核电子学考点.docx

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核电子学考点

01

核电子学研究信号的特点

随机性：

用概率密度函数描述，要求仪器稳定可靠。

信号弱，但跨度大：

提高信噪比，加前置放大器，主放大器，极零相消等。

速度快：

脉冲成形，反堆积技术。

信号：

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）

噪声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（用于信噪比计算）

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

核辐射探测器的结构

核辐射探测器的定义：

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。

探测器按探测介质类型与作用机制主要分为：

气体探测器；闪烁体探测器；半导体探测器。

三种探测器的工作原理

气体探测器：

入射带电粒子通过气体，使气体分子电离成电子—正离子对时，它们在外加电场作用下分别作漂移运动，相应在平行板电机上产生感应电荷，并在外电路上产生相应的电信号。

闪烁体探测器：

射线入射到闪烁晶体时，先使其中的分子或原子激发，然后在退激时发光，光子通过光电效应转换成光电子，随后通过光电倍增管倍增，最后在阳极上收集成为电流脉冲。

半导体探测器：

带电粒子在半导体探测器的灵敏体积内产生电子－空穴对，电子－空穴对在外电场的作用下漂移而输出信号。

三种主要探测器的分析可得出如下结论：

（1）核辐射探测器都能产生相应的输出电流i（t），在电路分析时，可把它等效为电流源；

（2）该输出电流i（t）具有一定形状，具有一定时间特性，所以可用于时间分析；

（3）如在输出电容上取积分电压信号Vc（t），则Vc（t）正比于E，可做射线能量测量。

气体探测器：

电离室、脉冲电离室、正比计数器、G-M计数器

闪烁体探测器：

NaI探测器，CsI探测器

半导体探测器：

金硅面垒探测器、高纯锗探测器

核辐射探测器的基本性能

探测效率：

探测器测到的粒子数与此时实际入射到探测器中的该种粒子总数的比值。

输出幅度大小、稳定性

线性响应（探测器所给出的信息，与入射粒子相应的物理量成线性关系）

分辨率：

探测器实际分辨核信息的能力，主要有能量分辨率、时间分辨率、空间分辨率。

噪声与干扰：

干扰可在电路和工艺上予以减小或消除，噪声可以设法减小但无法消除

噪声的衡量：

信噪比、等效噪声能量、等效噪声电荷、等效噪声电压

核电子学中的主要噪声：

散粒噪声、热噪声、低频噪声

02

前置放大器的作用：

提高系统的信噪比、减少外界干扰的相对影响、合理布局，便于调节和使用、实现阻抗转换和匹配

前置放大器可分为电压灵敏前置放大器，电荷灵敏前置放大器和电流灵敏前置放大器。

前置放大器的串联噪声和并联噪声

探测器漏电流噪声

电阻RD热噪声

场效应管栅极漏电流噪声

反馈电阻热噪声

场效应管沟道噪声

场效应管闪烁噪声

降低前置放大器噪声的措施

（1）输入级采用低噪声器件（低温运用的结型场效应管）

（2）低温运用a噪声较小

（3）减少冷电容CΣ

（4）反馈电阻Rf和探测器负载电阻RD，常通过实验选用低噪声电阻，阻值一般在10^9Ω—10^10Ω左右。

低温工作

电压和电荷灵敏前置放大器的共同点是：

当探测器输出电流脉冲时，都对输入电容充电。

它们输出信号幅度都与射线能量成正比，所以均可用于能谱测量。

电流灵敏前置放大器就是对输入电流响应较快的放大器，也称为快前置放大器，它是对探测器输入电流信号直接进行放大，不是积分成电压，而是输出电压或电流幅度与输入电流成正比。

