核電子學(xué)實(shí)驗(yàn)

1、四川大學(xué)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱課程名稱：核電子學(xué)實(shí)驗(yàn)英文名稱： Experiments of Nuclear Electronics課程性質(zhì)：專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程代碼：20225930-0本大綱主筆人：王廣林楊朝文等面向?qū)I(yè)：核工程與核技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書名稱：核電子學(xué)實(shí)驗(yàn)出版單位：原子能出版社出版日期：1982年主編：徐鈞山等實(shí)驗(yàn)講義名稱：核電子學(xué)實(shí)驗(yàn)講義編寫單位：四川大學(xué)核工程與核技術(shù)物理系出版單位：自編出版日期：2005. 9一、課程學(xué)時(shí)學(xué)分課程總學(xué)時(shí)：56學(xué)時(shí)課程總學(xué)分：3學(xué)分實(shí)驗(yàn)總學(xué)時(shí)：56學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)總學(xué)分：3學(xué)分二、實(shí)驗(yàn)的地位、作用和目的掌握核工程與核技術(shù)常用一起的結(jié)構(gòu)性能及指標(biāo)的測量方法，為正確使

2、用儀器、組成測 量系統(tǒng)打基礎(chǔ)。學(xué)生在學(xué)習(xí)了 “核電子學(xué)”課程的基礎(chǔ)上通過對幾個(gè)常用的核電子學(xué)電路的性能指標(biāo)的測 試，掌握核電子儀器的工作原理、常用儀器的使用方法和基本的測量方法。三、基本原理及課程簡介核電子學(xué)實(shí)驗(yàn)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，可幫助學(xué)生鞏固加深和補(bǔ)充課堂所學(xué)的“核 電子學(xué)”的內(nèi)容。通過對幾個(gè)常用的核電子學(xué)電路的性能指標(biāo)的測試，掌握常用的核電子儀 器的工作原理，掌握常用儀器的使用方法，掌握單元電路的測量方法，整機(jī)的性能指標(biāo)的基 本測量方法，正確地整理、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)，并能檢查和排除常見的故障使電路正常工 作，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力，為核物理的測量工作中正確選擇儀器奠定一定的基

3、礎(chǔ)。 各實(shí)驗(yàn)的原理如下：實(shí)驗(yàn)一探測器輸出信號波形的觀測核電子學(xué)研究的是如何測量、分析、處理核輻射探測器給出的模擬電信號。這些信號攜 帶核輻射的各種信息。比如，信號幅度代表粒子能量、信號的形狀可能反應(yīng)粒子的類別、信 號的時(shí)間關(guān)系可能代表粒子壽命或者作用的過程。在射線作用下，探測器內(nèi)產(chǎn)生電離，產(chǎn)生的正負(fù)離子在電場的作用下向兩極運(yùn)動。負(fù)離 子被陽極收集，正離子被陰極收集。于是產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖電信號。脈沖信號幅度、上升時(shí)間、 寬度等與探測器種類、結(jié)構(gòu)、和工作電壓有關(guān)，與射線能量有關(guān)或者無關(guān)。實(shí)驗(yàn)中利用不同探測系統(tǒng)分別探測不同的射線a 8 y，調(diào)整探測器工作條件，觀察波形的 相應(yīng)變化和特征。實(shí)驗(yàn)二電荷靈敏

4、前置放大器半導(dǎo)體探測器輸出電壓幅度為：U = Q/匕，這里Q是收集到的電荷量，結(jié)電容隨外 界溫度和外界偏壓而改變，使得輸出信號的幅度不穩(wěn)定，給能譜測量帶來很大困難。為解決 此問題，需要使用電荷靈敏放大器以極大地提高等效輸入電容，當(dāng)C/為反饋電容時(shí)，放大器 的輸出信號幅度為U廣-K - U廣-Q,由此可見，電荷靈敏放大器的輸出信號幅度就f僅與探測器輸出的電荷Q成正比，而與探測器的結(jié)電容C和放大器的輸入電容c無關(guān)。實(shí)驗(yàn)三線性脈沖放大器線性脈沖放大器用來放大探測器輸出的微弱信號，要求它有良好的線性，即輸出與輸入 之間成正比關(guān)系。通過調(diào)節(jié)放大器的工作條件，可以改變放大器的相關(guān)參數(shù)，這對于能譜測 量也有

