核電子學(xué)考點(diǎn)

1、01核電子學(xué)研究信號(hào)的特點(diǎn)隨機(jī)性：用概率密度函數(shù)描述，要求儀器穩(wěn)定可靠。信號(hào)弱，但跨度大：提高信噪比，加前置放大器，主放大器，極零相消等。速度快：脈沖成形，反堆積技術(shù)。信號(hào)：用于描述和記錄消息的任何物理狀態(tài)隨時(shí)間變化的過(guò)程。（電信號(hào)）噪聲專指無(wú)用或干擾信息信號(hào)在產(chǎn)生、傳輸和放大過(guò)程中都伴隨有噪聲噪聲是隨機(jī)的，服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。其基本特性可用統(tǒng)計(jì)平均量或統(tǒng)計(jì)函數(shù)來(lái)描述，主要有：均方值：表示噪聲的強(qiáng)度 （用于信噪比計(jì)算）概率密度函數(shù)：描述噪聲在幅度域內(nèi)的分布密度自相關(guān)函數(shù)：提供噪聲在時(shí)間域里的相關(guān)信息功率譜密度函數(shù)：給出噪聲功率在頻域里的分布情況核輻射探測(cè)器的結(jié)構(gòu)核輻射探測(cè)器的定義：利用輻射在氣體、液

2、體或固體中引起的電離、激發(fā)效應(yīng)或其它物理、化學(xué)變化進(jìn)行輻射探測(cè)的器件稱為輻射探測(cè)器。探測(cè)器按探測(cè)介質(zhì)類型及作用機(jī)制主要分為：氣體探測(cè)器；閃爍體探測(cè)器；半導(dǎo)體探測(cè)器。三種探測(cè)器的工作原理氣體探測(cè)器：入射帶電粒子通過(guò)氣體，使氣體分子電離成電子正離子對(duì)時(shí)，它們?cè)谕饧与妶?chǎng)作用下分別作漂移運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)在平行板電機(jī)上產(chǎn)生感應(yīng)電荷，并在外電路上產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)。閃爍體探測(cè)器：射線入射到閃爍晶體時(shí)，先使其中的分子或原子激發(fā)，然后在退激時(shí)發(fā)光，光子通過(guò)光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成光電子，隨后通過(guò)光電倍增管倍增，最后在陽(yáng)極上收集成為電流脈沖。半導(dǎo)體探測(cè)器：帶電粒子在半導(dǎo)體探測(cè)器的靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，電子空穴對(duì)在外電場(chǎng)的作用

3、下漂移而輸出信號(hào)。三種主要探測(cè)器的分析可得出如下結(jié)論：(1)核輻射探測(cè)器都能產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電流i(t)，在電路分析時(shí)，可把它等效為電流源；(2)該輸出電流i(t)具有一定形狀，具有一定時(shí)間特性，所以可用于時(shí)間分析；(3)如在輸出電容上取積分電壓信號(hào)Vc(t)，則Vc(t)正比于E，可做射線能量測(cè)量。氣體探測(cè)器：電離室、脈沖電離室、正比計(jì)數(shù)器、G-M計(jì)數(shù)器閃爍體探測(cè)器：NaI探測(cè)器，CsI探測(cè)器半導(dǎo)體探測(cè)器：金硅面壘探測(cè)器、高純鍺探測(cè)器核輻射探測(cè)器的基本性能探測(cè)效率：探測(cè)器測(cè)到的粒子數(shù)與此時(shí)實(shí)際入射到探測(cè)器中的該種粒子總數(shù)的比值。輸出幅度大小、穩(wěn)定性線性響應(yīng)（探測(cè)器所給出的信息，與入射粒子相應(yīng)的

