核电子学复习资料

SWUST 2012核电子学复习整理 KAIENTELO 1 核电子学复习整理核电子学复习整理 第一章第一章 一 名词解释一 名词解释 探测效率 探测效率 探测器探测到的粒子数与此时实际入射到探测器中的粒子总数的比值 散粒噪声 散粒噪声 在电子器件或半导体探测器中 由于载流子产生和消失的随机涨落形成 通过器件的电流的瞬时波动 或输出电压的波动 叫做散粒噪声 分辨率 分辨率 识别两个相邻的能量 时间 位置 空间 之间最小差值的能力 主要有能 量分辨率 时间分辨率 空间分辨率 死时间校正 死时间校正 在监察信号的时间 TIp内 如果再有信号输入都要被舍弃 因此监察时 间就是堆积拒绝电路所产生的死时间 计时电路就不应该把这个时间计入测量时间 而应 从总的测量时间中扣除这个死时间得到活时间 由测到的总计数除以活时间就是信号计数 率 这种办法称为死时间校正 二 填空题二 填空题 1 核电子学是核科学与电子学相结合的产物 2 探测器按介质类型及作用机制主要分为 气体探测器 闪烁体探测器 半导体探测器 3 核电子学中主要的噪声指三类 散粒噪声 热噪声 低频噪声 4 核辐射探测器的输出信号特点是 随机分布的电荷或电流脉冲 时间特性 幅度上是非 周期非等值的 5 功率谱密度为常数即 S W a 的噪声为白噪声 三 简答题三 简答题 1 简述核电子学的信号特点 简述核电子学的信号特点 答 1 随机性 2 信号弱 跨度大 3 速度快 2 简述白噪声与干扰以及两者的区别 简述白噪声与干扰以及两者的区别 答 干扰 主要是指空间电磁波感应 工频交流电网的干扰 以及电源纹波干扰等外界因 素 可在电路和工艺上予以减小或消除 噪声 是由所采用的元器件本身产生的 可以设法减小但无法消除 白噪声定义为功 率谱密度为常数的噪声 3 降低前置放大器噪声的措施有哪些 降低前置放大器噪声的措施有哪些 答 1 输入级采用低频噪声器件 2 低温运行 3 减少冷电容 Cs 4 反馈电阻 Rf和探测器负 载电阻 RD选用低噪声电阻 阻值一般在 109欧 1020欧左右 除此之外 用滤波网络来限制频带宽度 也可进一步抑制噪声 4 构成核电子学的测量系统的三部分是哪些 构成核电子学的测量系统的三部分是哪些 答 1 模拟信号获取和处理 2 模数变换 3 数据的获取和处理三个部分 5 简述前置放大器的作用 简述前置放大器的作用 答 1 提高信噪比 2 减少外界干扰的影响 3 合理布局 4 便于调节和使用 5 实现阻抗 转换和匹配 SWUST 2012核电子学复习整理 KAIENTELO 2 第二章第二章 前置放大器的作用与分类 前置放大器的作用与分类 作用 作用 提高信噪比 减少外界干扰的影响 合理布局 便于调节和使用 实现阻抗转 换和匹配 分类分类 按输出信号成形方式分 电压灵敏前置放大器 电荷灵敏前置放大器 电流 灵敏前置放大器 电荷灵敏前置放大器的特性 电荷灵敏前置放大器的特性 变换增益 输出稳定性 输出噪声 输出脉冲上升时间及其稳定性 计数率效应 电荷灵敏前置放大器的噪声分析 电荷灵敏前置放大器的噪声分析 对于高分辨率的能谱测量装置 要求探测器 放大器系统的信噪比尽可能高 在放大器 中一般只考虑在前置放大器第一级减小噪声 因为第一级产生的噪声为后面各级放大电路 所放大 它在决定整个装置的噪声中起着主要的作用 一般半导体探测器的电荷灵敏前置放大器主要采用噪声较小的结型场效应管作输入级 第三章第三章 放大器在核测量系统中的作用及其结构 放大器在核测量系统中的作用及其结构 作用 作用 放大 把小信号放大到需要的幅度 成形 改造信号的形状 结构 结构 极性转换电路 极 零相消电路 积分滤波放大电路 基线恢复电路等 放大器的基本参量 如下放大器的基本参量 如下 7 个 个 1 放大倍数及其稳定性 放大倍数及其稳定性 提高放大倍数的稳定性最有效的方法是采用深度负反馈 负反馈愈深 即 AoF 愈大 放大倍数的稳定性越好 放大倍数定义为 用阶跃电压或上升时间足够小 宽度足够宽的矩形脉冲作为输入信 号 在一定的成形电路时间常数条件下 输出脉冲和输入脉冲幅度之比 2 线性 积分非线性与微分非线性 线性 积分非线性与微分非线性 放大器的线性是指放大器的输入信号幅度和 输出信号幅度之间的线性程度 积分非线性 微分 非线性 3 噪声与信噪比噪声与信噪比 4 放大器的幅度过载特性放大器的幅度过载特性 一般的讲 引起过载的原因主要与放大器中的耦合电容充放电有关 