核电子学第一课课件

核电子学与核辐射仪器,覃国秀qinguoxiu198201Tel技术教研室2010/03/01,本堂课主要内容：,一、课程安排二、核电子学特点及发展三、主要教学内容四、核电子学应用五、基础知识,一、课程安排,教材核电子技术原理王芝英等编.自印参考书核电子学讲义（2005年修改版）清华大学核电子学王经谨等编.原子能版社核辐射探测器与核电子学赖万昌编.成都理工大学,一、课程安排,有关先修课程核辐射测量原理电路分析模拟电子技术数字电子技术信号与系统,一、课程安排,课程学时安排课内学时(40)，实验(20)，另加习题课课程考核方式（100分）作业（10分）希望能独立、认真、按时完成每次作业。考试（60分）课堂考勤(上课)（10分）实验（20分）,一、课程安排,答疑和习题课可以在公共邮箱里提问可以到办公室（信工楼107）答疑在教学过程中穿插习题课不定期的对学生提问或讨论,一、课程安排,如何学好本门课程？专心、努力。做任何事情，只要肯专心、努力的去做，总会有收获。花必要的时间。上课、作业、实验与答疑，课后复习。掌握课程思路，抓住要点。问题的提出，遇到的矛盾，原理和概念，实施办法。举一反三，灵活应用。综合训练，拓展思维。,二、核电子学特点及发展,核电子学（nuclearelectronics）核科学技术与电子科学技术相结合而形成的一门交叉学科。形成于50年代，其内容包括：核科学、高能物理和核技术中有关核辐射（和粒子）探测的电子技术；核爆炸和外层空间的辐射对电子系统的效应和抗辐射的加固技术；核技术应用中所需的电子技术、脉冲幅度、时间间隔、波形和径迹的精密测量和甄别技术、纳秒脉冲技术以及模数变换技术都是在核电子学中首先得到发展。,二、核电子学特点及发展,核电子学的研究对象包括：各种辐射探测器及与之相应的电子电路或系统。针对核信号时间上的随机性、幅度上的统计性、波形的多样性以及信号采集需要加以选择等特点的各种精密的电子学测量技术；各种大型核电子系统，用于在核科学技术和高能物理实验中实时获取并处理大量核信息，并在实验过程中不间断地对整个系统的运行进行监测和控制。电子原材料、电子元件、器件和电子设备或系统在核辐射、核电磁场下的辐射效应和相应的抗辐射加固技术。核技术在工业、农业、军事、医学、生物研究等方面应用时所需的电子技术。,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（V几十伏）速度快脉冲上升沿快10-1010-12s平均计数率高时间间隔短级联辐射10-910-12s,二、核电子学特点及发展,需要哪些新的技术手段？a.随机性：用概率密度函数描述，要求仪器稳定可靠。b.信号弱，信号跨度大：提高信噪比S/N、S、N，加前置放大器，主放大器，极零相消等。c.速度快：脉冲成形，反堆积技术。,二、核电子学特点及发展,CZTdetector,GEMdetector,高密度读出探测器,二、核电子学特点及发展,如何更进一步降低噪声？,二、核电子学特点及发展,用于谱仪的集成放大器（1989）,时间幅度测量ASIC（2002）,三、主要教学内容,核仪器系统,探测器,核电子学,数据获取及处理,三、主要教学内容,提高信噪比,三、主要教学内容,三、主要教学内容,教学关键点噪声的描述、噪声的计算噪声的分类、器件的噪声、噪声的表示前置放大器（电荷、电压、电流）最佳滤波、极零相消、信息畸变、有源滤波、无源滤波、延迟线、数字滤波展宽器、基线恢复器、堆积判弃幅度甄别器、单道、时间检出、符合、波形甄别模数变换、定标器、多道,三、主要教学内容,大概教学进度核辐射探测器及其输出信号（4学时）核电子中的噪声（2学时）核电子学信号与噪声分析基础（2学时）前置放大器（4学时）放大器（8学时）脉冲幅度分析（8学时）时间分析（8学时）辅助电路（4学时）实验（20学时）,四、核电子学应用,能用到什么地方的问题？应用的领域很多，凡用到测量核信息的地方都会用到核电子学。原理性的东西近来发展不是很大，发展快的主要是技术手段（数字化、小型化）,因此需要与其他新技术相结合。抓住本书内容的主线，即如何提高能量分辨率，如何提高S/N，学会分析、解决问题的方法。重在灵活应用，学会独立思考，鼓励创新。,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,四、核电子学应用,核电站控制与保护系统辐射监测系统,四、核电子学应用,核辐射测量装置4-符合活度标准装置（401所）,四、核电子学应用,高能物理最具挑战性的领域需要国际合作TheRelativisticHeavyIonCollider(RHIC),四、核电子学应用,各种各类的核仪器仪表ADM600SeriesMultipurposeRadiationMonitor（Canberra）,五、基础知识,（一）有关气体探测器、半导体探测器和闪烁探测器的固有能量分辨率等参数参阅核辐射测量原理。结论探测器输出信号,可看作一个高阻抗的电流源。电流的上升沿很快，脉冲很窄，可以认为是一个电流冲击，一个脉冲代表一个核事件的发生。电荷量正比于入射线粒子能量（QE）用来区分不同的粒子和物质，不同探测器能量分辨率相差很大。