第一章核电子学

Q C
RC
0
1 RC 0
为了使输出电压幅度尽量大，要求下级前置放大器的 输入电阻Ri要尽量大，输入电容Ci尽量小，分布Cs电 容尽量小，因此适合采用射极跟随器。
五、核辐射探测器的输出信号的数学模拟
常见的几种探测器的分辨率
从表中可以看出，能量分辨率是半导体最好，气体探测器次之，而闪烁体比较 差，而时间分辨率则是闪烁体探测器为最好，因此根据物理实验的需要选 择合适的探测器非常重要，而且要搭配合适的电子学系统。
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 产生的离子对平均值与所消耗的粒子能量E之间是否有线 性变化关系。上表列出了各种探测器的线性指标。
气体探测器的特点：
工作介质均为单一气体或混合气体 （90%Ar+10%CH4)，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 子中的电子产生电离直接形成电荷。其中电离 室对电离电子没有放大而直接收集，因而信号 非常小，对电子学的要求比较高。正比计数器、 盖革-弥勒（G-M）计数管和多丝正比室由于 有了气体放大过程因而信号比较大，而且多丝
阴极
CO RL CS Ri Ci
i(t)
v(t)
RC
i(t)
v(t)
i(t) v(t) C dv(t)
R
dt
RC
初始条件为： t 0; i(0) 0; v(0) 0
t
求解得： v(t) e RC
t
t
i(t)e RC dt
（1）式
C0
（1）式为电压脉冲的一般表达式，式中RC为电路的时间常数，其大小直接
辐射
源
0
阴极
t
i(t)dt Q Ne
0
vo (t)
Q C
1 C
t 0
i(t)dt
vo (t)
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Ne C
F
AE wC
e
K
E
气体探测器的不同工作区域
正比计数器由于气 体放大，输出信号 幅度比电离室大几 百至几千倍，并几 乎与入射粒子产生 的原电离的位置无 关。
G-M计数器输出信 号已和原电离失去 正比关系，但灵敏 度高，输出信号幅 度大，主要应用于 计数。
影响输出脉冲的幅度和波形。按时间常数的大小，脉冲电离室分为两种类型：
离子脉冲电离室：T RC, T为 正离子的收集时间（约为10 -3 秒）。
电子脉冲电离室：T RC T ,T 为电子的收集时间（约为10 -6 秒）。
1、离子脉冲电离室
离子脉冲电离室工作条件为： T RC
电压脉冲v(t)的变化可分三个阶段来分析：
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
光电倍增管
i (t )
Q
t
e 0
0
0 光脉冲的
衰减时间 常数
核辐射探测器输出信号的特点
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，可以等效为电流源。
2、核辐射探测器的输出电流i(t)具有一定的形状，即具有 一定的时间特性，可用于时间分析（对闪烁探测器可作为 能量分析）。
第一章 核电子学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.核辐射探测器及其输出信号
一、核辐射探测器的要求和特点
探测器输出信号为随机脉冲（时间特性、幅度 分布的非周期性或非等值性）。
脉冲参数：电荷量、出现时刻、单位时间 脉冲数、脉冲形状（上升时间）
半导体探测器
平面 Ge(Li) 探测器
V
(采用锂离子漂移的方法，
以获得有高电阻率而且厚
N
度很大的耗尽层）
E
辐射源
P
vo (t)
Q C
1 C
t 0
i(t)dt
N e C
Ee K' E w C
可以用电压信号来测量入射粒子的能量
i(t)
i(t)
v(t) Q/C
50ns
rS
t(s) 100ns t(s)
在电离室不同位置入射的同样 能量的粒子，因电子-离子对 产生的位置不同，所得到的输 出电流i(t)大小不同，因此不 能用电流大小来测量入射粒子 的能量，但总输出电荷量Q是 相同的。
