核电子学及其进展

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1、1核电子学及其进展核电子学及其进展金 革2008.22核电子学n利用探测技术、电子技术和计算机技术获取核和粒利用探测技术、电子技术和计算机技术获取核和粒子物理信息的测量方法学子物理信息的测量方法学n由于核和粒子物理信息的多样性和测量条件复杂性，由于核和粒子物理信息的多样性和测量条件复杂性，要求尽可能地利用当今最先进的技术和方法来克服要求尽可能地利用当今最先进的技术和方法来克服物理测量的固有限制，以最大限度地反映出物理现物理测量的固有限制，以最大限度地反映出物理现象的本质。象的本质。n核电子学是在核物理和粒子物理领域发展起来的电核电子学是在核物理和粒子物理领域发展起来的电子学测量方法学，包括粒子

2、探测技术、电子学技术、子学测量方法学，包括粒子探测技术、电子学技术、物理分析方法等。物理分析方法等。n目前其应用领域远远超出核物理和粒子物理范畴。目前其应用领域远远超出核物理和粒子物理范畴。3核电子学的处理对象v 主要处理核反应产生的信号主要处理核反应产生的信号 核反应核反应 固定靶实验固定靶实验 对撞实验对撞实验v 主要探测的粒子主要探测的粒子 、 、e e、p p、n n、 、 、 、 4核电子学处理对象的特点n处理对象是单次脉冲处理对象是单次脉冲n信号在时间上和幅度上是随机的信号在时间上和幅度上是随机的n测量精度要求高：测量精度要求高：时间分辨：时间分辨：nsns，psps幅度分辨：幅度

3、分辨：mvmv， v v空间分辨：空间分辨： mmn信息量大，在一些大型粒子物理实验中，常常有上百信息量大，在一些大型粒子物理实验中，常常有上百万、甚至千万个探测通道。事例率高，万、甚至千万个探测通道。事例率高，ATLASATLAS探测器探测器每每25ns25ns产生一次事例产生一次事例n测量时间长，连续运行数月测量时间长，连续运行数月n测量条件恶劣：强辐射，强磁场，强电场测量条件恶劣：强辐射，强磁场，强电场5核电子学的基本技术n随机信息处理技术随机信息处理技术1.单次随机脉冲幅度分析：信号提取，滤波成形，放大，单次随机脉冲幅度分析：信号提取，滤波成形，放大，AD等等2.噪声处理技术：信号和噪

4、声在幅度上相当噪声处理技术：信号和噪声在幅度上相当3.时间分析：定时，符合，时间测量，时间放大时间分析：定时，符合，时间测量，时间放大4.计数测量技术：信号的计数测量技术：信号的fmax电子设备的电子设备的fmax5.粒子分辨技术：在时间上、脉冲形状上、粒子飞行轨粒子分辨技术：在时间上、脉冲形状上、粒子飞行轨迹上、幅度上、探测器的组合上迹上、幅度上、探测器的组合上6.触发判选技术：从大量的本底事例中选出有用事例触发判选技术：从大量的本底事例中选出有用事例6核电子学基本技术n快电子学技术快电子学技术 核衰变的寿命在核衰变的寿命在ns/ps量级，要求电子学的响应和量级，要求电子学的响应和测量能力能

5、满足需求测量能力能满足需求n实时处理技术实时处理技术 在实验过程中，为了实时了解和控制实验过程和在实验过程中，为了实时了解和控制实验过程和结果发展起来的一门技术，它包括：在线处理、显示、结果发展起来的一门技术，它包括：在线处理、显示、保存和控制保存和控制n总线和标准化总线和标准化 总线技术虽不是核电子学专用的，但是它被最早总线技术虽不是核电子学专用的，但是它被最早应用于核电子学领域：应用于核电子学领域：NIM、CAMAC、FASTBUS、VME/VXI、GPIB7核电子学基本技术n成像技术成像技术 径迹重建，寻找粒子飞行轨迹径迹重建，寻找粒子飞行轨迹 图像重建，图像重建，CT、PETn网络技术

