第一章核电子学系统中的信号与噪声.ppt

第一章核电子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 基本内容 核辐射探测器输出信号特点 核电子学中的信号噪声分析基础 目的与要求 1 掌握核辐射探测器输出信号的特点 2 熟练掌握核电子学系统中的信号和噪声分析基础 3 了解 核电子学测量系统的组成 1 核辐射探测器及其输出信号 核物理和粒子物理实验中 基本的测量方法核电子学的研究对象是什么 输出信号的特点 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 输出信号的特点 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 探测器 对于辐射是不能感知的 因此人们必须借助于辐射探测器探测各种辐射 给出辐射的类型 强度 数量 能量及时间等特性 即对辐射进行测量 辐射探测器的定义 利用辐射在气体 液体或固体中引起的电离 激发效应或其它物理 化学变化进行辐射探测的器件称为辐射探测器 探测器类别和输出信号 探测器按探测介质类型及作用机制主要分为 气体探测器 闪烁探测器 半导体探测器 气体探测器 电离室 正比计数器 G M计数器 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 Q Ne i t Q t t 电离室的输出信号需要用电子仪器来测量 气体电离室 前置放大器 放大器 单道或多道脉冲分析器 耐高压隔直电容C 半导体探测器 工作原理 固体电离室 Ge 2 96eV Si 3 61eV 利用辐射在某些物质中产生的闪光来探测电离辐射的探测器 高压 多道或单道 闪烁体探测器 闪烁探测器的工作过程 1 辐射射入闪烁体使闪烁体原子电离或激发 受激原子退激而发出波长在可见光波段的荧光 2 荧光光子被收集到光电倍增管 PMT 的光阴极 通过光电效应打出光电子 3 电子运动并倍增 并在阳极输出回路输出信号 闪烁探测器可用来测量入射粒子的能量 闪烁探测器 闪烁体探测器 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 三种探测器输出信号特点小结 等效电流源时间分析能量测量 三 探测器的基本性能 探测效率 输出幅度大小 三 探测器的基本性能 分辨率 能量 时间 空间 FWHM 半高全宽 FW TM 十分之一高全宽 能量分辨率反映了谱仪对不同入射粒子能量的分辨能力 三 探测器的基本性能 能量分辨 半导体最佳 气体探测器其次 闪烁体探测器较差 时间分辨 闪烁体探测器为优 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 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 三 探测器的基本性能 四 核辐射探测器的输出电路 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 半导体探测器图1 1 7 a b c 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ia t Q 0 e t 0电压vo t Q C RC 0 RC e t a e t RC Vam Q C RC 0 1 1 RC 0 Ra 104 105 3 闪烁探测器输出电压脉冲信号 由等效电路得 求解得 两种脉冲工作状态 电压脉冲和电流脉冲 电压脉冲型工作状态 电流脉冲型工作状态 条件 脉冲前沿 脉冲幅度 脉冲后沿 慢 缺点 快 优点 大 优点 小 缺点 实际应用中 为得到较大幅度和较小宽度 取 且要尽量减小 五 输出信号的数学模拟 单个电流冲击脉冲 电流冲击脉冲i t Q t t0 五 输出信号的数学模拟 冲击序列I t 五 输出信号的数学模拟 2 核电子学中的噪声 一 噪声对核测量的影响 干扰 采取措施 一 噪声对核测量的影响 噪声的时间平均值为零 但是只要有噪声存在 平均功率就不为零 因此通常采用均方值 噪声电压的平方值按时间求平均 由于噪声电压是随机地叠加在信号电压上 它会使原来幅度确定的信号 在平均值上下起伏 因而被测量的分辨率变坏 一 噪声对核测量的影响 信噪比 Vo Vno 等效噪声电压 ENV 一 噪声对核测量的影响 噪声的表示方法 放大器的放大倍数为A 输入信号可以表示为Vi V0 A 等效噪声电荷 ENC 等效噪声电荷数 ENN 等效噪声能量 ENE 分辨展宽探测器固有能量分辨半高全宽 FWHM DE 噪声半高全宽 FWHM NE 2 36 ENE 一 噪声对核测量的影响 二 噪声的分类和噪声源 均方值 概率密度函数 自相关函数 功率谱密度函数 白噪声 功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声 二 噪声分类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 小结散粒噪声和热噪声的特点 散粒噪声是由载流子产生和消失的随机性引起的电流起伏 它体现了载流子数目的涨落 例如 前面讨论过的真空二极管 管内电子密度小 碰撞次数少 电子在电场作用下积蓄起来的漂移速度比热运动平均速度大得多 因此阴极发射电子数的瞬时波动成为电流涨落的主要因素 一般散粒噪声有如下特点 1 散粒噪声和电子 载流子 的热运动速度无关 2 平均电流大 电子数涨落大 噪声电流也大 热噪声是由载流子热运动引起的电流或电压涨落 通常 是在载流子大景存在的情况下发生的 例如在电阻或导体中 碰撞使自由电子的速率和运动方向频频改变 即使在电阻两端加上电压 电子获得的漂移速度通常仍然比热运动平均速度小很多 热运动始终是电流涨落的主要原因 一般热噪声有如下特点 1 热噪声和电阻或导体的温度有关 温度升高 热运动加剧 噪声电流或电压增加 2 热噪声电流与外加电压或流过电阻的平均电流无关 散粒噪声和热噪声都起因于许多彼此独立的随机事件 在时间域里 它们都可以表示为随机的脉冲序列 前者的脉冲宽度等于载流子的渡越时间 例如为毫微秒级 后者平均脉宽取决于载流子每秒碰撞次数的倒数 例如为微微秒级 在通常的条件下 都可近似为随机的冲击序列 它们具有共同的统计特性 都是平稳随机过程 功率谱密度近似为常数 