5、重要的影響。放大器的成形時(shí)間包括微分電路時(shí)間常數(shù)、積分電路時(shí)間常數(shù)對后面的能譜測量也有重 要的影響。通過調(diào)節(jié)這些常數(shù)，觀察能譜分辨能力的變化，求出在特定條件下達(dá)到最佳能譜 分辨的相關(guān)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)四核信號幅度分選與單道脈沖分析單道脈沖幅度分析器要求只有輸入脈沖落入給定的電壓（閾點(diǎn)平）范圍（V -V）之內(nèi)時(shí)， H L才輸出邏輯脈沖。而輸入脈沖幅度小于VL或大于VH大時(shí)皆無輸出信號。單道脈沖發(fā)生器由輸入衰減器、基線恢復(fù)器、加法器和減法器、甄別器（電壓比較器） 和成型電路、反符合門電路、輸出放大器六個(gè)部分組成，實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生熟悉每個(gè)部分的工作 原理，測量各級靜態(tài)工作點(diǎn)，用滑移精密脈沖發(fā)生器輸入信號到單道，

6、用示波器觀察各級波 形，測量單道甄別閾的積分非線性和道寬的微分非線性，測量單道的分辨時(shí)間、最高工作頻 率。實(shí)驗(yàn)五核信息時(shí)間分選與符合反符合在核物理實(shí)驗(yàn)中，常遇到需要記錄兩個(gè)或兩個(gè)以上時(shí)間上有規(guī)律性聯(lián)系的事件或同時(shí)發(fā) 生的事件。例如要記錄正負(fù)電子相遇發(fā)生淹沒，轉(zhuǎn)換成兩個(gè)光子的事件，需要符合電路。當(dāng) 電路的各輸入端都有脈沖輸入，而且這些脈沖是在一定的時(shí)間間隔內(nèi)出現(xiàn)時(shí)，電路能產(chǎn)生一 個(gè)輸出脈沖。來源于同一核事件的兩個(gè)脈沖產(chǎn)生的符合叫真符合，而來源于不相關(guān)核事件的 脈沖在電路的分辨時(shí)間內(nèi)同時(shí)到達(dá)所產(chǎn)生的符合成為偶然符合。實(shí)驗(yàn)六核數(shù)據(jù)獲取中的定時(shí)與計(jì)數(shù)電路時(shí)間-數(shù)字變換電路主要用于時(shí)間測量，如激發(fā)態(tài)的壽

7、命、粒子識別、中子的飛行時(shí)間測 量等。時(shí)間-數(shù)字變換電路，就是將兩個(gè)相關(guān)事件的時(shí)間間隔，線性地變換成數(shù)字脈沖，根據(jù)數(shù) 字脈沖數(shù)的多少，確定所測事件的時(shí)間間隔。該電路有兩路輸入信號，一路作為起始脈沖， 一路作為停止脈沖，由起始脈沖觸發(fā)一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)電路，停止脈沖復(fù)位該雙穩(wěn)態(tài)電路，雙穩(wěn)態(tài) 電路的輸出端控制一個(gè)與門電路，讓高頻晶振信號經(jīng)過該與非門，用一個(gè)高速計(jì)數(shù)器記錄通 過與非門的晶振脈沖信號，其脈沖個(gè)數(shù)即與起始信號和停止信號之間的時(shí)間間隔成正比。時(shí)間-數(shù)字變換電路的指標(biāo)有（1）時(shí)間變換的量程；（2）線性；（3）計(jì)數(shù)率效應(yīng)；（4） 電子學(xué)分辨時(shí)間；（5）溫度穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)七核電子學(xué)中可編程器件及應(yīng)用集成電

8、路的蓬勃發(fā)展使得數(shù)字電路的研究及應(yīng)用出現(xiàn)非常大的發(fā)展空間。使用 FPGA（Field Programmable Gate Array）或 CPLD（Complex Programmable Logic Device）的設(shè)計(jì)軟 件可將設(shè)計(jì)好的程序燒寫入FPGA器件，如同自行設(shè)計(jì)集成電路一樣，可節(jié)省電路開發(fā)的費(fèi) 用與時(shí)間。由于集成化程度提高，使儀器的體積減小，焊點(diǎn)數(shù)量大大減少，從而使儀器的可 靠性和穩(wěn)定性大大提高，所以在核電子學(xué)中可編程器件得到廣泛的應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)從使實(shí)驗(yàn)者 熟悉的目的出發(fā)，所以只用MAX+plus II中的電路圖編輯器。將設(shè)計(jì)好的電路經(jīng)MAX+plus II 中的編譯器編譯產(chǎn)生燒寫