它不同于工业上应用的探测器：测温度、压力、大多是缓慢的电流、电压信号，可采用采样分析，核电子学一般是脉冲分析。,五、基础知识,探测器输出脉冲幅度一般较小,五、基础知识,（二）信号分析基础信号(signal)：用于描述和记录消息的任何物理状态随时间变化的过程。（电信号）信号的分类确定信号与随机信号、周期信号与非周期信号、连续时间信号与离散时间信号、能量信号和功率信号。信号的表示函数、图形,五、基础知识,（二）信号分析基础正交函数（两函数在区间(t1,t2)内正交的条件）正交函数集完备正交函数集三角函数、复指数函数,五、基础知识,（二）信号分析基础奇异函数抽样函数单位阶跃函数,五、基础知识,（二）信号分析基础奇异函数单位冲激函数冲激函数与阶跃函数的关系,五、基础知识,（二）信号分析基础信号的时域分解信号的时域变换信号的相加、翻转、平移、波形展缩,五、基础知识,（二）信号分析基础卷积卷积运算的步骤1.变量置换2.反褶3.平移4.相乘5.积分,五、基础知识,（三）频域和时域分析通过富里叶变换，可以建立起信号的时域波形和频谱之间的对应关系。电信号或噪声都是时间t的实函数。富里叶级数（三角形式）,五、基础知识,富里叶级数（指数）以上为f(t)展开成富氏级数的三种形式，最后一式的物理意义最明显,五、基础知识,周期性电信号（电压或电流）f(t)的平均功率定为在1欧姆电阻上消耗的功率PT可分解为直流分量功率与各次谐波功率之和,五、基础知识,周期信号可以展开成富氏级数，得到的离散频谱取决于信号的一个周期。对于非周期信号，必须从整个时间域上来研究，不能展开成富氏级数。但是，它可看作周期信号在周期趋于无穷的极限形式。此时，相邻谐波的角频率间隔为无穷小量。离散频谱变成连续频谱，富氏级数则演变为富氏积分。,五、基础知识,改写为积分形式，可得富氏变换和反变换各频率分量的幅度为|F()|df，|F()|称为振幅频谱密度，()称为相位频谱。必须注意，|F()|虽然以为变量，但它表示的是单位频率(每赫兹)中的幅度。通过傅氏变换，时间域里的信号f(t)变换为频率域里的函数F()；通过反变换，频域的F()变为时域的f(t)。因此，信号通常有两种表示方法：在时域里表示为f(t)，在频域里则表示为F()。,五、基础知识,典型周期信号的频谱周期矩形脉冲信号,五、基础知识,周期矩形脉冲信号傅里叶级数,幅度,相位,五、基础知识,周期矩形脉冲信号频谱特点：1.离散线状频谱；2.谱线的幅度包络线按抽样函数的规律变化；3.谱线幅度变化趋势呈收敛状。,五、基础知识,典型非周期信号的频谱矩形脉冲信号频谱,比较前面的周期矩形脉冲信号频谱，可以看出非周期单脉冲信号的频谱函数曲线与其非常相似，都具有抽样函数的形式。不过非周期信号为连续谱。,五、基础知识,单位冲激信号频谱,单位冲激信号的频谱在整个频率范围内均匀分布，这种频谱常被称为白色谱。,五、基础知识,单位阶跃信号频谱,五、基础知识,直流信号频谱幅度恒等于1的直流信号，可表示为,五、基础知识,富里叶变换的基本性质线性、时移定理、频移定理、比例、时间卷积、频域卷积、乘积定理、巴塞瓦定理、时间导数、时间积分巴塞瓦定理一个能量有限的信号，在时域里计算的能量等于频域里各频率分量的能量之和,五、基础知识,拉普拉斯变换拉氏变换又称广义傅里叶变换,拉普拉斯变换是求解常系数线性微分方程的工具，它可以将时域中两函数的卷积运算转换为频域中两函数的乘积运算。,五、基础知识,Z变换Z变换可以由抽样信号的拉氏变换引出如果连续信号x(t)经过均匀冲激抽样，其抽样信号为：对抽样信号取单边拉氏变换，并引入新变量Z得,五、基础知识,（四）噪声分析噪声(noise)专指无用或干扰信息信号在产生、传输和放大过程中都伴随有噪声噪声是随机的，服从统计规律。其基本特性可用统计平均量或统计函数来描述，主要有：均方值：表示噪声的强度概率密度函数：描述噪声在幅度域内的分布密度自相关函数：提供噪声在时间域里的相关信息功率谱密度函数：给出噪声功率在频域里的分布情况,五、基础知识,（四）噪声分析功率谱密度函数定义：噪声功率是其各频率分量功率之和。称为功率谱密度函数噪声为非周期信号，功率谱是连续谱。对于噪声电压v(t)，取其功率在T时间段内的平均值,五、基础知识,（四）噪声分析自相关函数定义性质对于平稳随机过程，自相关函数与时间t无关偶函数平均功率互为傅立叶变换对，可分别在时域和频域里表示噪声的基本特性,五、基础知识,（五）线性系统分析系统定义：由一些相互作用和相互依赖的事物组成的具有特定功能的整体。系统分类：线性系统与非线性系统；时变系统与非时变系统；连续系统与离散系统；即时系统与动态系统；集总参数系统与分布参数系统。（在信号与系统中主要研究的是线性非时变系统）,五、基础知识,（五）线性系统分析系统分析方法分类：时间域分析和变换域分析时间域分析：冲激响应与阶跃响应零输入响应与零状态响应零输入响应：没有外加信号的作用，只由起始状态所产生的响应。零状态响应：不考虑起始时刻系统储能的作用，仅由系统的外加激励信号所产生的响应。,五、基础知识,（五）线性系统分析变换域(傅立叶)分析：时域中的卷积频域中的乘积无失真传输条件：