核電子學(xué)與核儀器課件2

核電子學(xué)與核儀器覃國秀qinguoxiu198201@163.comTel技術(shù)教研室2009/04/14上次課關(guān)鍵點核輻射探測器信號的引出引入矩形脈沖信號理想矩形脈沖實際矩形脈沖本堂課主要內(nèi)容：一、核輻射探測器及其輸出信號

1.1核輻射探測器的要求和特點

1.2核輻射探測器的主要類別和輸出信號

1.3核輻射探測器的基本性能

1.4核輻射探測器的輸出電路

1.5核輻射探測器輸出信號的數(shù)學(xué)模擬二、核電子學(xué)中的噪聲

2.1噪聲對核測量的影響

2.2噪聲的分類和噪聲源一、核輻射探測器及其輸出信號1.1核輻射探測器的要求和特點核物理和粒子物理實驗中，最基本的測量過程是一、核輻射探測器及其輸出信號1.1核輻射探測器的要求和特點

核電子學(xué)所研究的是如何處理和分析核輻射探測器給出的信號。通常核輻射探測器的輸出信號是一系列幅度大小不一、波形不盡一致、前后間隔疏密不勻出現(xiàn)的時間隨機分布的電荷或電流脈沖。由脈沖及相關(guān)參數(shù)所得到的信息脈沖所攜帶的電荷量（入射粒子能量；能譜）脈沖出現(xiàn)的準(zhǔn)確時刻（粒子入射的準(zhǔn)確時刻；時間譜）單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)（入射粒子數(shù)；強度、劑量）脈沖的形狀（入射粒子類型）一、核輻射探測器及其輸出信號1.1核輻射探測器的要求和特點核輻射測量中，最基本的特點是它的統(tǒng)計性，因為在核輻射探測器中，射線與物質(zhì)相互作用的過程是隨機的，且核衰變過程也是也是以一定的概率性來表現(xiàn)的；所以，必須對大量事物的統(tǒng)計規(guī)律作出相應(yīng)的處理和分析。核電子學(xué)信號的特點隨機性（時間、幅度）信號弱，但跨度大（μV~幾十伏）速度快一、核輻射探測器及其輸出信號1.2核輻射探測器的主要類別和輸出信號核輻射探測器的分類給出信號（電信號與非電信號）

電信號：氣體探測器（氣體電離室，正比計數(shù)器，G-M管等）半導(dǎo)體探測器（P-N結(jié)、PIN結(jié)、高純鍺等）閃爍體探測器（=閃爍體+光電倍增管）一、核輻射探測器及其輸出信號1.2核輻射探測器的主要類別和輸出信號

(1)核輻射探測器實質(zhì)上就是一個能量-電荷轉(zhuǎn)換器，用于把抽象的核輻射信息轉(zhuǎn)換成具體的電信號；

(2)對核輻射信息的處理實際上就是對探測器輸出信號的處理，從探測器輸出信號中提取出核輻射信息，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的物理量；

(3)核輻射探測器通?？梢钥闯墒且粋€電流源；

(4)不同的探測器，其能量-電荷轉(zhuǎn)換過程及持續(xù)時間是不同的，輸出信號各有其特點，需采用不同的處理方法或手段。一、核輻射探測器及其輸出信號1.2核輻射探測器的主要類別和輸出信號氣體探測器

入射粒子在電離室中引起電離，電子、離子漂移形成電流；當(dāng)外加電壓升高時，探測器工作于正比區(qū)，就成為正比計數(shù)器；當(dāng)氣體放大倍數(shù)隨電壓急劇上升，電子雪崩持續(xù)發(fā)展成自激放電，則成為G-M計數(shù)器。

