2-2核電子學(xué)教學(xué)課件

1、核電子學(xué)與核輻射儀器,覃國秀 Tel:核工系 2010/03/28,上次課關(guān)鍵點(diǎn),探測器等效電路,核電子學(xué)的噪聲,噪聲的衡量： 等效噪聲電壓（ENV） 等效噪聲電荷（ENC） 等效噪聲能量（ENE）,核電子學(xué)中的主要噪聲有三類： 散粒噪聲 熱噪聲 低頻噪聲,本堂課主要內(nèi)容：,三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ) 3.1 時域和頻域分析 3.2 核電子學(xué)中常見的基本電路分析 3.3 隨機(jī)信號通過線性網(wǎng)絡(luò) 四、核電子學(xué)測量系統(tǒng)概述 4.1 系統(tǒng)的基本組成 4.2 核電子學(xué)常用的信號處理系統(tǒng) 4.3 核電子學(xué)信號處理單元插件標(biāo)準(zhǔn)化,三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ),3.1時

2、域和頻域分析 核輻射探測器的輸出信號要經(jīng)過電子學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行處理，才能得到所需要的信息，給出相應(yīng)的結(jié)果。包含一定數(shù)量的電子元器件，按照某種方式連接起來的集合體，稱之為電路（網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)）。 線性網(wǎng)絡(luò)（由線性元件組成；線性微分方程描述） 非線性網(wǎng)絡(luò)（由非線性元件組成；數(shù)學(xué)分析方法處理）,三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ),3.1時域和頻域分析 在時域中，一個單位沖激信號(t)加到一個線性網(wǎng)絡(luò)上，所得到的輸出信號為h(t)，稱為該網(wǎng)絡(luò)的沖激響應(yīng)。 在頻域中，通常采用傅里葉變換將信號的時域分析轉(zhuǎn)換為頻域分析，而H()表示網(wǎng)絡(luò)對不同頻率分量的響應(yīng)特性，稱為頻率響應(yīng)。,時域,頻域,三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分

3、析基礎(chǔ),3.1時域和頻域分析 從復(fù)頻域考慮，也可以采用拉普拉斯變換 H(s)為線性網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù)，一般相同的傳輸函數(shù)可由不同的網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。,三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ),3.1時域和頻域分析 對于多級串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，其總的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)為：,富氏變換與拉氏變換過程：,三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ),3.1時域和頻域分析 常用脈沖信號的富氏變換和拉氏變換：,三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ),3.2核電子學(xué)中常見的基本電路分析 探測器的輸出電路 探測器輸出電路等效電路：,時域,三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ),3.2核電子學(xué)中常見的基本電路分析 探測器的輸出電路 探測器輸出電路等效電路：,頻域,

4、三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ),3.2核電子學(xué)中常見的基本電路分析 RC積分電路,(t),h(t),三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ),3.2核電子學(xué)中常見的基本電路分析 RC積分電路,沖擊響應(yīng)：,頻率響應(yīng)：,三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ),3.2核電子學(xué)中常見的基本電路分析 CR微分電路,時域,三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ),3.2核電子學(xué)中常見的基本電路分析 CR微分電路,頻域,三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ),3.2核電子學(xué)中常見的基本電路分析 短路延遲線,輸入,輸出,三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ),3.2核電子學(xué)中常見的基本電路分析 短路延遲線,沖擊響應(yīng)：,頻率響應(yīng)：

5、,三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ),3.3隨機(jī)信號通過線性網(wǎng)絡(luò) 核電子學(xué)中的隨機(jī)信號及其表現(xiàn)形式 在核電子學(xué)中有兩類隨機(jī)信號，即核輻射信號與噪聲信號，它與確定信號不同，對確定信號，它可用明確的數(shù)學(xué)關(guān)系式來描述。,確定信號,三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ),3.3隨機(jī)信號通過線性網(wǎng)絡(luò) 核電子學(xué)中的隨機(jī)信號及其表現(xiàn)形式 由探測器輸出的核輻射信號或噪聲，因?yàn)槌霈F(xiàn)的時刻和幅度大小都是隨機(jī)的，這種信號只能用統(tǒng)計(jì)法處理。,隨 機(jī) 信 號,三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ),3.3隨機(jī)信號通過線性網(wǎng)絡(luò) 核電子學(xué)中的隨機(jī)信號及其表現(xiàn)形式 核電子學(xué)中的噪聲主要是散粒噪聲和熱噪聲，其概率密度函數(shù)呈高斯正態(tài)分布

6、：,三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ),3.3隨機(jī)信號通過線性網(wǎng)絡(luò) 核電子學(xué)中的隨機(jī)信號及其表現(xiàn)形式 噪聲電壓的平均值和均方值分別為：,三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ),3.3隨機(jī)信號通過線性網(wǎng)絡(luò) 核電子學(xué)中的隨機(jī)信號及其表現(xiàn)形式 噪聲的平均功率?？捎米韵嚓P(guān)函數(shù)和功率譜密度來求得，自相關(guān)函數(shù)為：,平均功率由各頻率分量功率之和來求得,三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ),3.3隨機(jī)信號通過線性網(wǎng)絡(luò) 核電子學(xué)中的隨機(jī)信號及其表現(xiàn)形式 由于自相關(guān)函數(shù)表示噪聲在時域中的特性，而功率譜密度表示噪聲在頻域中的特性，這兩者是等效的?？梢宰C明自相關(guān)函數(shù)與功率譜密度函數(shù)是一對富氏變換對。,白噪聲的頻域與時域變換