用作定时测量。

03

放大器在核测量系统中的作用：

放大、滤波成形

放大倍数与其稳定性：

在一定的成形电路时间常数条件下，输出脉冲和输入脉冲幅度之比。

提高放大倍数的稳定性最有效的方法是采用深度负反馈

放大器的线性：

指放大器的输入信号幅度和输出信号幅度之间的线性程度

放大器的噪声和信噪比：

采用合适的滤波成形电路来限制频带，就能抑制噪声

放大器的幅度过载特性：

放大器工作有一个线性范围，当超出线性范围时，就要产生两种情况：

超过线性范围较小时，放大器还能正常工作；当超出线性范围很大时放大器在一段时间内就不能正常工作。

这种现象就称为放大器的幅度过载，不能正常工作的时间就称为放大器的死时间。

放大器的计数率过载特性：

放大器中，由于计数率过高所引起的脉冲幅度分布的畸变称为放大器的计数率过载。

放大器的上升时间：

上升时间主要对信号的前沿而言

谱仪放大器中最常用的反馈形式是电压并联负反馈和电压串联负反馈两种。

反馈的作用，反馈是否可以降低噪声，在放大器中如何降低噪声的干扰？

提高放大倍数的稳定性，改善非线性。

不能用负反馈来改善放大器的信噪比，为降低噪声，除了对输入级器件作严格的挑选外，在电路的接法上也需注意。

滤波成形电路在谱仪放大器中的作用

抑制系统的噪声，使系统信噪比最佳；使信号形状满足后续分析测量设备的要求。

白化滤波器与匹配滤波器的作用？

白化滤波器：

使前置放大器输出的噪声变为白噪声，使后续匹配滤波器的功率谱密度为常数

匹配滤波器：

使白化滤波器输出的信号获得最佳信噪比

弹道亏损:

由于入射粒子在探测器中射程与径迹不同，它的电流脉冲持续时间可以有很大的差别。

当有一定宽度的电流脉冲输入时，在探测器回路中输出信号幅度总小于冲激信号输入时的输出幅度，这种情况称之为弹道亏损。

谱仪中多采用准高斯型的阻容滤波成形电路，这种电路的时间常数较大，输出信号有一定的峰部和缓慢衰减的尾部。

一般可以将脉冲堆积对幅度测量的影响分为峰堆积影响和尾堆积影响。

峰堆积：

两个脉冲之间的时间间隔小于第一个脉冲的达峰时间

尾堆积：

两个脉冲之间的时间间隔小于分辨时间，大于第一个脉冲的达峰时间

无源滤波成形电路

极-零相消和RC积分滤波成形电路

极-零相消电路：

在几级相串联的系统中，将前级传递函数的极（零）点和后级的零（极）点相消，从而改善输出波形的方法称为极-零相消。

准高斯滤波成形电路

而CR-（RC）m滤波成形电路能获得准高斯波形的脉冲。

（CR）2-（RC）m滤波成形电路（双极性滤波成形）

无源滤波成形电路、有源滤波成形电路

有源微分电路H（S）=SRC有源积分电路H（S）=1/SRC

CD与CDD基线恢复器

工作原理：

利用二极管的单向导电能力和电容的充放电特性，使得脉冲前沿时，充电电流较小，脉冲结束时，放电电流较大，这样基线就不会产生偏移

工作过程：

堆积拒绝电路

工作原理：

一旦信号发生堆积后，根据堆积情况，在电路上可以给出堆积标志信号作为禁止输入信号，这个信号可以加到后面分析测量系统中，以禁止这个堆积信号进入分析测量系统中去，达到剔除堆积信号的目的。

工作过程：

死时间校正：

在监察信号的周期时间Tip内，如果再有信号输入都要被舍弃，因此监察时间就是堆积拒绝电路所产生的死时间，在这个死时间内不能记录输入信号。

计时电路就不应把这个时间记入测量时间，而应从总的测量时间里扣除这个死时间得到活时间。

由测到的总计数率除以活时间就是信号的计数率。

这种办法就是死时间校正。

允许最高计数率：

当输入脉冲的平均计数率为输出无堆积的信号计数率的

最大值为

04

脉冲幅度甄别器的功能：

当输入信号的幅度低于某一给定值时，没有输出信号；而超过这一给定值时，就输出一个一定幅度的信号。

脉冲幅度甄别器的一般要求:

