第1章++核电子学系统中的信号与噪声.ppt

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 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 由于信号统计性 要求核电子学用独特方法处理和研究 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 核信息 能量 能损 粒子入射时间 强度 粒子类型 n p d 二 探测器类别和输出信号1 气体探测器 电离室 正比计数器 G M计数器图1 1 1 a 工作原理 b 等效电路 c 简化电路产生电子 离子对数 F 法诺因子A 气体放大倍数 平均电离能量 产生对电子 离子对所需平均能量20 40ev Q Nee 1 6 10 19c形成感应电流i t Q t t 与位置 漂移速度有关 通过电容器积分得电压 2 半导体探测器 HPGe Si Li 工作原理 固体电离室 Ge 2 96eV Si 3 61eV图1 1 33 闪烁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 0 e t 0Q 阳极收集总电荷 0 光脉冲衰减时间图1 1 4三 性能 指标 探测效率 输出幅度 分辨率 线性响应 稳定性表1 1表1 2表1 3表1 4 四 输出电路 探测器本身输出部分和放大器输入部分 1 脉冲电离室图1 1 6 a b c d e R RL RiC CO Cs CiRC T Vm Ne C 2 半导体探测器RD偏置电阻Rd灵敏区电阻R C 非灵敏区电阻电容Ri Ci输入 Cs分布电容 Cc隔直电容 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 阳极负载电阻 Ra 104 105 输出电压 微分为0求得最大值点 五 输出信号的数学模式单位冲击函数 lim t0 t t0 t t0 00 t 电流冲击脉冲 i t Q t t0 冲击序列 I t 图1 1 9图1 1 10 CH 1 2 核电子学中的噪声一 噪声干扰和噪声的区别 均方值信噪化 Vo Vno等效噪声电压 ENV 等效噪声电荷 ENC 等效噪声电荷数 ENN 等效噪声射线能量 ENE 分辨展宽噪声半高全宽 FWHM NE 2 36 ENE 探测器固有能量分辨半高全宽 FWHM DE 二 噪声分类散粒噪声 热噪声 低频噪声 1 散粒噪声 载流子产生 消失随机涨落 散粒噪声电流的均方值 平均电流 e 频段 例如 探测器漏电的噪声 场效应管栅极漏电流的噪声 2 热噪声 载流热运动 使电流产生涨落 主要与温度有关 热噪声电流均方值 玻尔兹曼常数 绝对温度 导体相应阻值 频段 例如 场效应管的沟道热噪声 电阻的热噪声 CH 1 3 低频噪声 一种随效率降低而增大的噪声 低频噪声电压均方值 系数 频率 例如 场效应管栅极噪声 电阻 CH 1 3核电子学中的信号与噪声分析基础 一 时域和频域分析网络 电路或系统 分线性网络 描述方程为线性微分方程 非线性网络 数学分析方法处理 核脉冲通过线性网络 冲击响应h t 一个单位冲击信号 t 加到一个线性网络上 得到的输出h t 时域特征 频率响应H w 在域频中 由傅立叶变换得 t 1 即1 为 t 的频谱 h t H 即H 为输出信号h t 的频谱 频域特性 H H ej H 振幅频谱 为相位频谱 h t 与H 组成傅立叶变换对即h t H 等效拉普拉斯方程变换h t H s H s 线性网络的传输函数 传递函数 s j 对于一般情况 G s F s H s G s g t g t f t h t 卷积 P1 3 3 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t 1 1 t t f t 1 T t1 1 1 e a 1 e a 上述拉普拉斯变换由公式 2 2 1 和 2 2 2 确定 时间函数f t 的定义域t 0 信号分析中通常t 0时f t 0 表中的f t 要乘以单位阶跃函数u t 表中仅列出基本的和本书用到的拉氏变换对 表中a b c是常数 m为零或正整数 二 核电子学中常见的基本电路分析 探测器输出电路冲击响应 t h t 频率响应H R 1 j RC 振幅频谱 H R 相位频谱 arctg RC tg 1 RC 冲击响应 t h t 频率响应H R 1 j RC 振幅频谱 H R 相位频谱 arctg RC tg 1 RC 积分电路 低通滤波器 冲击响应h t 频率响应H 1 1 j RC 即 H tg 1 RC 微分电路 高通滤波器 H j RC 1 j RC H tg 11 RC H j RC 1 j RC H tg 11 RC 短路延迟线h t 1 2 t 1 2 t d H H sin 三 核随机信号通过线性网络 核电子学中的随机信号及表现形式图1 3 8 噪声信号概率密度函数 v 噪声电压平均值 均方偏差 概率密度函数 v 噪声电压平均值均方值自相关函数R t 平均功率s 功率谱密度函数 W HZ 白噪声 S R t 核辐射随机信号I t R 图1 3 12 P1 3 12 RETURN 2 核随机信号通过线性网络V0 H Vi S0 H 2Si R0 Rh Ri 3 实例 1 白噪声通过RC电路Si R t 2 白噪声通过CR电路Si R t 4核电子学测量系统概述一 基本组成 图1 4 2 二 核电子学常用的信号处理系统 前置放大器初步放大 以降低输出信号在传递过程中受噪声和干扰影响 主放大器放大 便于测量 信号成形 有其他功能 滤波形式 基线恢复 堆积拒绝等 甄别 幅度 时间 模数变换模数变换 幅度 数字变换 时间 数字变换 数据获取分析 处理计数分类统计 谱数据得到 计算机应用 三 处理单元插件标准化NIM标准 1 英寸宽 12单位宽度 34 4mm 42芯插件 电源标准 6V12V24V 适用于模拟信号处理及模数变换和计数电路 NIM标准机柜 机箱及插件CAMAC标准 机械和供电同NIM 一半宽且更深 信息传输方式 信号传送硬件与软件 适用于数据收集和处理系统 快总线 TASTBUS CH 1 附录 常用的几项NIM标准 几种核子仪器标准 NIM标准机箱及插件 NIM插件 NIM标准机柜 RETURN Q Ne i t Q t t RETURN P1 1 3 RETURN P1 1 4 i t Q 0 e t 0 RETURN RETURN RETURN RETURN P1 3 3 RETURN RETURN 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t 1 1 t t f t 1 T ts 1 1 e 1 e 上述拉