7、,三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ),3.3隨機(jī)信號通過線性網(wǎng)絡(luò) 核電子學(xué)中的隨機(jī)信號及其表現(xiàn)形式 在隨機(jī)信號分析中，白噪聲的自相關(guān)函數(shù)是一理想函數(shù)，其作用類似于躍階函數(shù)與沖擊函數(shù)，理論上只要分析白噪聲輸入一個網(wǎng)絡(luò)后的變化，即可得到這個網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)特性。,有限帶寬的白噪聲譜密度與自相關(guān)函數(shù),三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ),3.3隨機(jī)信號通過線性網(wǎng)絡(luò) 核電子學(xué)中的隨機(jī)信號及其表現(xiàn)形式 核輻射信號的特點(diǎn)： (1)在脈沖幅度上按高斯統(tǒng)計(jì)分布； (2)在時間間隔(0，t)中的脈沖個數(shù)按泊松分布； (3)脈沖形狀在理想情況下，可看成沖擊函數(shù)，探測器輸出電流脈沖信號，可簡化表示為一個強(qiáng)度變化的隨機(jī)沖擊序

8、列：,三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ),3.3隨機(jī)信號通過線性網(wǎng)絡(luò) 核電子學(xué)中的隨機(jī)信號及其表現(xiàn)形式 核輻射隨機(jī)信號的自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度函數(shù)為：,三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ),3.3隨機(jī)信號通過線性網(wǎng)絡(luò) 隨機(jī)信號通過線性網(wǎng)絡(luò),周期信號通過線性網(wǎng)絡(luò),隨機(jī)信號通過線性網(wǎng)絡(luò),三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ),3.3隨機(jī)信號通過線性網(wǎng)絡(luò) 隨機(jī)信號通過常見線性電路的實(shí)例 白噪聲通過RC低通濾波器： 功率譜密度及自相關(guān)函數(shù)為 通過RC電路后的響應(yīng)為,三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ),3.3隨機(jī)信號通過線性網(wǎng)絡(luò) 隨機(jī)信號通過常見線性電路的實(shí)例 白噪聲通過RC低通濾波后，濾去了高頻部分，但低頻

9、和直流部分仍能通過，主要變成低頻噪聲。,三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ),3.3隨機(jī)信號通過線性網(wǎng)絡(luò) 隨機(jī)信號通過常見線性電路的實(shí)例 白噪聲通過CR高通濾波器的響應(yīng),四、核電子學(xué)測量系統(tǒng)概述,4.1系統(tǒng)的基本組成 核信息測量系統(tǒng)通常由核輻射探測器和核電子學(xué)測量系統(tǒng)兩部分組成。而核電子學(xué)測量系統(tǒng)包括模擬信號獲取和處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)的獲取和處理三部分。,四、核電子學(xué)測量系統(tǒng)概述,4.2核電子學(xué)常用的信號處理系統(tǒng) 前置放大器 將探測器輸出的電荷收集起來，并轉(zhuǎn)換成適于電纜運(yùn)傳到后續(xù)電子設(shè)備的電壓或電流信號。 主放大器 主放大器是相對于前置放大器的而言的，它將前置放大器輸出的信號進(jìn)一步放大，達(dá)到便

10、于測量的程度，并使信號成形，有利于精確測量和分析。,四、核電子學(xué)測量系統(tǒng)概述,4.2核電子學(xué)常用的信號處理系統(tǒng) 幅度或時間信息甄別 經(jīng)過處理后的信號，為了判別它們的幅度是否在預(yù)定的范圍內(nèi)，需要采用幅度甄別，而為了確定時間參數(shù)，需要進(jìn)行時間甄別。 模數(shù)轉(zhuǎn)換 核輻射探測器輸出信號經(jīng)過各種信號處理電路后，需變換成數(shù)字量才能用數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和數(shù)據(jù)處理。,四、核電子學(xué)測量系統(tǒng)概述,4.2核電子學(xué)常用的信號處理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)獲取的分析和處理 在物理信號轉(zhuǎn)換成數(shù)碼后，則由數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取和處理。多道分析器是數(shù)據(jù)獲取和處理的有效設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)幅度信息、時間信息等分類計(jì)數(shù)。 此外，還常用計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)率器等

