量可以使水变成水蒸气，推动
气轮机发电。由此可知，核反应堆最基本的组成是裂变原子
核+热载体。但是只有这两项是不能工作的。因为，高速中
子会大量飞散，这就需要使中子减速增加与原子核碰撞的机
从核物理基础研究看，主要目标在两个方面：一是通过核现象研究粒子的性 质和相互作用，特别是核子间的相互作用；再者是核多体系的运动形态的研 究。很明显，核运动形态的研究将在相当长的时期内占据着核物理基础研究 的主要部分。
欧洲强子对撞机
欧洲大型强子对撞机是现在世 界上最大、能量最高的粒子加 速器，是一种将质子加速对撞 的高能物理设备，英文名称为 LHC(Large Hadron Collider)。 大型强子对撞机坐落于日内瓦 附近。参与这一项目的研究人 员表示，在短短3个月的实验过 程中，他们已经探测到处于我 们当前对物理学的了解——标 准模型核心的所有粒子。北京 时间7月28日消息，据国外媒体 报道，参与大型强子对撞机 (LHC)项目的科学家表示，他们 可能已经“接近”希格斯玻色 子。希格斯玻色子也被称之为 “上帝粒子”，据信在大爆炸 之后宇宙形成过程中扮演重要 角色。

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。

例：
limf(t)et
t
0
0
9
求下列脉冲信号的收敛域。 （1）单位阶跃信号
lim u(t)et 0
t
10
（2）指数函数
lim eatet 0
t
2 0
答案：
10 2 a
jω
0
σ
s平面
10
3、常用拉普拉斯变换 阶跃函数
L[u(t )]
e st dt e st
0
s
0
1 s
u(t) 1 s
33
课后练习： 1、求下列函数的拉氏变换。
(1et )u(t)
2、求下列函数的拉氏逆变换。
4 s(2s 3)
1 (et et )u(t)
1 1
s2 1
34
总结 拉普拉斯变换
拉氏变换、拉氏逆变换 常用函数的拉氏变换
阶跃函数、指数函数、冲激函数
35
K1
sF(s)
s0
100; 3
K2 20;
K3
10 3
f(t)10 3020et 130e3tu(t)
19
4、拉普拉斯反变换
部分分式展开法 D(s)=0的根包含共轭复根
设f(s)有一对共轭复根-α±jβ，则
N(s)
N(s)
F(s)
D(s) D1(s)(sj)(sj)
K1 K2
(sj) (sj)
11
3、常用拉普拉斯变换
指数函数
L[e t ] e t e st dt 1
0
s
et 1
s
12
3、常用拉普拉斯变换
幂函数
L[tn] tnestdt 0
使用分部积分法，得

频域卷积
若 Z[ x( n)] X ( z ) 1 Z[h( n)] H ( z ) z 1 则 Z[ x( n)h( n)] X ( ) H ( v ) v dv C 1 2 j v
PPT课件 16
3、Z变换的性质

帕色伐尔定理
若 Z [ x( n)] X ( z )
*
Z [h( n)] H ( z )且令z e j
1 则 x ( n )h ( n ) 2 n=-

2

X ( ) H * ( )d
当x ( n) h( n)时，上式变成
n=-


1 x ( n) 2
2



X ( ) d
PPT课件 17
3、Z变换的性质
PPT课件 14
3、Z变换的性质

z域尺度变换
若 Z [ x ( n)] X ( z ) z 则 Z [a x( n)] X ( ) a
n

时间反转
若 Z[ x(n)] X ( z ) 则 Z[ x( n)] X ( z )
PPT课件 15
3、Z变换的性质

时域卷积
若 Z[ x(n)] X ( z ) Z[ y(n)] Y ( z ) 则 Z[ x(n)* y(n)] X ( z )Y ( z )
u( t t 0 )
1 1 j t0 W XY ( ) X ( )Y ( ) பைடு நூலகம் e j j
*
1 j t0 2 e 2
PPT课件
24
2、信号相关分析

信号的自相关函数
为了确定信号 x(t) 与其时移副本 x(t-τ) 之间的差别 程度或相似程度，定义了自相关函数

二、核电子学特点及发展

核电子学（nuclear electronics）核科学技术 与电子科学技术相结合而形成的一门交叉学 科。形成于50年代，其内容包括：核科学、 高能物理和核技术中有关核辐射（和粒子） 探测的电子技术；核爆炸和外层空间的辐射 对电子系统的效应和抗辐射的加固技术；核 技术应用中所需的电子技术、脉冲幅度、时 间间隔、波形和径迹的精密测量和甄别技术、 纳秒脉冲技术以及模数变换技术都是在核电 子学中首先得到发展。
核电子学基础1 教学
本堂课主要内容：
一、课程安排 二、核电子学特点及发展
三、主要教学内容
四、核电子学应用
五、信号与系统---信号
一、课程安排
教材 《核电子技术原理》王芝英等编.自印 参考书 《核电子学讲义》（2005年修改版）清华大学 《核电子学》王经谨等编.原子能版社 《核辐射探测器与核电子学》赖万昌编.成都理 工大学
二、核电子学特点及发展
如何更进一步降低噪声？
二、核电子学特点及发展
用于谱仪的集成 放大器（1989）
时间幅度测量 ASIC（2002）
三、主要教学内容
核仪器系统 数据获取 探测器 核电子学 及处理
三、主要教学内容
信号与噪声
噪声
提高信噪比
信号
三、主要教学内容
第一部分
核电子学基础
信号与系统
电路分析
四、核电子学应用

辐射成像， 无损检测
集装箱检查
系统 有上千路探 测器加前放 加主放的数 据采集系统
四、核电子学应用

核电站
控制与保护系统 辐射监测系统
四、核电子学应用

核辐射测量装置

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核电子学与核仪器课件2[1]
一、气体探测器
n 1.2电离室的工作机制
¨ 电离室的工作方式 (1) 脉冲型工作状态
记录单个入射粒子的电离效应，处于这种工作状态 的电离室称为：脉冲电离室。
(2) 累计型工作状态
记录大量入射粒子平均电离效应，处于这种工作状 态的电离室称为：累计电离室。
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对不同的气体，W大约为30eV。
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核电子学与核仪器课件2[1]
一、气体探测器
n 1.1气体中离子与电子的运动规律
¨ 电子与离子在气体中的运动
当存在外加电场的作用情况时，离子和电子除了与 作热运动的气体分子碰撞而杂乱运动和因空间分布 不均匀造成的扩散运动外，还有由于外加电场的作 用沿电场方向定向漂移。
一、气体探测器
n 1.1气体中离子与电子的运动规律
¨ 气体的电离与激发 入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用， 使电子获得能量而引起原子的电离或激发。 入射粒子直接产生的离子对称为原电离。初电离产 生的高速电子足以使气体产生的电离称为次电离。
总电离 =原电离+ 次电离
电离能W：带电粒子在气体中产生一电子离子对 所需的平均能量。
n 入射粒子通过电离、激发等效应而在探测器 中沉积能量；
n 探测器通过各种机制将沉积能量转换成某种 形式的输出信号。
•辐射探测器学习要点（研究问题）：
• 探测器的工作机制； • 探测器的输出回路与输出信号； • 探测器的主要性能指标； • 探测器的典型应用。
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核电子学与核仪器课件2[1]
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核电子学与核仪器课件2[1]
一、气体探测器