v(t) Q/C
t(s) 粒子能量E ∝ 探测器电荷Q ∝ 输出电压V
d 阳极
高压U E
漂移运动
-------
z +++++++
三个阶段分析
t
e RC v(t)
t t
i(t)e RC dt
C0
(1) 故：
t T 由于：RC T
t
t
0, e RC 1
RC
v(t)
Ne C
1t
v(t) C 0 i(t)dt
T RC
(2)、当 t T 时 ：
1 T
Ne
v(t) C 0 i(t)dt C
其中：N 为总电子-离子对数，此时电压 升至最大值。
2、固体探测器
固体探测器有：
半导体探测器
包括金硅面垒探测器，Ge(Li)和Si(Li)漂移探测器，高纯锗探 测器等。当被测粒子通过半导体的耗尽层时产生电子空穴对，外接 偏置电路对电子进行收集形成电信号输出。
闪烁探测器
包括BGO,CsI,NaI等。当被测粒子通过闪烁晶体（探测器的工 作介质）时，先使得闪烁晶体中的分子或原子激发，然后在退激时 发出荧光。 闪烁体探测器的输出为光信号，必须通过光电倍增管 PMT或光电二极管PD转换成电信号。
核信息：能量（能损），粒子入射时间、 强度、粒子类型（ α.β.γ.n.p.d）
由于信号统计性，要求核电子学用独特方法处 理和研究。
§1.核辐射探测器及其输出信号
二、核辐射探测器的主要类别及其输出信号 气体探测器 闪烁探测器 半导体探测器
1、气体探测器
气体探测器有电离室、正比计数器、盖革-弥勒 （G-M）计数管、多丝正比室等。
(N)
2 N FWHM
式中 N为标志涨落大小的标准偏差，
FWTM
N0
N
分辨率的表示除了用标准偏差以外，也用半高全宽FWHM（Full Width at half maximum)和十分之一高全宽FWTM （Full Width at tenth maximum)来表示。
FWHM定义为＝0.5时， 2 | N N | FWHM 2.36 N
并被结电容CD 收集。
Q vC (t) CD
半导体探测器
金硅面垒探测器
+
RD CC v(t)
V
探
-
测
器
Ri
Ci
CD CS
R’
i(t)
CC
C’ Rd CD
v(t) i(t)
RD CS Ri
Ci
v(t) RC
闪烁探测器
光电倍增管
K
A
CC v(t)
Ra
D1
Dn-1 Dn
Ri
Ci
CO CS
+V
i(t)
探测器简化等效电路
其中in(t)为粒子在探测器中产生的 电流脉冲信号，Rn 和Cn 分别
为探测器输出的等效电阻和电
容， Rn一般从几百kΩ至几百
MΩ， Cn一般从几个PF到几十
PF。如果用一个负载电容C对
一个粒子产生的电荷量，正比于 该粒子在探测器中损耗的能量E。
电流进行积分形成电荷Q, 则
t
Q in (t)dt
t(s)
脉冲电离室输出波形
半导体探测器
金硅面垒探测器 Au膜 PN结
N型硅
RD
CD
-V+
+
RD CC v(t)
V
探
-
测
器
Ri
Ci
CD CS
当 粒子从入射面穿过
金膜（每平方厘米30-
50微克的金，使 粒子
能量几乎没有损耗）和P 型区后，在PN结区产生 电离，由于PN结区加有 偏压，所以电离产生的 电子-空穴很快被电场分 别拉向N型区和P型区，
v(t)
R Ra // Ri
RC
C CO // CS // Ci
闪烁探测器的阳极输出电流为：
ia
(t)
Q
0
t
e 0
（1）式
i(t)
va(t)
ia
(t)
va (t) R
C
dva (t) dt
R C 初始条件为：t 0; ia (0) 0; va (0) 0
R Ra // Ri C CO // CS // Ci
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。
三、核辐射探测器的基本性能
探测效率 探测效率定义为探测器测量到的粒子数
目与实际入射到探测器中的粒子总数的比值， 在粒子物理实验中也称为几何接收度。它是 与探测器的尺寸，几何形状，特别是对入射 粒子的灵敏度、能区有关 。通常希望探测器 具有较高的探测效率。
0
