核电子学-第1章-系统中的信号与噪声

1、,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

2、.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2040 ev) Q=Ne e-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1.1.3 3.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/0 Q-阳极收集总电荷 0- 光脉冲衰减时间 图1.1.4

3、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 / Ri C= CO+ Cs + Ci RC 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

4、)=Q/0 e-t/0电压 vo(t)= (Q/C)RC/(0RC)e-t/a-e-t/RC Vam = (Q/C)(RC/0) 1/(1-RC/0) Ra:104105,五.输出信号的数学模式 单位冲击函数(t-t0)=lim1/ t0tt0+ 0 0 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,习题（P29）:1.1 1.4,CH.1,2.核电子学中的噪声一.噪声干扰和噪声均方值信噪化 =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=2.3

5、6（ENE） 探测器固有能量分辨半高全宽(FWHM)DE,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，电阻习题（P29）:1.6 1.7,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)

6、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

7、(t) g(t)=f(t)*h(t) (*卷积)图1.3.3 表1.5,二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+jRC) 振幅频谱 H()=R/ 相位角 （）=-arctg(RC)=-tg-1(RC) 图 1.3.4 讨论RCH(),积分电路（低通滤波器）冲击响应h(t)=频率响应H()=1/(1+jRC) 即|H()| = ()=-tg-1(RC),微分电路（高通滤波器） H()= jRC /(1+jRC) |H()|= ()=tg-1 1/(RC) 图1.3.6,短路延迟线 h(t)=1/2 (t)-1/2(t-d) H()=

8、 |H()| =| sin |图1.3.7,三、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)dt T 均方值=lim1/T-T/2T/2v2(t)dt T自相关函数R(,t)= = lim1/T-T/2T/2vk(t)vk(t+)dt 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) 2. 核随机信号通过线性网络V0()=H()Vi() S0()=|H()

9、|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）:1.9 1.10 1.12,RETURN,CH.1,4 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

10、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）附录：常用的几项NIM标准,CH.1,NIM标准机箱及插件,NIM插件,NIM标准机柜,RETURN,第二章 前置放大器 内容提要1. 概述 一.前置放大器的作用 二.前放的分类(按与配的探测器分类略)2. 电荷灵敏前放 一.主要特征 二.电荷灵敏前放基本电路和实例分析 三.电荷灵敏前放噪声分析和抑制措施 四.电荷灵敏前放的改进（略） 五.电荷灵敏前放噪声的实验测量3. 电压(灵敏)前置放大器4. 电流（