核电子学与核仪器课件16[1]

殊需要。
路漫漫其悠远
核电子学与核仪器课件2
二、闪烁体探测器
n 2.2光电倍增管
¨ 光电倍增管的结构
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核电子学与核仪器课件2
二、闪烁体探测器
n 2.2光电倍增管
¨ 光电倍增管的主要性能 光阴极的光谱响应
光阴极受到光照后，发射光电子的概率是入射光波长 的函数，称作“光谱响应”。
光照灵敏度
阴极灵敏度；阳极灵敏度。
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一、气体探测器
n 平板型电离室
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核电子学与核仪器课件2
一、气体探测器
n 圆柱型电离室
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核电子学与核仪器课件2
一、气体探测器
1.3脉冲电离室
电离室处于脉冲工作状态，电离室的输出信号仅反 映单个入射粒子的电离效应。可以测量每个入射粒 子的能量、时间、强度等。 脉冲电离室的输出信号：电荷信号，电流信号，电 压信号。
对于离子晶体，辐 射射入闪烁体使晶 体原子电离和激发。
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二、闪烁体探测器
n 2.1闪烁体
¨ 闪烁体的发光机制
有机闪烁体的发光机制
有机闪烁体的发射光谱和吸收光谱的峰值是 分开的，所以，有机闪烁体对其所发射的荧 光是透明的。但发射谱的短波部分与吸收谱 的长波部分有重叠，为此在有的有机闪烁体 中加入移波剂，以减少自吸收。
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一、气体探测器
n 1.2电离室的工作机制
¨ 电离室的基本机构
不同类型的电离室在结构上基本相同，典型结构有 平板型和圆柱型。
高压极(K)：正高压或负高压；
收集极(C)：与测量仪器相联的电极，处于与地 接近的电位；

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符合曲线测量装置及符合曲线
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核电子学与核仪器课件17
三、符合
n 3.2符合电路
¨ 慢符合电路
n 慢符合电路的分辨时间范围 大概为10ns到10μs之间。慢 符合电路单元大多用与非门 作成。
n 实际符合电路都需要一个比 较好的输入成形级，使输入 信号成形为宽度相同且稳定 的脉冲信号。
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核电子学与核仪器课件17
¨ 快信号传输和传输电缆
n 在使用电缆传输信号时，需要区分所传输的脉冲 信号是快脉冲还是慢脉冲。由于所用电缆的传输 速 度 一 般 为 vp=3.3ns/m ， 所 以 信 号 在 电 缆 中 的 传 输时间为：t=vp·l。信号的上升时间tr<t为快脉冲； 上升时间tr>t为慢脉冲。
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三、符合
n 3.1符合方法
•分辨时间：能够产生符合输出 的几个输入端脉冲之间的最大 时间间隔。
符合单元的工作波形
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核电子学与核仪器课件17
三、符合
n 3.1符合方法
符合电路所能识别的“同时”，不是严格的同时， 只表明两输入脉冲的到达时间在一定范围内。所 以tW越大，发生偶然符合的概率就越大。但是， tW也不能选得太小。由于探测器输出信号存在时 间涨落和实际的时检电路存在时间移动和晃动， 真符合事件产生的两信号可能不同时到达符合电 路，在tW过小时将有真符合计数损失，所以要根 据实际条件合适选择tW。选择时主要考虑的问题 就是真符合效率和偶然符合计数率。
¨ 起-停型时幅变换
时间间隔变换成脉冲幅度的最简单方法是在起始信号 与停止信号之间的时间间隔内，用恒定电流充电的方 法。