（1）输入灵敏度

（2）甄别阈范围（3）甄别阈稳定性（4）甄别阈线性

单道脉冲幅度分析器工作原理

用于幅度分析的模数转换器与其基本性能

幅度分析是指测量信号幅度的分布。

即按信号幅度大小进行分布计数。

模数转换是将脉冲幅度变换成数字量，即按脉冲幅度大小分类编码，然后分别记入存贮器相应的各个地址单元中。

道宽、变换系数、最大道数的定义与相互之间的关系

相邻两个量化电平间的差值称为模数变换器的单个道宽h，所有单个道宽的平均值称为模数变换器的道宽H。

变换系数：

每单位幅度可变换成多少道数。

它与道宽是倒数关系。

最大量化电平数Lmax就是模数变换器的道数。

道宽小则模数变换器的道数就大。

模数变换器的幅度响应：

模数变换器的输入信号幅度A与道数m之间的关系称为模数变换器的幅度响应。

线性门与展宽器的工作原理

线性门是传输脉冲模拟量的门电路，信号是否能够通过是由门控信号来决定的。

模拟展宽器的基本工作原理是利用二极管的单向导电性和电容的存贮作用，把脉冲信号的峰顶展宽，所以又称为峰值保持器。

线性放电型模数变换（计算题）

变换时间道数道宽

逐次比较型模数变换器工作原理：

利用二进制的标准电平与输入信号比较。

每次比较都将标准电平减小为前次的一半。

标准电平大于信号幅度，保留标准电平，否则不保留，进行下次比较

变换时间

逐次比较型模数变换器的道宽均匀问题

数模变换器把输入的数码（通常为二进制）变换成与此数码成正比的模拟量。

二进制权电阻解码网络数模变换器梯形电阻解码网络数模变换器

二进制加权电阻解码网络在位数越多时，电阻变化范围越大。

梯形电阻解码网络有较好的性能。

电路中所用电阻值只有R和2R两种，所以又称R-2R电阻网络，在数模变换器中得到广泛应用。

05

定时道各个部件

（1）探测器与输出电路

（2）快前置放大器（3）定时滤波放大器（4）定时电路（5）时间变换器

所谓时间分析是指测量的两个相关核事件的时间间隔概率密度分布。

定时误差通常按误差产生的原因分为两类：

时间移动和时间晃动。

时间漂移：

元件老化、环境温度或电源电压变化（属于慢变化）引起的定时误差。

定时电路是核电子学中检出时间信息的基本单元，故又称时间检出电路。

它接收来自探测器的随机脉冲，产生一个与输入脉冲时间上有确定关系的输出脉冲。

定时方法（必考）

前沿定时：

误差分析：

信号幅度变，上升时间不变：

信号幅度不变，上升时间变：

信号幅度、上升时间同时变：

触发比与斜率噪声比

为了减小时间移动和时间晃动，信号触发定时电路要有一个合适的触发比。

触发比指的是，探测器输出电流脉冲使时检电路触发时的输出电荷量QT与电流脉冲总电荷量Q之比。

也可

表示为：

综合考虑触发比和噪声引起误差的影响，定义斜率噪声比为：

前沿定时基本原理与工作过程

脉冲直接触发一个阈值固定的触发电路，在脉冲前沿上升到超过阈值的时刻，产生输出脉冲作为定时信号

过零定时基本原理与工作过程

将单极信号成形为双极信号，过零时间作为定时点

恒比定时基本原理与工作过程

在输入脉冲幅度的恒定比例点上产生过零脉冲。

幅度和上升时间补偿定时（ARC定时）

其阈值VT不仅随幅度A变化，而且随上升时间变化而变化，使幅度变化和时间变化得到了补偿，消除了时移。

定时单道脉冲幅度分析器

具有定时功能的单道脉冲幅度分析器称为定时单道脉冲幅度分析器。

它同时具有单道脉冲幅度分析的功能和定时功能。

定时单道分析器输出脉冲不仅包括输入脉冲幅度的信息，而且输出脉冲和输入脉冲有固定的时间关系。

符合

符合方法

正符合测量（简称符合测量）和反符合测量

两重符合、多重符合

符合电路：

慢符合电路、快符合电路

时间量变换方法

时间分析的作用：

时间分析是分析一个核态与另一个核态之间的时间关系，也就是测量核事件的时间间隔概率密度分布。

就是测量相应的起始信号和停止信号之间时间间隔的分布。

时间-幅度变换基本原理

实现时间-幅度变换就是把时间间隔的长短变换成幅度的大小。

起-停型时幅变换：

起始信号与停止信号之间的时间间隔内，用恒定电流充电的方法。

重叠型时幅变换：

由符合电路演变而来的，它的输出幅度正比于两个脉冲的重叠时间。

时间-数字变换基本原理

在被测时间间隔内，将频率稳定（周期T0已知）的时钟脉冲送到寄存器。

寄存器记录的时钟脉冲数m代表起、停信号间的时差tx。

脉冲波形甄别

可用于粒子甄别，即利用不同粒子在探测器中产生的信号波形不同来区别不同的粒子；

还可用于除掉锗（锂）探测器中由于缺陷而产生的慢上升信号，以与用于堆积拒绝等。

优质因子

M越大，波形甄别能力越强

06

定标器结构：

输入级、计数电路、控制器、定时电路

定标器作用：

测量一定时间间隔内的输入脉冲数。

计数率计的作用：

测量单位时间内的平均输入脉冲数（计数率）

基本泵电路的结构：

稳谱电路的结构与作用

：

稳谱电路常用于能谱测量仪器，用来补偿核辐射探测器输出脉冲幅度的变化。

高压电源的结构、作用与主要指标

高压电源主要包括变流、变压和整流滤波三个部分。

给闪烁体探测器的光电倍增管、半导体探测器和气体探测器提供稳定的高压。

（1）稳定度——瞬时稳定度和长期稳定度均要好于0.1%

（2）输出高压的调节范围（3）输出电流（4）纹波电压