4、物理量成線性關(guān)系）分辨率：探測(cè)器實(shí)際分辨核信息的能力，主要有能量分辨率、時(shí)間分辨率、空間分辨率。噪聲與干擾：干擾可在電路和工藝上予以減小或消除，噪聲可以設(shè)法減小但無(wú)法消除噪聲的衡量：信噪比、等效噪聲能量、等效噪聲電荷、等效噪聲電壓核電子學(xué)中的主要噪聲：散粒噪聲、熱噪聲、低頻噪聲02前置放大器的作用：提高系統(tǒng)的信噪比、減少外界干擾的相對(duì)影響、合理布局，便于調(diào)節(jié)和使用、實(shí)現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換和匹配前置放大器可分為電壓靈敏前置放大器，電荷靈敏前置放大器和電流靈敏前置放大器。前置放大器的串聯(lián)噪聲和并聯(lián)噪聲探測(cè)器漏電流噪聲串聯(lián)電流噪聲電阻RD熱噪聲場(chǎng)效應(yīng)管柵極漏電流噪聲反饋電阻熱噪聲并聯(lián)電壓噪聲場(chǎng)效應(yīng)管溝道噪聲場(chǎng)

5、效應(yīng)管閃爍噪聲降低前置放大器噪聲的措施（1） 輸入級(jí)采用低噪聲器件（低溫運(yùn)用的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管）（2） 低溫運(yùn)用 a噪聲較?。?） 減少冷電容C（4） 反饋電阻Rf和探測(cè)器負(fù)載電阻RD，常通過(guò)實(shí)驗(yàn)選用低噪聲電阻，阻值一般在1091010左右。低溫工作電壓和電荷靈敏前置放大器的共同點(diǎn)是：當(dāng)探測(cè)器輸出電流脈沖時(shí)，都對(duì)輸入電容充電。它們輸出信號(hào)幅度都與射線能量成正比，所以均可用于能譜測(cè)量。電流靈敏前置放大器就是對(duì)輸入電流響應(yīng)較快的放大器，也稱為快前置放大器，它是對(duì)探測(cè)器輸入電流信號(hào)直接進(jìn)行放大，不是積分成電壓，而是輸出電壓或電流幅度與輸入電流成正比。用作定時(shí)測(cè)量。03放大器在核測(cè)量系統(tǒng)中的作用：放大、濾

6、波成形放大倍數(shù)及其穩(wěn)定性：在一定的成形電路時(shí)間常數(shù)條件下，輸出脈沖和輸入脈沖幅度之比。提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性最有效的方法是采用深度負(fù)反饋放大器的線性：指放大器的輸入信號(hào)幅度和輸出信號(hào)幅度之間的線性程度放大器的噪聲和信噪比：采用合適的濾波成形電路來(lái)限制頻帶，就能抑制噪聲放大器的幅度過(guò)載特性：放大器工作有一個(gè)線性范圍，當(dāng)超出線性范圍時(shí)，就要產(chǎn)生兩種情況：超過(guò)線性范圍較小時(shí)，放大器還能正常工作；當(dāng)超出線性范圍很大時(shí)放大器在一段時(shí)間內(nèi)就不能正常工作。這種現(xiàn)象就稱為放大器的幅度過(guò)載，不能正常工作的時(shí)間就稱為放大器的死時(shí)間。放大器的計(jì)數(shù)率過(guò)載特性：放大器中，由于計(jì)數(shù)率過(guò)高所引起的脈沖幅度分布的畸變稱為放大器

7、的計(jì)數(shù)率過(guò)載。放大器的上升時(shí)間：上升時(shí)間主要對(duì)信號(hào)的前沿而言譜儀放大器中最常用的反饋形式是電壓并聯(lián)負(fù)反饋和電壓串聯(lián)負(fù)反饋兩種。反饋的作用，反饋是否可以降低噪聲，在放大器中如何降低噪聲的干擾？ 提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性，改善非線性。不能用負(fù)反饋來(lái)改善放大器的信噪比，為降低噪聲，除了對(duì)輸入級(jí)器件作嚴(yán)格的挑選外，在電路的接法上也需注意。濾波成形電路在譜儀放大器中的作用抑制系統(tǒng)的噪聲，使系統(tǒng)信噪比最佳；使信號(hào)形狀滿足后續(xù)分析測(cè)量設(shè)備的要求。白化濾波器與匹配濾波器的作用？ 白化濾波器：使前置放大器輸出的噪聲變?yōu)榘自肼?，使后續(xù)匹配濾波器的功率譜密度為常數(shù)匹配濾波器：使白化濾波器輸出的信號(hào)獲得最佳信噪比彈道虧損