總電子-離子對數(shù)：

相應(yīng)電荷量：

一、核輻輻射探測測器及其其輸出信信號1.2核輻射探探測器的的主要類類別和輸輸出信號號氣體探測測器電流信號號i(t)的時間持持續(xù)過程，主要要與電子子和離子子的漂移速度度有關(guān)。。通常，，在電離室中中電子漂漂移速度度較快，約微秒量級，而而離子漂移速度度慢得多多，約毫秒量級。一、核輻輻射探測測器及其其輸出信信號1.2核輻射探探測器的的主要類類別和輸輸出信號號半導(dǎo)體探探測器常用的半半導(dǎo)體探探測器包包括金硅面壘壘探測器器、Ge(Li)和Si(Li)探測器、、高純鍺鍺探測器器等，它們們都是以以半導(dǎo)體體材料為為探測介介質(zhì)，具具有能量分辨辨率高，線性范圍圍寬等優(yōu)點。。等效電路一、核輻輻射探測測器及其其輸出信信號1.2核輻射探探測器的的主要類類別和輸輸出信號號閃爍體探探測器當(dāng)射線入入射到閃閃爍晶體體時，先先使閃爍爍體中的的分子或或原子激激發(fā)，然然后退激激時發(fā)出出熒光，此光脈脈沖射到到光電倍倍增管的的光陰極極上轉(zhuǎn)換換成光電子，通過管管內(nèi)逐級級倍增，，最后在在陽極上上收集成成為電流流脈沖i(t)。輸出電流流i(t)與閃爍體體的發(fā)光光效率、、光陰極極的靈敏敏度及光光電倍增增管的倍倍增系數(shù)數(shù)有關(guān)。。一、核輻輻射探測測器及其其輸出信信號1.2核輻射探探測器的的主要類類別和輸輸出信號號對三種主主要探測測器的分分析可得得出如下下結(jié)論：：(1)核輻射探探測器都都能產(chǎn)生生相應(yīng)的的輸出電流流i(t)，在電路路分析時時，可把把它等效效為電流源；(2)該輸出電電流i(t)具有一定定形狀，，具有一一定時間特性性，所以可可用于時間分析析；(3)如在輸出出電容上上取積分分電壓信號號Vc(t)，則Vc(t)正比于E，可做射線能量量測量。一、核輻輻射探測測器及其其輸出信信號1.3核輻射探探測器的的基本性性能探測效率率探測器測測到的粒粒子數(shù)與與此時實實際入射射到探測測器中的的該種粒粒子總數(shù)數(shù)的比值值。輸出幅度度大小氣體探測器電離室3×1044.8×10-4正比計數(shù)器1070.16半導(dǎo)體探測器鍺(77k)3×1054.8×10-3硅(室溫)3×105閃爍體探測器NaI(Tl)閃爍體1081.6電荷數(shù)V/(MeV)一、核輻輻射探測測器及其其輸出信信號1.3核輻射探探測器的的基本性性能分辨率探測器實實際分辨辨核信息息的能力力，主要要有能量分辨辨率、時間分辨辨率、空間分辨辨率。為了區(qū)分分不同N0值的相對對能量分分辨率，，常定義義探測器器固有能能量分辨辨率為：：一、核輻輻射探測測器及其其輸出信信號1.3核輻射探探測器的的基本性性能線性響應(yīng)應(yīng)在一定范范圍內(nèi)探探測器所所給出的的信息，，與入射射粒子相相應(yīng)的物物理量是是否成線線性的標(biāo)標(biāo)志。穩(wěn)定性通常，溫溫度和電電源的變變化會引引起探測測器性能能的不穩(wěn)穩(wěn)定；因因此，探探測器對對工作環(huán)境境溫度和高壓電源源供電電壓壓的穩(wěn)定定性有一一定要求求。另外，衡衡量探測測器性能能還有抗輻射損損傷，粒子鑒別別能力等。一、核輻輻射探測測器及其其輸出信信號1.4核輻射探探測器的的輸出電電路核輻射探探測器可可以看成成為一個個電流信號號源i(t)，在作時時間測量量時，由由于要求求保持時時間信息息，可以以直接利利用這種種電流源源的時間特性性。在作能能譜分析析時，因因為與能能量成正正比的量量是探測測器收集集的電荷荷或電荷荷在電容容上的積分電壓壓，所以要要求探測測器輸出出電荷或或電壓信信號。如如果既要要作時間間測量，，又要作作能量測測量，則則應(yīng)要求求探測器器既輸出出電流信信號又輸輸出電荷荷信號。。一、核輻射探探測器及其輸輸出信號1.4核輻射探測器器的輸出電路路脈沖電離室一、核輻射探探測器及其輸輸出信號1.4核輻射探測器器的輸出電路路脈沖電離室脈沖電離室輸出波形一、核輻射探探測器及其輸輸出信號1.4核輻射探測器器的輸出電路路半導(dǎo)體探測器器一、核輻射探探測器及其輸輸出信號1.4核輻射探測器器的輸出電路路閃爍探測器閃爍探測器輸輸出電流和電電壓分別為：：i(t)A一、核輻射探探測器及其輸輸出信號1.4核輻射探測器器的輸出電路路閃爍探測器Ci不變，輸出電電壓隨Ri的變化。一、核輻射探探測器及其輸輸出信號1.4核輻射探測器器的輸出電路路閃爍探測器Ri不變，輸出電電壓隨Ci的變化。