f(t) ann(t)
n
五、信号与系统---信号
正交函数
若在区间(t1，t2)用f2(t)来近似表示f1(t)，即
f1(t)C12f2(t)
1-1
C12为相关系数，为了减小用f2(t)来近似表示f1(t)的 误差，可求得
C12
t2 t1
f1(t ) f2 (t )dt
t2 f 2 (t )dt
二、核电子学特点及发展
核电子学研究信号的特点
随机性 信号弱，但跨度大（ μV~几十伏） 速度快
脉冲上升沿快 10-10~10-12s 平均计数率高 时间间隔短 级联辐射 10-9~10-12s
二、核电子学特点及发展
CZT detector
GEM detector 高密度读出探测器
二、核电子学特点及发展
反褶
(τ →-τ)
平移
(-τ →t-τ)
相乘 积分
f1(τ)× f2(t-τ)
f1()f2(t)d
总结
核电子学的特点及发展
核电子学研究信号的特点
信号
信号的定义、正交函数、单位阶跃函数、单位冲 激函数、卷积
正交函数集
设g1(t)，g2(t)，…，gn(t)，n个函数构成一个函数 集，这些函数在区间(t1，t2)内满足下列条件
t2 t1
gi
(t)gj
(t)dt
0
t2 t1
gi2 (t )dt
Ki
i j
则称此函数集为正交函数集。当Ki=1时，则称为归 一化正交函数集。
五、信号与系统---信号
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

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：

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

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。

路漫漫其悠远
一、概述
1.3放大器的基本参量及测量方法
放大器的幅度过载特性
抗过载性能可用“过载恢复时间”来表示。其定义：在 给定过载程度的条件下，放大器输出波形回到基线并 保持在基线附近最大额定输出电压±1%的一个带内， 小信号增益已回到正常时所需要的时间。然而，由于 过载引起的下冲还与放大器的成形电路时间常数、输 入脉冲宽度有关，故通常是在一定成形时间常数下， 抗过载性能的表示：规定过载脉冲幅度为最大线性输 入幅度的多少倍，过载恢复时间则以不过载时的脉宽 多少倍来度量。
因此核测量用的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ冲放大器通常
是一个宽带放大器，而采用负反
馈是提高放大节上升时间很有效
路漫漫其悠远
的方法。
一、概述
1.3放大器的基本参量及测量方法
其它类型的一些放大器 (1)偏置放大器
(2)快脉冲放大器
快脉冲放大器是放大特别快的信号，往往要求在时间 信息方面使用。
(3)弱电流放大器
弱电流放大器是放大非常小而变化又非常缓慢的信号 。
路漫漫其悠远
一、概述
1.3放大器的基本参量及测量方法
放大器的噪声和信噪比
放大器输出信息中，总是由信号、噪声和干扰组成。 干扰信号是外部的，可以通过各种方法减少到最小。 对于噪声是由前置放大器噪声和放大器输入端自身的 噪声所决定的。通常考虑放大器输入端的噪声只要比 前置放大器输出端的噪声小一个数量级就能满足条件 。
谱仪放大器中放大节电路的各项指标要求较高，一 般的集成运算放大器是无法满足其要求的。 （1）上升速率 上升速率是指在输入端作用很大的阶跃信号，由于 受内部限制而导致输出电压的变化速率。集成运算 放大器的瞬态特性在信号幅度不同时有很大的差别 。谱仪放大器的放大节要求有快的上升速率。

同时由于一个大的放大单元内，加以深度负反馈时很容易引起振荡。
放大节的结构
放大节是由一个高增益的运算放大器（由分立元件或者集成电路 组成）和一个反馈网络组成。实际上放大器很多指标在很大程度上取 决于单元放大节的指标的优劣。
放大节在频带上的要求：内部参数不会影响滤波器的时间参数。
理想运放的特性
理想运算放大 器的性能指标
①晶体管的非线性。
②静态工作点的选择。
iC
（1）合理选择工作点
可输出的 最大不失 真信号
ib
vCE vo
非线性产生原因与改善
非线性产生的原因分析：
iC
（2） 静态工作点选择过 低，信号进入截止区
放大电路产生 截止失真
输入波形 ib
vCE
vo 输出波形
非线性产生原因与改善
非线性产生的原因分析：
iC
放大器的放大倍数稳定性是放大器在连续使用的时 间内由于环境的变化，电源电压变化等因素导致 放大器倍数的不稳定程度。其结果是使测量到的 能谱产生畸变，实验误差增大。
放大器放大倍数（增益）
定义当输入阶跃电压或上升时间足够小，足够宽的矩形脉冲时，输 出信号与输入信号幅度之比为放大器的增益或放大倍数。
测量放大器增益实验装置
保持探测器输出的有用信息如射线的能量信息和时间信息，尽可 能减少它们的失真。
在测量系统中的具体位置：
辐射源
探测器
前放
高压
探头
放大器
分析测 量仪器
单道脉冲幅度分析 器； 多道脉冲幅度分析 器等
§1 概述
探头实例
§1 概述
通常在能谱测量中所用的放大器，主要看其在
能谱测量中对能量分辨率的影响大小，尽可能降低