8、:由于入射粒子在探測(cè)器中射程及徑跡不同，它的電流脈沖持續(xù)時(shí)間可以有很大的差別。當(dāng)有一定寬度的電流脈沖輸入時(shí)，在探測(cè)器回路中輸出信號(hào)幅度總小于沖激信號(hào)輸入時(shí)的輸出幅度，這種情況稱之為彈道虧損。譜儀中多采用準(zhǔn)高斯型的阻容濾波成形電路，這種電路的時(shí)間常數(shù)較大，輸出信號(hào)有一定的峰部和緩慢衰減的尾部。一般可以將脈沖堆積對(duì)幅度測(cè)量的影響分為峰堆積影響和尾堆積影響。峰堆積：兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔小于第一個(gè)脈沖的達(dá)峰時(shí)間尾堆積：兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔小于分辨時(shí)間，大于第一個(gè)脈沖的達(dá)峰時(shí)間無(wú)源濾波成形電路極-零相消和RC積分濾波成形電路極-零相消電路：在幾級(jí)相串聯(lián)的系統(tǒng)中，將前級(jí)傳遞函數(shù)的極（零）點(diǎn)和后級(jí)的零（

9、極）點(diǎn)相消，從而改善輸出波形的方法稱為極-零相消。準(zhǔn)高斯濾波成形電路而CR-(RC)m濾波成形電路能獲得準(zhǔn)高斯波形的脈沖。(CR)2-(RC)m濾波成形電路（雙極性濾波成形）無(wú)源濾波成形電路、有源濾波成形電路有源微分電路 H(S)=SRC 有源積分電路 H(S)=1/SRCCD及CDD基線恢復(fù)器工作原理：利用二極管的單向?qū)щ娔芰碗娙莸某浞烹娞匦裕沟妹}沖前沿時(shí)，充電電流較小，脈沖結(jié)束時(shí)，放電電流較大，這樣基線就不會(huì)產(chǎn)生偏移工作過(guò)程：堆積拒絕電路工作原理：一旦信號(hào)發(fā)生堆積后，根據(jù)堆積情況，在電路上可以給出堆積標(biāo)志信號(hào)作為禁止輸入信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以加到后面分析測(cè)量系統(tǒng)中，以禁止這個(gè)堆積信號(hào)進(jìn)入分

10、析測(cè)量系統(tǒng)中去，達(dá)到剔除堆積信號(hào)的目的。工作過(guò)程：死時(shí)間校正：在監(jiān)察信號(hào)的周期時(shí)間Tip內(nèi)，如果再有信號(hào)輸入都要被舍棄，因此監(jiān)察時(shí)間就是堆積拒絕電路所產(chǎn)生的死時(shí)間，在這個(gè)死時(shí)間內(nèi)不能記錄輸入信號(hào)。計(jì)時(shí)電路就不應(yīng)把這個(gè)時(shí)間記入測(cè)量時(shí)間，而應(yīng)從總的測(cè)量時(shí)間里扣除這個(gè)死時(shí)間得到活時(shí)間。由測(cè)到的總計(jì)數(shù)率除以活時(shí)間就是信號(hào)的計(jì)數(shù)率。這種辦法就是死時(shí)間校正。允許最高計(jì)數(shù)率：當(dāng)輸入脈沖的平均計(jì)數(shù)率為 輸出無(wú)堆積的信號(hào)計(jì)數(shù)率的最大值為 04脈沖幅度甄別器的功能：當(dāng)輸入信號(hào)的幅度低于某一給定值時(shí)，沒(méi)有輸出信號(hào)；而超過(guò)這一給定值時(shí)，就輸出一個(gè)一定幅度的信號(hào)。脈沖幅度甄別器的一般要求:（1）輸入靈敏度（2）甄別閾范