11、計(jì)數(shù)設(shè)備可直接記錄某一類信號的計(jì)數(shù)率。,四、核電子學(xué)測量系統(tǒng)概述,4.3核電子學(xué)信號處理單元插件標(biāo)準(zhǔn)化 核電子學(xué)測量系統(tǒng)，常因不同的物理測量要求，組成可以變化的測量系統(tǒng)，為適用各種不同用途的需要，目前都把具有一定功能的信號處理單元按一定規(guī)范要求，做成各種信號處理標(biāo)準(zhǔn)插件。 在進(jìn)行核物理實(shí)驗(yàn)的時候，需按整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，合理選用單元插件，可以較好較快的組成滿足一定物理要求的系統(tǒng)，這就要求對各類插件的性能、指標(biāo)要求以及使用方法、特點(diǎn)，必須有較深入的了解。,四、核電子學(xué)測量系統(tǒng)概述,4.3核電子學(xué)信號處理單元插件標(biāo)準(zhǔn)化 目前通用的幾種核電子儀器標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng),四、核電子學(xué)測量系統(tǒng)概述,4.3核電子學(xué)信

12、號處理單元插件標(biāo)準(zhǔn)化 核電子儀器標(biāo)準(zhǔn)化的工作早在50年代就開始了，隨著電子學(xué)的發(fā)展和物理實(shí)驗(yàn)的更高要求，標(biāo)準(zhǔn)化要求在不斷更新。 NIM(nuclear instrument module 核儀器插件標(biāo)準(zhǔn))標(biāo)準(zhǔn)是1964年提出的，經(jīng)過四次修改后，于1974年由國際電工委員會推出為國際標(biāo)準(zhǔn)系列，并為全世界所采用。NIM標(biāo)準(zhǔn)是一個通用電子學(xué)插件化的標(biāo)準(zhǔn)(統(tǒng)一了機(jī)箱和插件的機(jī)械尺寸，供電電壓及方式，信號電平的大小)，從而解決了核電子儀器的裝配和互換性問題。,四、核電子學(xué)測量系統(tǒng)概述,4.3核電子學(xué)信號處理單元插件標(biāo)準(zhǔn)化 隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，需要解決大量數(shù)字的信息傳遞問題，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和處理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化

13、，1975年國際電工委員會通過的CAMAC(Computer Aided Measurement and Control 計(jì)算機(jī)輔助測量與控制)標(biāo)準(zhǔn)也被推薦為一種國際儀器標(biāo)準(zhǔn)。它不僅在機(jī)箱、插件的結(jié)構(gòu)、電源標(biāo)準(zhǔn)和信號電平等方面，作出了規(guī)定，而且在信息傳輸方式，信號傳送的硬件和軟件方面也定了標(biāo)準(zhǔn)。 隨著微處理器和微計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展和普及，出現(xiàn)了分布式處理系統(tǒng)。同時，為了適應(yīng)高能物理實(shí)驗(yàn)的要求，中心計(jì)算機(jī)需要處理更復(fù)雜、更大量的數(shù)據(jù)，要求速度更快，希望總線標(biāo)準(zhǔn)向高速度，高度靈活方向發(fā)展。于是又發(fā)展了新一代的快總線系統(tǒng)。,常用的NIM標(biāo)準(zhǔn),機(jī)箱 機(jī)箱寬度為19英寸；每個標(biāo)準(zhǔn)箱體有12個插進(jìn)道和12個

14、箱體(插件連接器)，可以容納12個單插寬度NIM插件，或6個雙插寬NIM插件，或4個三插寬插件。 一般在機(jī)箱后部有NIM標(biāo)準(zhǔn)電源，各種電源通過內(nèi)部接線引到機(jī)箱各電源插座。不過，有的機(jī)箱不帶電源，另外用插件式電源從前面插入箱內(nèi)，使各電源插座得到供電。,常用的NIM標(biāo)準(zhǔn),插件-箱體連接器,插件后面板上方裝有電源插頭，機(jī)箱每個插道內(nèi)裝有電源插座，插座和插頭原設(shè)計(jì)裝有多種信號線，稱為插件-機(jī)箱連接器。實(shí)際上大都用于電源供電。,電源與地線插孔 保留插孔 備用插孔 同軸接頭 3V和+200V電源 邏輯控制信號,常用的NIM標(biāo)準(zhǔn),NIM電源標(biāo)準(zhǔn) a.電源調(diào)節(jié)范圍和電壓精確度 24V，12V，好于 0.5%；6V，好于0.1%。 b.穩(wěn)壓特性 1min內(nèi)輸出電壓變化0.1%；24h內(nèi)0.3%。 c.溫度系數(shù) 環(huán)境溫度在050范圍內(nèi)變化時，溫度系數(shù)0.02%/。 d.輸出阻抗 在100kHz以下的任何頻率，輸出阻抗0.3。,常用的NIM標(biāo)準(zhǔn),NIM電源標(biāo)準(zhǔn) e.恢復(fù)時間和通斷瞬變 f.噪聲和紋波 用通帶達(dá)50MHz的示波器測噪聲和紋波的綜合峰值： 24V，12V：3mV 6 V： 6mV g.輸出電流 NIM電源有多種規(guī)格，有的指示好于上面所列數(shù)值，輸出電流也各有不同，使用時注意產(chǎn)品說明書。另外，過熱，過流，過壓保護(hù)也各有規(guī)定。,常用的NIM標(biāo)準(zhǔn),NIM插件的電源要