6、网络技术 网络最初主要用于军事目的，网络最初主要用于军事目的，但最早用于民用是在高能物理中。但最早用于民用是在高能物理中。最早实现联网的是世界上几个著名最早实现联网的是世界上几个著名的加速器，的加速器，CERN、FERMILAB、BROCKHEAVEN 、 KEK、 DESYn离线技术离线技术 模拟技术，分析技术模拟技术，分析技术8核电子学数据获取系统结构 长线传输 探测器 放大 ADC 定时 TDC 甄别 触发 事例 判选 磁带 磁盘 光盘 数据缓冲 信息提取信息提取数字化数字化判选判选数据获取数据获取9信息提取 信息提取电路是从探测单元中提取出能量、时间、信息提取电路是从探测单元中提取出能

7、量、时间、位置等信息，以电脉冲信号输出。位置等信息，以电脉冲信号输出。 信息提取电路包括有：信息提取电路包括有： o 前置放大器前置放大器 o 主放大器主放大器 ( (成形滤波放大、定时滤波放大）成形滤波放大、定时滤波放大） o 定时甄别器定时甄别器 o 脉冲形状甄别器等脉冲形状甄别器等 探测单元 信息提 取电路 电脉冲信号10信息提取前置放大器前置放大器 o电流灵敏放大器：用于定时，高计数率信号予放大电流灵敏放大器：用于定时，高计数率信号予放大o电荷灵敏放大器：用于能谱测量予放大电荷灵敏放大器：用于能谱测量予放大 o寄生电容前置放大器：用于低分辨能谱测量予放大寄生电容前置放大器：用于低分辨能

8、谱测量予放大主放大器主放大器o成形滤波放大器：用于能谱测量信号放大成形滤波放大器：用于能谱测量信号放大o宽带放大器：用于高计数率测量中信号放大宽带放大器：用于高计数率测量中信号放大 o定时滤波放大器：用于时间测量中定时用的信号放定时滤波放大器：用于时间测量中定时用的信号放大大 11信息提取成形滤波放大器成形滤波放大器 o 主要是提高能量分辨，影响能量分辨的因素有：主要是提高能量分辨，影响能量分辨的因素有：噪声噪声计数率效应计数率效应堆积和基线漂移堆积和基线漂移弹道亏损效应弹道亏损效应 o 几种采用不同成形处理的成形滤波放大器：几种采用不同成形处理的成形滤波放大器： 延迟线成形延迟线成形 DLD

9、L或或(DL)(DL)2 2 CR-RCCR-RC成形成形 ( (带极零相消带极零相消) ) 半高斯成形半高斯成形 ( (微分微分+ +有源积分有源积分) ) 基线恢复基线恢复 反堆积反堆积 12信息提取时间甄别时间甄别o 提取脉冲到达的时间信息，用于时间测量与高计数提取脉冲到达的时间信息，用于时间测量与高计数率下计数率下计数o 定时误差来源定时误差来源( (影响时间分辨的因素影响时间分辨的因素) )： Time Jitter (Time Jitter (晃动晃动) ) 噪声引起噪声引起 Time Walk (Time Walk (游动游动) ) 幅度变化引起幅度变化引起 Drift (Dri

10、ft (漂移漂移) )电平慢变化引起电平慢变化引起 13信息提取定时甄别器定时甄别器定时甄别器类型：定时甄别器类型：o前沿定时甄别器前沿定时甄别器 (LED) (LED) o恒比定时甄别器恒比定时甄别器 (CFD) (CFD) o过零定时甄别器过零定时甄别器 (CZD) (CZD) o幅度上升时间补偿定时甄别器幅度上升时间补偿定时甄别器 (ARCD)(ARCD) 脉冲形状甄别器脉冲形状甄别器提取脉冲形状信息，甄别粒子类型提取脉冲形状信息，甄别粒子类型 14数字化 数字化电路是将信息提取电路中提取的模拟信号进行数数字化电路是将信息提取电路中提取的模拟信号进行数字化。字化。 数字化电路类型有：数字

11、化电路类型有： o 积分和微分幅度甄别器积分和微分幅度甄别器( (单道分析器单道分析器) )，进行一位模，进行一位模数变换数变换 o 模数变换电路模数变换电路(ADC)(ADC)，进行一位以上模数变换，进行一位以上模数变换o 时间时间- -数字变换器数字变换器o 位置编码电路位置编码电路 15模数变换电路（ADC）常用的几种常用的几种ADC： o线性放电型线性放电型ADC o逐次比较型逐次比较型ADC o多甄别器型多甄别器型ADC (FADC) ADC的主要性能指标是微分非线性（的主要性能指标是微分非线性（DNL）和变换）和变换时间；时间； 线性放电型线性放电型ADC微分非线性最佳，多甄别器型