一、核輻射探探測器及其輸輸出信號1.4核輻射探測器器的輸出電路路閃爍探測器接射極輸出器器的閃爍體探探測器一、核輻射探探測器及其輸輸出信號1.4核輻射探測器器的輸出電路路閃爍探測器作時間信息測量時的電路一、核輻射探探測器及其輸輸出信號1.5核輻射探測器器輸出信號的的數(shù)學(xué)模擬各類核輻射探探測器通過后后接輸出電路路，將被測量量的核輻射信信息轉(zhuǎn)換成具具有一定特性性形狀的波形。當(dāng)信號延遲遲時間與輸出出電路時間常常數(shù)相比小得得多時，可以以認為核輻射射探測器信號號主要以脈沖形式出現(xiàn)，探探測到的單個個或一群粒子子轉(zhuǎn)化成單個個或一系列電脈沖，而且，當(dāng)電電荷收集時間間較短時，可可以認為是一一種持續(xù)時間間極短的電流沖擊脈沖沖。一、核輻射探探測器及其輸輸出信號1.5核輻射探測器器輸出信號的的數(shù)學(xué)模擬在數(shù)學(xué)上，引引入單位沖擊函數(shù)數(shù)，則電流脈沖沖可用沖激脈脈沖來模擬。。一、核輻射探探測器及其輸輸出信號1.5核輻射探測器器輸出信號的的數(shù)學(xué)模擬核信號的統(tǒng)計性決定了處理問問題的特殊性性。上述表達達式作為核電電子學(xué)電路的的輸入信號，，它為后續(xù)電電路對信號的的處理和研究究提供了數(shù)學(xué)學(xué)模擬。沖擊函數(shù)和沖沖擊脈沖系列列二、核電子學(xué)學(xué)中的噪聲2.1噪聲對核測量量的影響當(dāng)實際獲取核核輻射探測器器輸出的能量量或時間信息息時，不可避避免會遇到探探測器和核電電子學(xué)本身所所固有的噪聲。這種種噪聲疊加，，混雜到信號號上，將使核核輻射測量系系統(tǒng)的能量或或時間分辨能能力受到影響響。因此，要要精確分析核核探測器信號號，噪聲是提提高測量精度度的嚴(yán)重障礙。二、核電子學(xué)學(xué)中的噪聲2.1噪聲對核測量量的影響噪聲與干擾干擾：主要是是指空間電磁磁波感應(yīng)，工工頻交流電網(wǎng)網(wǎng)的干擾，以及及電源紋波干干擾等外界因因素。（可在電路和和工藝上予予以減小或或消除）噪聲：是由由所采用的的元器件本本身產(chǎn)生的的。（可以設(shè)法減減小但無法法消除）二、核電子子學(xué)中的噪噪聲2.1噪聲對核測測量的影響響噪聲的衡量量通常，噪聲聲電流式電電壓的時間間平均值等等于零。但但是只要有有噪聲存在在，其平均功率肯定不為零零。所以采采用均方值值作為噪聲聲大小的衡衡量尺度。。由于噪聲是是隨機地重重迭在信號號電壓上，，它會使原原來代表單單一能量的的信號幅度度在平均值值上下作統(tǒng)統(tǒng)計起伏。。所以常用用信噪比來衡量噪聲聲對測量精精度的影響響。二、核電子子學(xué)中的噪噪聲2.1噪聲對核測測量的影響響噪聲的衡量量信噪比：二、核電子子學(xué)中的噪噪聲2.1噪聲對核測測量的影響響等效噪聲電電壓（ENV）考慮到系統(tǒng)統(tǒng)的輸出電電壓實際上上反應(yīng)了輸輸入端所測測的物理量量，所以一一般噪聲的的衡量也應(yīng)應(yīng)由輸出端端折算到輸入端，，便于與輸輸入端所測測的物理量量作比較。。等效噪聲電電壓：二、核電子子學(xué)中的噪噪聲2.1噪聲對核測測量的影響響等效噪聲電電荷（ENC）為了判斷核核譜測量系系統(tǒng)對電荷荷量、能量量的分辨程程度，也可可將系統(tǒng)的的輸出端噪噪聲折算到到輸入端，，給出噪聲聲所對應(yīng)的的等效噪聲電電荷或等效噪聲能能量。等效噪聲電電荷：二、核電子子學(xué)中的噪噪聲2.1噪聲對核測測量的影響響等效噪聲能能量（ENE）由于單位電電荷為e，可以算出出輸入端等等效的電子子-離子對數(shù)(ENN)。如果探測器器固有的能能量分辨率率半高寬為為(FWHM)DE，則由于噪噪聲疊加，，系統(tǒng)的能能量分辨率率變壞。等效噪聲能能量：二、核電子子學(xué)中的噪噪聲2.2噪聲的分類類與噪聲源源核電子學(xué)中中的主要噪噪聲有三類類：散粒噪聲（探測器漏電電流的噪聲聲、場效應(yīng)應(yīng)管柵極漏漏電流噪聲聲）熱噪聲（場效應(yīng)管的的溝道熱噪噪聲、電阻阻原件的熱熱噪聲）低頻噪聲（場效應(yīng)管閃閃爍噪聲）二、核電子子學(xué)中的噪噪聲2.2噪聲的分類類與噪聲源源散粒噪聲在電子器件件或半導(dǎo)體體探測器中中，由于載載流子產(chǎn)生生和消失的的隨機漲落落，形成通通過器件的的電流瞬時時波動。二、核電子子學(xué)中的噪噪聲2.2噪聲的分類類與噪聲源源散粒噪聲從頻域分析析可知，在在任一段頻頻率內(nèi)，這這種散粒噪噪聲電流的的均方值為為：具體到半導(dǎo)導(dǎo)體探測器器和放大器器中，在半半導(dǎo)體內(nèi)主主要是由于于反向電