9、文件*.pof，通過下載線將實(shí)驗(yàn)板與計(jì)算機(jī)的并口相連，通過 MAX+plus II的燒寫功能，將*.pof文件燒寫至MAX系列器件或下載至FLEX系列器件。實(shí)驗(yàn)八核輻射探測信號波形高速采樣與處理傳統(tǒng)的核信號測量一般采用低速ADC，僅能采集信號的幅度信息。信號的上升時(shí)間、信 號寬度、信號形狀等信息丟失。利用高速ADC對整個(gè)信號波形采樣，然后利用DSP強(qiáng)大的數(shù) 字信號處理能力，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以獲得比傳統(tǒng)測量方法更多的信息。通過現(xiàn)場編寫程序，驗(yàn)證各種算法，從能譜分辨率的變化，觀察算法效果，尋求最佳的 算法程序。四、實(shí)驗(yàn)方式及基本要求要求學(xué)生實(shí)驗(yàn)前認(rèn)真預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理，熟悉儀器的使用方法；以科學(xué)的

10、態(tài)度認(rèn)真做每一個(gè)實(shí) 驗(yàn)；對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)認(rèn)真分析和總結(jié)；獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告和回答思考題。在進(jìn)行試驗(yàn)之前要求，課外預(yù)習(xí)。課內(nèi)提出問題，有任課教師解答，并提問。明確試驗(yàn)的目的意義及試驗(yàn)要求及步驟后方可開始實(shí)驗(yàn)。當(dāng)堂記錄好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)后第二周交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)報(bào)告必須寫清以下內(nèi)容實(shí)驗(yàn)題目實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、意義實(shí)驗(yàn)原理（以文字形式加以說明給出必要的原理圖）實(shí)驗(yàn)儀器（給出實(shí)驗(yàn)方框圖、列出試驗(yàn)中所使用的儀器及型號、規(guī)格）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理（按實(shí)驗(yàn)的具體要求處理數(shù)據(jù)，給出必要的計(jì)算公式。數(shù)據(jù)使用表格形 式給出，要求規(guī)范清晰。作圖要求必須使用標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)紙做圖）在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中明確給出試驗(yàn)結(jié)果。并進(jìn)行必要的討論按照每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的

11、具體要求選作思考題。六、考核與考試實(shí)驗(yàn)總成績由實(shí)驗(yàn)考核和理論考核兩部分組成：實(shí)驗(yàn)考核占70%，理論考核占30%。實(shí)驗(yàn)考核成的評定：每一實(shí)驗(yàn)的成績由任課教師根據(jù)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告綜合評定給出成績，實(shí)驗(yàn)考核 部分的成績采用平均值的方法計(jì)算。七、基本設(shè)備與器材配置（名稱及數(shù)量）題目一：探測器輸出信號波形的觀測序號設(shè)備名稱數(shù)量備注1a p y放射源3各12電離室1DL-5043G-M計(jì)數(shù)管10J701-Y43He正比計(jì)數(shù)器1ZJ-12115離子注入半導(dǎo)體探測器2U-012-025-1006電荷靈敏放大器1FH1047A7線性放大器2BH12188脈沖發(fā)生器1NF15119示波器1TDS4042B10

12、NIM機(jī)箱2FH0001A11NIM插件低壓電源2FH1222N123Kv高壓電源1FH191013高速波形采集卡、配套軟件1200M14計(jì)算機(jī)2組裝題目二：前置電荷靈敏放大器序號設(shè)備名稱數(shù)量備注1示波器1TDS10122數(shù)字萬用表1EDM-82B3NIM插件低壓電源1FH1222N4線性放大器1BH12185直流穩(wěn)壓電源1BJ17326脈沖發(fā)生器1NF15117電荷靈敏放大器1FH1047A8快定時(shí)前置放大器1VT120B9超高頻毫伏表1YB2174題目三：核能譜測量中的線性脈沖放大器序號設(shè)備名稱數(shù)量備注1任意函數(shù)波形發(fā)生器1332202線性混合放大器2FH1018A3線性主放大器1BH12

13、184NIM機(jī)箱1FH0001A5機(jī)箱電源1BH12226示波器1TDS10127通用前置放大器1142IH8通用主放大器1575A題目四：核信號幅度分選與單道脈沖分析序號設(shè)備名稱數(shù)量備注1單道分析器1FH12192NIM機(jī)箱1FH0001A3機(jī)箱電源1BH12224插道式定標(biāo)器1BH12205示波器1TDS10126數(shù)字萬用表1EDM-82B7定時(shí)單道分析器1590A題目五：核信息時(shí)間分選與符合反符合序號設(shè)備名稱數(shù)量備注1示波器1TDS10122脈沖發(fā)生器14483直流穩(wěn)壓電源1BJ17324智能化定標(biāo)器1FH463B5離子注入位置靈敏硅探測器1P-055-0847-1006塑料閃爍探測器1

