第一章核电子学系统中的信号与噪声

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1、第一章核电子系统中的信号与噪声1.1.核辐射探测器及其输出信号核辐射探测器及其输出信号 ! ! ! ! !2.2.核电子学中的噪声核电子学中的噪声3 3 核电子学中的信号与噪声分析基础核电子学中的信号与噪声分析基础 ! ! ! ! !4 4 核电子学测量系统概述核电子学测量系统概述基基本本内内容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。目的与要求目的与要求(1)(1)掌握核辐射探测器输出信号的特点。掌握核辐射探测器输出信号的特点。(2)(2)熟练掌握核电子学系统中的信号和噪声分析基础。熟练掌握核电子学系统中的信号和噪声分析基础。(3)(3)了解：核电子学测量系统的组成。了解：核

2、电子学测量系统的组成。 1.1.核辐射探测器及其输出信号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探测器输出信号为随机脉冲时间特性时间特性幅度分布的非周期性幅度分布的非周期性非等值性非等值性 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脉冲参数： 电荷量、出现时刻、单位时间脉冲数、脉冲形状电荷量、出现时刻、单位时间脉冲数、脉冲形状（上升时间）（上升时间）核信息核信息： 能量（能损），粒子入射时间、强度、粒子类型能量（能损），粒子入射时间、

3、强度、粒子类型（ .n.p.d）二探测器类别和输出信号二探测器类别和输出信号探测器探测器 对于辐射是对于辐射是不能不能感知感知的，因此的，因此人们必须借助于人们必须借助于探测探测各种辐射，给出辐射的各种辐射，给出辐射的、及及等特性。等特性。即对辐射进行即对辐射进行测量。测量。 辐射探测器辐射探测器的定义：利用的定义：利用辐射辐射在在气体气体、液体液体或或固体固体中中引起的引起的、效应或效应或其它物理其它物理、化学变化化学变化进行进行辐射辐射探测探测的的器件器件称为称为。探测器类别和输出信号 探测器探测器按按探测介质类型探测介质类型及及作用机制作用机制主要分为：主要分为：u ；u ；u 。气体探

4、测器气体探测器电离室、正比计数器、电离室、正比计数器、G-M计数器计数器(a)工作原理工作原理. (b) 等效电路等效电路 (c)简化电路简化电路 /*EAFN 产生电子产生电子-离子对数离子对数F-F-法诺因子法诺因子 A-A-气体放大倍数气体放大倍数 -平均电离能量（产生平均电离能量（产生对电子、离子对所需平均能量对电子、离子对所需平均能量2040 2040 evev) ) Q=Ne e-1.6Q=Ne e-1.6* *1010-19-19c c 形成感应电流形成感应电流 i i(t)=Q(t)/(t)=Q(t)/t (t (与位置与位置漂移速度有漂移速度有关关 ) )通过电容器积分得电压

5、通过电容器积分得电压 todttiCCQtv0)(/1/)( /*EAFN Q=Nei(t)=Q(t)/t todttiCCQtv0)(/1/)( T0CNe dttICtVt 00010CQ T 00CR000CRteCNe t duuNeI dNeuI t)(tI)(tV电离室电离室的的输出信号输出信号需要用需要用电子仪器电子仪器来测量。来测量。气体气体 电离室电离室高压高压前置前置 放大器放大器放大器放大器单道或多道单道或多道脉冲分析器脉冲分析器耐高压隔直电容耐高压隔直电容C半导体探测器半导体探测器工作原理：固体电离室工作原理：固体电离室 (GeGe)=2.96eV (Si)=3.61e