例：如果带电粒子的能量为1MeV,并全部消耗在 电离室的灵敏体积区内，若气体的平均电离能为 33eV是，平均电离出的电子-离子对为多少？若 全部收集在20pF的电容上所得电压为多少？
N E 1MeV 30000 w 33eV
v Q Ne 0.24mV CC
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
(3)、当 t T 时 ： i(t) 0
只有当正离子在漂移过程中，外回 路中才有电流信号存在。一旦正离 子到达负极板电流立即为零。
106
103
t(s)
脉冲电离室输出波形
(3)、当 t T 时 ： i(t) 0
t
v(t) e RC C
t
t
i(t)e RC dt
t
e RC
0
C
T
i(t)dt
各种探测器的电离能、电荷数、输出电压幅度的比较
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。
分辨率
分辨率主要有能量分辨、时间分辨和空间分辨等，指探测器在
识别两个相邻的能量、时间、位置之间的最小差值的能力。对这
FWTM定义为＝0.1时， 2 | N N | FWTM 4.29 N
探测器固 有分辨率
R (FWHM ) 100% 2.36 N 100%
RD
N
N
探测器固 有能量分 辨率RD
R (FWHM) 100% 2.36 E 100%
E
E
来表征一个系统 的分辨能力，定 义为由探测器的 探测过程，即电 离、激发退激发、 光电转换等过程 的随机性引起的 分辨能力：
0
t
t
T
i
(t
)e
RC
dt
t
e RC
T
i (t )dt
Ne
e
t RC
C0
C
v(t)
Ne C
T RC
按时间常数为RC的指数率下降。
(1)、当 t T 时 ： 脉冲上升阶段。 (2)、当 t T 时 ： 脉冲达到最大值。 (3)、当 t T 时 ： 按时间常数为RC的
指数率下降。
106
正比室还提供了位置信息。
U 阳极
阴极
气体探测器的工作原理
平行板电离室
总的电子-离子对数 N F A E / w
电荷量 Q = N e
d 阳极
i(t) Q(t) t
U
E
z
辐射源
0
漂移运动
-------++++++++
阴极
F ：法诺因子 A：气体放大倍数
w ：平均电离能
v(t) Q(t) Ne CC
103
t(s)
脉冲电离室输出波形
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。
v(t)
Ne C
T RC
T RC T
106
103
t
求解得：
va (t)
e RC C
t
t
0 ia (t)e RC dt
（2）式
将（1）式带入（2）式整理得：
va (t)
Q RC
C 0 RC
t e 0
t
e RC
当：
tm
RC
RC 0
ln 1
RC
0
时，
va(t) 为最大值：
1
vmax
Q C
RC
0
1 RC 0
1
vmax
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。从表中可以看出，环境温 度的影响是不可忽视的。而光电倍增管的高压电源则要求 其稳定性要好于千分之一或万分之一。
四、核辐射探测器的输出电路
脉冲电离室
i(t)
v(t)
d 阳极
U
E
z
辐射源
0
漂移运动
-------++++++++
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。
电离在负极板附近 发
生（感应电流主要由电子
i(t)
漂移造成）
10-6
10-3 t(s)
vn Ne vp x0
d
iD
R
电离在两极板中央发生
（感应电流主要由电子和离 子感应电流两部分合成）
电离在正极板附近发生（感 应电流主要由离子漂移造成）
些量的测量，由于探测器的探测过程，即电离、激发退激发、光
电转换以及光电倍增管的倍增过程都是随机的，在后续的电子学
处理过程中噪声的贡献，使得测量值N围绕其平均值有统计涨落，
其概率（几率）分布呈高斯分布：
(
NN
2 )
f (N ) f (N )MAX e 2 N
归一化 高斯型概率密度函数
(
N N
2 )
(N ) e 2 N