14、905-21-S7符合反符合電路2BH12218延遲器電路2FH1055A題目六：核數(shù)據(jù)獲取中的定時(shí)與計(jì)數(shù)電路序號設(shè)備名稱數(shù)量備注1時(shí)間數(shù)字變換器1自制2直流穩(wěn)壓電源1DH1715A-53示波器1TDS10124快速自動定標(biāo)器1自制5數(shù)字萬用表1EDM-82B6脈沖發(fā)生器14487定時(shí)器與定標(biāo)器1871題目七：核電子學(xué)中可編程器件及應(yīng)用序號設(shè)備名稱數(shù)量備注1示波器1TDS10122數(shù)字萬用表1EDM-82B3計(jì)算機(jī)1P4 2G4直流穩(wěn)壓電源1BJ17325兩通道計(jì)數(shù)器1CMC2516實(shí)驗(yàn)用電路板和下載線4自制7脈沖發(fā)生器1448題目八：核輻射探測信號波形高速采樣與處理序號設(shè)備名稱數(shù)量備注1超薄

15、窗241Am源1Am-1C2Au(Si)面壘半導(dǎo)體探測器1GM1013真空室18074便攜式真空系統(tǒng)1ALPHA-PPS-2305電荷靈敏放大器1FH1047A6線性放大器1BH12187脈沖發(fā)生器1NF15118NIM機(jī)箱1FH0001A9NIM插件低壓電源1FH1222N10高速波形采集卡1200M11DSP開發(fā)套件1TI6200系列12計(jì)算機(jī)1組裝13自制電路板2八、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容提要實(shí)驗(yàn)室名稱：核工程與核技術(shù)序 號實(shí)驗(yàn)名稱內(nèi)容提要實(shí)驗(yàn)性質(zhì)實(shí) 驗(yàn) 類 別現(xiàn)有套數(shù)每組人數(shù)實(shí) 驗(yàn) 時(shí) 數(shù)備注（學(xué)分）1探測器輸 出信號波 形的觀測通過對G-M計(jì)數(shù)管、閃爍探測 器和金硅面壘半導(dǎo)體探測器輸 出信號

16、的觀測，掌握各種的探 測器輸出信號的特點(diǎn)。掌握各種探測器的工作條件。思考對各種信號處理的電路的 要求。331272電荷靈敏前置放大器了解電荷靈敏放大器的電路結(jié) 構(gòu)和工作原理。學(xué)習(xí)電荷靈敏放大器性能指標(biāo) 的測試方法。掌握電荷靈敏放大器的特點(diǎn)和 用途。331273核能譜測 量中的線 性脈沖放 大器掌握線性脈沖放大器的工作原 理。通過實(shí)驗(yàn)掌握線性脈沖放大器 的主要指標(biāo)的測量方法。熟悉線性脈沖放大器的用途。331274核信號幅 度分選與 單道脈沖分析器掌握單道脈沖幅度分析器的工 作原理。掌握單道脈沖幅度分析器的甄 別閾及道寬線性的測量方法。掌握單道脈沖幅度分析器的分 辨時(shí)間的測量方法。熟悉單道脈沖幅度分析器的用 途。331275核信息時(shí) 間分選與 符合反符 合通過符合和反符合電路的波形 觀測，進(jìn)一步掌握符合和反符 合電路的工作原理。學(xué)習(xí)符合電路指標(biāo)的測試 方 法。掌握符合和反符合電路的 用 途。331276核數(shù)據(jù)獲 取中的定 時(shí)與計(jì)數(shù) 電路掌握時(shí)間-數(shù)字變換電路的原 理。學(xué)習(xí)時(shí)間-數(shù)字變換電路的主 要指標(biāo)的測試方法。通過實(shí)驗(yàn)掌握時(shí)間測量的方法 和用途。331277核電子學(xué) 中可編程 器件及應(yīng) 用了解復(fù)雜可編程器件的結(jié)構(gòu)特 點(diǎn)（以ALTERA公司的EPM7128 為例）。熟悉ALTERA公司的復(fù)雜可編程器件使用環(huán)境掌