其解决的办法 有 1 应尽可能采用直流耦合 从根本上消除电容充放电的现象 2 当有耦合电容时 从电路上采用差分输入形式可以具有良好的抗过载性能 3 使输入脉冲变窄 从而缩短电容充放电时间 4 在输入端加一级限幅电路来限制过载脉冲 max max 100 o o V INL V 1 100 oi oi VV DNL VV SWUST 2012核电子学复习整理 KAIENTELO 3 5 计数率过载特性 计数率过载特性 在高计数率条件下 由于信号堆积造成了谱线严重的畸变 反映 在测量结果中 谱峰展宽 峰的位置发生偏移 甚至出现假峰 放大器中 由于计数率过高所引起的脉冲幅度分布的畸变称为放大器的计数率过载 6 上升时间上升时间 7 输入输出阻抗输入输出阻抗 改善放大器线性的方法 改善放大器线性的方法 1 合理选择工作点 在输入信号作用下尽可能减少工作电流的变化 2 采用负反馈方法 它可以使放大器的非线性减少到原来的 1 1 谱仪放大器的放大节 谱仪放大器的放大节 放大节通常由一个高增益的运算放大器和一个反馈网络组成 放大节的要求可归结为 放大节的要求可归结为 放大倍数及其稳定性 线性 上升时间和过载特性等 在谱仪 放大器中 改善指标的有效办法是采用负反馈方法 并联负反馈与串联负反馈 并联负反馈与串联负反馈 谱仪放大器中最常用的反馈形式是电压并联负反馈和电压串联 负反馈两种 图 并联负反馈 图 串联负反馈 同相输入与反相输入信噪比的区别 同相输入与反相输入信噪比的区别 谱仪放大器中的滤波成形谱仪放大器中的滤波成形 滤波成形的作用 滤波成形的作用 抑制系统噪声 使系统信噪比最佳 使信号形状满足后续分析设备的 要求 对谱仪放大器中的滤波成形电路的要求可以归结为 对谱仪放大器中的滤波成形电路的要求可以归结为 1 通过滤波成形后要求输入和输出应严格保持线性关系 2 尽可能提高放大器的信噪比 3 减少输入脉冲的宽度 减少堆积和基线的变化 提高电路的计数率响应 4 成形后的最后输出波形应适合后续电路的要求 5 滤波成形电路应尽可能简单 参数可以调节 以达到最佳效果 白化滤波器与匹配滤波器 白化滤波器与匹配滤波器 当输入噪声不是白噪声时 最佳滤波器的频率响应 H 可 由以下方法导出 白化滤波器 匹配滤波器 最佳滤波器 什么是白化什么是白化噪声 噪声 弹道亏损 弹道亏损 当有一定宽度的电流脉冲输入时 在探测器回路中输出信号幅度总小于冲激 信号输入时的输出幅度 这种情况称之为弹道亏损 2 2 1 i d H S M tj i eHV d k H 1 2 2 12 HHH 1 CMoCMCM B CMoCMo VVV D VV SWUST 2012核电子学复习整理 KAIENTELO 4 堆积畸变堆积畸变 放大器输出信号的描述图 放大器输出信号的描述图 堆积 堆积 极极 零相消 定义 传输函数的变化 波形的判断 零相消 定义 传输函数的变化 波形的判断 在几级相串联的系统中 将 前级传递函数的极 零 点和后级的零 极 点相消 从而改善输出波形的方法称为极 零 相消 基线恢复 产生原因 对信号的判别标准 基线恢复 产生原因 对信号的判别标准 堆积拒绝方法 堆积拒绝方法 对峰堆积的处理方法首先要能够随时发现峰堆积 通常是设法判别信号 的时间间隔是否过小 堆积是否发生 然后把发生峰堆积的信号剔除 前沿堆积前沿堆积 后沿堆积后沿堆积 对信号的判别标准 对信号的判别标准 T tw tM 两个信号都无幅度畸变 tM T 0 发生前沿堆积 两个信号都发生畸变 tw tM T tM 发生后沿堆积 前一个信号无畸变 后一个信号发生畸变 线性门 定义 传输函数 线性门 定义 传输函数 线性门是传输信号的一个门电路 其作用在控制信号 门控信号 作用下 可以有两个状态 用于时域里信号的筛选或采样 在高分辨率能谱仪中 影响谱仪能量分辨率的因素有 在高分辨率能谱仪中 影响谱仪能量分辨率的因素有 射线及电荷收集的统计涨落 探测器及放大器的噪声 信号堆积引起的基线偏移 SWUST 2012核电子学复习整理 KAIENTELO 5 第四章第四章 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 单道脉冲幅度甄别器的工作原理 单道脉冲幅度甄别器的工作原理 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 电路的基本工作原理 电路的基本工作原理 LV