6、V )=2.96eV (Si)=3.61eV 利用利用辐射辐射在某些物质中产生的在某些物质中产生的来探测来探测电离辐射电离辐射的探的探测器。测器。闪烁体闪烁体光电倍增管光电倍增管( (打拿极打拿极) )反射层反射层管座管座分压器分压器高压高压多道或单道多道或单道光阴极光阴极阳极阳极荧光荧光光子光子光电子光电子暗盒暗盒窗窗前置放大器前置放大器闪烁体探测器闪烁探测器闪烁探测器的的工作过程工作过程：(1) 辐射辐射射入闪烁体使射入闪烁体使闪烁体原子闪烁体原子电离电离或或激发激发，受激受激原子原子退激退激而发出波长在而发出波长在可见光波段可见光波段的的。(2) 荧光光子荧光光子被收集到被收集到(PMT

7、)的的，通，通过过打出打出。(3) ，并在，并在输出输出信号信号。可用来测量可用来测量的的。 闪烁探测器闪烁探测器闪烁体探测器闪烁体分子或原子激发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。退激发荧光，经光电信号增量成光电子并倍增。 输出电流输出电流 i(t)=(Q/0)e-t/0 Q-阳极收集总电荷阳极收集总电荷 0- 光脉冲衰减时间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探测效率探测器源该粒子数实际入射到探测器中的探测到的粒子数探测效率 输出幅度大小三、探测器的基本性能分辨率（能量、时间、空间）分辨率（能量、时间、空

8、间）FWHM(半高全宽)、FW-TM(十分之一高全宽)%10036. 2%100)(00NNFWHMRND2-2maxf(N)f(N)eNN-N（） 能量分辨率能量分辨率反映了反映了谱仪谱仪对不同对不同入射粒子入射粒子能量能量的的分辨能力分辨能力。三、探测器的基本性能%100E2.36%100(FWHM)0E0EERD固有能量分辨率能量分辨：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。

9、稳定性稳定性 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N四、核辐射探测器的输出电路1. 1. 脉冲电离室脉冲电离室 图图1.1.6 (a)1.1.6 (a)、(b)(b)、 ( c)( c)、( d)( d)、(e)(e) R=R R=RL L / / R Ri i C= C C= CO O+ C+ Cs s + + C Ci i RC T RC T+ + VmVm=Ne/C=Ne/C 2半导体探测器半导体探测器 图图1.1 .7 (a)、(b)、(c) RD偏置电阻偏置电阻 Rd灵敏区电阻灵敏区电阻 R、C非灵非灵敏区电阻电容；敏区

10、电阻电容；Ri、Ci输入、输入、Cs 分布电容、分布电容、Cc隔直电容隔直电容 3.闪烁探测器闪烁探测器图图1.1.8 (a)、(b)、(c)、(d)、(e)R=Ra/Ri, C=Co+Cs+Ci 阳极输出电流阳极输出电流 ia(t)=Q/0 e-t/0电压电压 vo(t)= (Q/C)RC/(0RC)e-t/a-e-t/RC Vam = (Q/C)(RC/0) 1/(1-RC/0) Ra:104105dttdVCRtVtI)()()(00由等效电路得：由等效电路得：求解得：求解得：/0000000)()(tCRteeCRCRCQtV两种脉冲工作状态：电压脉冲和电流脉冲。两种脉冲工作状态：电压

11、脉冲和电流脉冲。电压脉冲型工作状态电压脉冲型工作状态 电流脉冲型工作状态电流脉冲型工作状态条件条件00CR00CR脉冲前沿脉冲前沿te1001CRte脉冲幅度脉冲幅度ECQh0ECRCQh000脉冲后沿脉冲后沿00CRtete00CR0C五、输出信号的数学模拟/lim)(0Qti单个电流冲击脉冲单个电流冲击脉冲：电流冲击脉冲电流冲击脉冲i(t)=Q*(t-t0)000001lim;00)(ttttttttt五、输出信号的数学模拟冲击序列冲击序列I（ t）= )(.)(iiiiittQti 五、输出信号的数学模拟2.2.核电子学中的噪声核电子学中的噪声一、噪声对核测量的影响干扰干扰采取措施采取措