对数率表（三）
多个二极管泵电路并联来实现对数刻度 由同一个单稳态触发器带有不同RCi的几个泵电路
数字式计数率计
保留了计数率计连续指示的优点，多采用模 拟泵电路的方法。
用计数电路存储计数来代替用电容器C存储 电荷：
输入n
用输入脉冲数来代替定量电容给出的电荷数。
使用一套逻辑电路产生一个正比于计数电路中 已有计数N的计数N/P(P>1)，由时钟脉冲每隔一 定 R的时作间用T0。从计数电路中减去N/P代替给C放电的
时钟
显示
N
可逆计数电路
N
逻辑电路 N PT 0
可逆计数电路中
dN
N
n
dt
PT0
t
N nPT0 (1 e ) PT0
这种数字式计数率计精度高， 显示位数多，但线路复杂， 成本高，实际产品还是模拟 式的居多。但随着大规模集 成电路和计算机技术的迅速 发展，使复杂的数字式计数
在突然接入计数率为n的信号时，计数电路 中的计数N按上面公式增长，读数建立时间 为（3-5）PT0。稳定后，应有N=nPT0。
若干个十进制计数器组成
定标器的种类
两路、三路定标器：能方便地用于符合和反符 合实验中。
可逆定标器：可以进行加法或减法计数。 等等。
定标器的种类
• 由于集成电路的发展，现在常在一个NIM插件 中包括多个定标器，共用一个显示器。在一个 CAMAC或VME插件中，还可以包括4路、8路、 16路定标器，但不带显示器，测量结果送到计 算机进行处理和显示。
双参数脉冲幅度分析谱
列表方式
输入信号幅度由ADC变换为 数码；
这个数码作为存储内容顺 序地存储在各道中；
每输入一个脉冲，道址码 加1。

核电子学与核仪器-课件 15
路漫漫其悠远
2020/11/19
核电子学与核仪器课件15
上次课关键点
路漫漫其悠远
核电子学与核仪器课件15
本堂课主要内容
n 五、闪电型模数变换器 n 六、模数变换器的主要技术性能及其测量
6.1模数变换器的道宽、零点和积分非线性 6.2模数变换器的微分非线性 6.3计数率特性 6.4道剖面
滑 移 脉 冲 发 生 器 的 波 形
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核电子学与核仪器课件15
六、模数变换器的主要技术性能及测量
n 6.2模数变换器的微分非线性
滑移脉冲发生器的脉冲序列可表示为：
单位幅度间隔内的脉冲数：
微分非线性DNL为：
由各道计数偏差求得的各道道宽的相对偏差为：
路漫漫其悠远
核电子学与核仪器课件15
六、模数变换器的主要技术性能及测量
路漫漫其悠远
核电子学与核仪器课件15
六、模数变换器的主要技术性能及测量
n 6.1模数变换器的道宽、零点和积分非线性
¨ 峰位法 模数变换器的积分非线性：
理想值与真实值之间的偏差为：
积分非线性为：
路漫漫其悠远
温度变化
核电子学与核仪器课件15
六、模数变换器的主要技术性能及测量
n 计算积分非线性的更精确方法可以用最小二乘法 得到最佳拟合直线。
实测N个点，可得
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核电子学与核仪器课件15
六、模数变换器的主要技术性能及测量
n 由此可得到积分非线性为：
为了简便，实际工作中往往用近似方法计算。
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核电子学与核仪器课件15
六、模数变换器的主要技术性能及测量
n 6.2模数变换器的微分非线性