v1 o v G2 G1 VU VL 上甄别器上甄别器 下甄别器下甄别器 VU v v H VUU V L V o 1 改造后的电路框图 改造后的电路框图 v1 VU VL 上甄别器上甄别器 下甄别器下甄别器 VU 展 延vL vO 单道脉冲幅度分析器实例 单道脉冲幅度分析器实例 SWUST 2012核电子学复习整理 KAIENTELO 6 微分谱 微分谱 积分谱积分谱 用于幅度分析的模数变换器用于幅度分析的模数变换器 什么是幅度分析 什么是幅度分析 答 幅度分析是指测量信号幅度的分布 即按信号幅度大小进行分布计数 用于幅度 分析的模数转换器是核电子学中的一个重要内容 什么是幅度响应 什么是幅度响应 答 模数变换器的输入信号幅度 A 与道数之间的关系称为模数变换器的幅度响应 变换系数 变换系数 模数变换器的精度还常用变换系数来表示 变换系数 P 的定义 每单位幅度 可变换成多少道数 它与道宽是倒数关系 道宽 道宽 一个量化级数相应于模数变换器的一个道 每个量化电压都是道边界 相邻的两个 量化电压组成一个道 相邻两个量化电压间的差值称为模数变换器的单个道宽 h 所有单 个道宽的平均值称为模数变换器的道宽 H 道数 道数 量化电平数用 L 表示 最大量化电平数为 Lmax 最低量化电平称为 0 点 所以最 大量化电平数 Lmax 就是模数变换器的道数 线性放电型模数变换器线性放电型模数变换器 线性放电型模数变换器 Wilkinson 型模数变换器 的电路简单 道宽一致性好且便于 生产 国内外产品大多数仍然是线性放电型模数变换器 工作原理 工作原理 它的工作原理是基于脉冲幅度与时间的线性变换 首先 把脉冲幅度 V 变换 成时间间隔 t 然后把时间间隔 t 变换成数字 m 时间间隔 t 正比于输入脉冲幅度 V 数字 m 正比于时间间隔 t 则数字 m 正比于输入脉 冲幅度 V 由此完成 V m 变换 模数变换的工作方式 模数变换的工作方式 逐次比较型模数变换器工作原理 逐次比较型模数变换器工作原理 逐次比较型模数变换器利用二进制的标准电平与输 3 10 P H 道道毫毫伏伏 伏伏道道 SWUST 2012核电子学复习整理 KAIENTELO 7 入信号比较 第一次比较时 取标准电平为满量程的一半 若标准电平小于信号幅度 则 标准电平保留下来 进行第二次比较 第二次比较的标准电平为保留的上次标准电平加满 量程的四分之一标准电平 若标准电平小于信号幅度 第二次比较的标准电平同样保留下 来 进行第三次比较 若标准电平大于信号幅度 则不保留该标准电平 依此类推 直到 12 个标准电平取出比较完才结束 第五章第五章 一 时间分析概述一 时间分析概述 二 定时方法二 定时方法 以下四种 什么是定时电路 什么是定时电路 答 定时电路是核电子学中检出时间信息的基本单元 故而又称时间检出电路 它接 受来自探测器或放大器的随机脉冲 产生一个与输入脉冲时间上有确定关系的输出脉冲 定时误差产生的原因 定时误差产生的原因 答 探测器信号是在时间 t0 时产生的 但是电子学定时信号是在时间 t0 时发生的 所以落后一段时间 而且对应探测器的信号本身的涨落时间 收集时间过程的涨落 电子 学定时信号 V0 t 也会产生涨落时间 定时时刻可以从 t0 变到 t0 即为定时误差 除此之 外 电子学的定时电路本身在进行定时时也会产生定时误差 2 1 前沿定时前沿定时 延迟产生的因素 延迟产生的因素 输入信号幅度变化引起的时间移动 输入信号上升时间变化引起的时 间移动 噪声引起的时间晃动 输入信号统计涨落引起的时间晃动 触发比与斜率噪声比触发比与斜率噪声比 定义触发比 f 为触发电平与输入信号最大幅度之比 定义斜率噪声比 2 2 过零定时过零定时 2 3 恒比定时恒比定时 2 4 幅度和上升时间补偿定时幅度和上升时间补偿定时 以上四种方法的优缺点 以及适用场合 以上四种方法的优缺点 以及适用场合 见书见书 P209 最佳定时滤波器与定时滤波放大器最佳定时滤波器与定时滤波放大器 定时单道脉冲幅度分析器定时单道脉冲幅度分析器 定义 具有定时功能的单道脉冲幅度分析器称为定时单道脉冲幅度分析器 SWUST 2012核电子学复习整理 KAIENTELO 8 分类 按定时误差的不同 分为 慢定时 us 数量级 单道和快定时 ns 数量级 单道 按定时方法不同 分为 前沿定时 过零定时 恒比定时三类 三 符合三 符合 1 什么是符合测量 什么是符合测量 答 答 2