白噪声 通常脉冲宽度远大于脉冲的平均间隔 因此总噪声电压 或电流 是很多随机脉冲迭加的结果 在幅度域内服从高斯分布 信号与噪声分析基础 信号和噪声可以在时域里分析 也可以用富里叶变换和拉普拉斯变换在频域和复频域里分析 信号或者噪声 可以在时间域里研究它们的时间函数 也可以在频率域内分析它们的频谱 通过富里叶变换 简称富氏变换 可以建立起信号的时域波形和频谱之间的对应关系 53 傅里叶生平 1768年生于法国1807年提出 任何周期信号都可用正弦函数级数表示 1829年狄里赫利第一个给出收敛条件拉格朗日反对发表1822年首次发表在 热的分析理论 一书中 54 傅立叶的两个最主要的贡献 周期信号都可表示为谐波关系的正弦信号的加权和 傅里叶的第一个主要论点 非周期信号都可用正弦信号的加权积分表示 傅里叶的第二个主要论点 傅里叶变换分析的直观说明 把一个信号的波形分解为许多不同频率正弦波之和 一个周期函数可以表示为加权的正弦和余弦和的形式 富里叶级数 富里叶变换 富里叶变换的基本性质 富里叶变换的基本性质 富里叶变换的基本性质 拉普拉斯变换 拉普拉斯变换 通过分析F s 在s平面上的极点和零点的分布 可以判断时域原函数的特性 一般来说 傅氏变换便于分析频率特性 分析信号频谱和噪声的功率谱 利用拉氏变换便于分析系统的时域响应和参数的关系 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 图1 3 1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 w H w ej W 冲击响应h t 和频率响应H w 组成傅立叶变换对即h t H w 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 图1 3 3表1 5 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t 1 1 t t f t 1 T ts 1 1 e 1 e 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 相位角 arctg RC tg 1 RC 图1 3 4讨论RC H 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 图1 3 6 短路延迟线h t 1 2 t 1 2 t d H H sin 图1 3 7 小结 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 均方偏差噪声电压平均值 lim1 T T 2T 2v t dtT 均方值 lim1 T T 2T 2v2 t dtT 自相关函数R t lim1 T T 2T 2vk t vk t dtT 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 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 图1 3 14 2 白噪声通过CR电路图1 3 15 习题 P30 1 91 101 12 RETURN CH 1 信号处理的基本要求 放大核辐射探测器的输出信号 同时进行幅度 时间和频谱方面的筛选 抑制噪声和干扰 以便尽可能精确地得到射线能量 核事件发生时间和位置等有用信息的数据 4核电子学测量系统概述一 基本组成图1 4 1 图1 4 2 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 1 将探测器输出的电荷收集起来 经过初步放大并转换成适于通过电缆传递到后续电子设备的电压或电流信号 这就需要一个紧靠探测器的 体积不大的前置放大器 第二章 在探测器输出信号的幅度很小时 前置放大器要将信号适当放大 以降低输出信号在传递过程中所受噪声和外界干扰的影响 在使用固有能量分辨率好的探测器时 前置放大器本身的噪声必须很小 才能正常放大微弱的电荷信号并能分辨出它们的微小差别 在需要分析信号的时间信息时 前置放大器要能准确地保留粒子的时间信息 以便确定核事件发生的时间 位置或粒子种类 2 将前置放大器的输出信号进一步放大到便于测量的程度 就要求有一个主放大器 第三章 主放大器要有可调的放大倍数 足够的输出幅度和功率 用于能谱分析的主放大器的稳定性和线性必须很好 以保证系统有较好的能量分辨率和能量刻度线性 为了提高输出端的信号噪声比 并使输出信号的幅度信息和时间信息便于测量 主放大器还应有合适的冲击响应或频率响应 在高计数率时 为了减少信号堆积 在满足上述要求的同时 输出信号的宽度应尽可能窄 所以主放大器中都设有参数可调的滤波成形电路 第三章 滤波成形网络虽然元件不多 但其作用甚为重要 至于放大10 9秒级的超短脉冲或微弱的慢变化信号 则须要特殊的快放大器或弱电流放大器 3 上述信号处理系统 通常具有不随时间和幅度变化的恒定参数 称为时不变线性系统 有时还需要一些参数随时间或幅度变化的时变和非线性处理电路 例如 传输系数或频带按一定条件随时间变化的电路 前者如线性门 后者如时变滤波器 4 经过放大 滤波成形或其它处理的信号 为了判别它们的幅度是否在预定的范围内 需要能甄别幅度信息的电路 为了确定它们的时间参数或相互的时间关系 需要能准确 检出 时间信息并进行甄别和分析的电路 5 在核物理实验中 常常不是研究个别信号的信息 而是研究分布在大量信号中的某种信息 因此需要将大量信号按一定的信息分类计数 按幅度信息分类叫做幅度分析 按时间信息分类叫做时间分析 按位置信息分类叫做位置分析 位置信息通常包含在信号的幅度信息和时间信息之内 所以位置信息实际上也是按幅度信息和时间信息进行分类的 为了分类计数 需先把幅度 时间信息变换成数码 然后按照数码进行分类 这就需要幅度一数字变换电路和时间一数字变换电路 信号的幅度信息和时间信息都是被测物理量的模拟量 所以幅度一数字变换和时间一数字变换通称为模拟一数字变换 但是 习惯上都把幅度一数字变换称为模拟一数字变换 简称为模数变换 模拟量是时间信息的 则称为时间一数字变换 由于主要用于幅度分析的模数变换器已普遍使用 所以常常先用一种叫做时幅变换器的电路将时间信息变换成幅度信息 然后用模数变换器变换成数码 分两步来实