11、圍（3）甄別閾穩(wěn)定性（4）甄別閾線性單道脈沖幅度分析器工作原理用于幅度分析的模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其基本性能幅度分析是指測(cè)量信號(hào)幅度的分布。即按信號(hào)幅度大小進(jìn)行分布計(jì)數(shù)。模數(shù)轉(zhuǎn)換是將脈沖幅度變換成數(shù)字量，即按脈沖幅度大小分類編碼，然后分別記入存貯器相應(yīng)的各個(gè)地址單元中。道寬、變換系數(shù)、最大道數(shù)的定義及相互之間的關(guān)系相鄰兩個(gè)量化電平間的差值稱為模數(shù)變換器的單個(gè)道寬h，所有單個(gè)道寬的平均值稱為模數(shù)變換器的道寬H。變換系數(shù)：每單位幅度可變換成多少道數(shù)。它與道寬是倒數(shù)關(guān)系。最大量化電平數(shù)Lmax就是模數(shù)變換器的道數(shù)。道寬小則模數(shù)變換器的道數(shù)就大。模數(shù)變換器的幅度響應(yīng)：模數(shù)變換器的輸入信號(hào)幅度A與道數(shù)m之間的關(guān)系

12、稱為模數(shù)變換器的幅度響應(yīng)。線性門與展寬器的工作原理線性門是傳輸脈沖模擬量的門電路，信號(hào)是否能夠通過(guò)是由門控信號(hào)來(lái)決定的。模擬展寬器的基本工作原理是利用二極管的單向?qū)щ娦院碗娙莸拇尜A作用，把脈沖信號(hào)的峰頂展寬，所以又稱為峰值保持器。線性放電型模數(shù)變換（計(jì)算題）變換時(shí)間 道數(shù) 道寬逐次比較型模數(shù)變換器工作原理：利用二進(jìn)制的標(biāo)準(zhǔn)電平與輸入信號(hào)比較。每次比較都將標(biāo)準(zhǔn)電平減小為前次的一半。標(biāo)準(zhǔn)電平大于信號(hào)幅度，保留標(biāo)準(zhǔn)電平，否則不保留，進(jìn)行下次比較變換時(shí)間逐次比較型模數(shù)變換器的道寬均勻問(wèn)題數(shù)模變換器把輸入的數(shù)碼(通常為二進(jìn)制)變換成與此數(shù)碼成正比的模擬量。二進(jìn)制權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)數(shù)模變換器 梯形電阻解碼網(wǎng)絡(luò)

13、數(shù)模變換器二進(jìn)制加權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)在位數(shù)越多時(shí)，電阻變化范圍越大。梯形電阻解碼網(wǎng)絡(luò)有較好的性能。電路中所用電阻值只有R和2R兩種，所以又稱R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)，在數(shù)模變換器中得到廣泛應(yīng)用。05定時(shí)道各個(gè)部件（1）探測(cè)器與輸出電路（2）快前置放大器（3）定時(shí)濾波放大器（4）定時(shí)電路（5）時(shí)間變換器所謂時(shí)間分析是指測(cè)量的兩個(gè)相關(guān)核事件的時(shí)間間隔概率密度分布。定時(shí)誤差通常按誤差產(chǎn)生的原因分為兩類：時(shí)間移動(dòng)和時(shí)間晃動(dòng)。時(shí)間漂移：元件老化、環(huán)境溫度或電源電壓變化（屬于慢變化）引起的定時(shí)誤差。定時(shí)電路是核電子學(xué)中檢出時(shí)間信息的基本單元，故又稱時(shí)間檢出電路。它接收來(lái)自探測(cè)器的隨機(jī)脈沖，產(chǎn)生一個(gè)與輸入脈沖時(shí)間上有確

14、定關(guān)系的輸出脈沖。定時(shí)方法（必考）前沿定時(shí)： 誤差分析： 信號(hào)幅度變，上升時(shí)間不變： 信號(hào)幅度不變，上升時(shí)間變：信號(hào)幅度、上升時(shí)間同時(shí)變：觸發(fā)比與斜率噪聲比為了減小時(shí)間移動(dòng)和時(shí)間晃動(dòng)，信號(hào)觸發(fā)定時(shí)電路要有一個(gè)合適的觸發(fā)比。觸發(fā)比指的是，探測(cè)器輸出電流脈沖使時(shí)檢電路觸發(fā)時(shí)的輸出電荷量QT與電流脈沖總電荷量Q之比。也可表示為：綜合考慮觸發(fā)比和噪聲引起誤差的影響，定義斜率噪聲比為：前沿定時(shí)基本原理及工作過(guò)程脈沖直接觸發(fā)一個(gè)閾值固定的觸發(fā)電路，在脈沖前沿上升到超過(guò)閾值的時(shí)刻，產(chǎn)生輸出脈沖作為定時(shí)信號(hào)過(guò)零定時(shí)基本原理及工作過(guò)程將單極信號(hào)成形為雙極信號(hào)，過(guò)零時(shí)間作為定時(shí)點(diǎn)恒比定時(shí)基本原理及工作過(guò)程在輸入脈

15、沖幅度的恒定比例點(diǎn)上產(chǎn)生過(guò)零脈沖。幅度和上升時(shí)間補(bǔ)償定時(shí)（ARC定時(shí)）其閾值VT不僅隨幅度A變化，而且隨上升時(shí)間變化而變化，使幅度變化和時(shí)間變化得到了補(bǔ)償，消除了時(shí)移。定時(shí)單道脈沖幅度分析器具有定時(shí)功能的單道脈沖幅度分析器稱為定時(shí)單道脈沖幅度分析器。它同時(shí)具有單道脈沖幅度分析的功能和定時(shí)功能。定時(shí)單道分析器輸出脈沖不僅包括輸入脈沖幅度的信息，而且輸出脈沖和輸入脈沖有固定的時(shí)間關(guān)系。符合符合方法正符合測(cè)量（簡(jiǎn)稱符合測(cè)量）和反符合測(cè)量?jī)芍胤稀⒍嘀胤?符合電路：慢符合電路、快符合電路時(shí)間量變換方法時(shí)間分析的作用 ：時(shí)間分析是分析一個(gè)核態(tài)與另一個(gè)核態(tài)之間的時(shí)間關(guān)系，也就是測(cè)量核事件的時(shí)間間隔概率密

16、度分布。 就是測(cè)量相應(yīng)的起始信號(hào)和停止信號(hào)之間時(shí)間間隔的分布。時(shí)間-幅度變換基本原理實(shí)現(xiàn)時(shí)間-幅度變換就是把時(shí)間間隔的長(zhǎng)短變換成幅度的大小。起-停型時(shí)幅變換：起始信號(hào)與停止信號(hào)之間的時(shí)間間隔內(nèi)，用恒定電流充電的方法。重疊型時(shí)幅變換：由符合電路演變而來(lái)的，它的輸出幅度正比于兩個(gè)脈沖的重疊時(shí)間。時(shí)間-數(shù)字變換基本原理在被測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)，將頻率穩(wěn)定（周期T0已知）的時(shí)鐘脈沖送到寄存器。寄存器記錄的時(shí)鐘脈沖數(shù)m代表起、停信號(hào)間的時(shí)差tx。脈沖波形甄別可用于粒子甄別，即利用不同粒子在探測(cè)器中產(chǎn)生的信號(hào)波形不同來(lái)區(qū)別不同的粒子；還可用于除掉鍺(鋰)探測(cè)器中由于缺陷而產(chǎn)生的慢上升信號(hào)，以及用于堆積拒絕等。優(yōu)質(zhì)因子M越大，波形甄別能力越強(qiáng)