核电子学与核仪器-课件529510.pptx

核电子学与核仪器覃国秀覃国秀Tel:13807947408 核技术教研室核技术教研室2009/04/21第一章重点第一章重点n核辐射探测器等效电路及其信号引出核辐射探测器等效电路及其信号引出第一章重点第一章重点n核电子学中的噪声核电子学中的噪声 噪声的衡量：噪声的衡量：等效噪声电压（等效噪声电压（ENV）；等效噪声电荷（）；等效噪声电荷（ENC）；）；等效噪声能量（等效噪声能量（ENE）核电子学中的主要噪声有三类：核电子学中的主要噪声有三类：散粒噪声；热噪声；低频噪声散粒噪声；热噪声；低频噪声n积分电路与微分电路积分电路与微分电路本堂课主要内容：本堂课主要内容：n一、概述一、概述1.1前置放大器的作用前置放大器的作用1.2前置放大器的分类前置放大器的分类n二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性2.2电荷灵敏前置放大器的基本电路和实例分析电荷灵敏前置放大器的基本电路和实例分析一、概述一、概述n1.1前置放大器的作用前置放大器的作用 采采用用电电子子学学方方法法进进行行核核辐辐射射测测量量时时，要要对对探探测测器器输输出出信信号号进进行行处处理理。由由于于探探测测器器输输出出信信号号往往往往比比较较小小，一一般般情情况下，都首先要通过况下，都首先要通过放大器放大器放大后再进行分析。放大后再进行分析。在在实实际际测测量量中中，探探测测器器附附近近总总有有一一定定的的辐辐射射剂剂量量存存在在，工工作作人人员员必必须须远远离离辐辐射射现现场场来来操操作作测测量量仪仪器器。同同时时，为为了了减减少少探探测测器器输输出出端端到到放放大大器器之之间间的的分分布布电电容容的的影影响响，减减少少外外界界干干扰扰，提提高高信信噪噪比比，并并使使连连接接信信号号用用的的高高频频电电缆缆阻阻抗抗相相匹匹配配，通通常常把把放放大大器器分分成成前前置置放放大大器器和和主主放放大大器器两两部部分分。(在在实实际际测测量量中中，前前置置放放大大器器的的参参数数很很少少变变动动，而由后面的主放大器来调节。而由后面的主放大器来调节。)一、概述一、概述n1.1前置放大器的作用前置放大器的作用提高系统的信噪比提高系统的信噪比布布局局1：传传输输线线长长，分分布布电电容容大大，信噪比小。信噪比小。布布局局2：分分布布电电容容小小，信信噪噪比比高高，抗干扰能力强。抗干扰能力强。为什么呢？为什么呢？一、概述一、概述n1.1前置放大器的作用前置放大器的作用减少外界干扰的相对影响减少外界干扰的相对影响 由由于于空空间间电电磁磁干干扰扰的的存存在在，或或有有时时屏屏蔽蔽和和隔隔离离不不好好，在在信信号号远远距距离离传传输输时时，往往往往串串入入外外界界干干扰扰，需需要要设设法提高法提高信号干扰比信号干扰比。为为了了更更好好地地抑抑制制外外界界干干扰扰，前前置置放放大大器器与与探探测测器器一一起起，通通常常采采取取良良好好的的屏屏蔽蔽、接接地地、隔隔离离、滤滤波波等等措措施施。在在弱弱信信号号传传输输时时，还还需需用用屏屏蔽蔽良良好好、噪噪声声较较小小的的电电缆缆线线，当当主主放放大大器器为为差差分分输输入入时时，则则采采用用低低噪噪声声双芯屏蔽电缆双芯屏蔽电缆。一、概述一、概述n1.1前置放大器的作用前置放大器的作用合理布局，便于调节和使用合理布局，便于调节和使用 为为缩缩小小体体积积，紧紧靠靠辐辐射射源源的的前前置置放放大大器器通通常常要要求求有有一一定定的的放大倍数放大倍数，工作，工作稳定可靠稳定可靠，并做成，并做成非调节非调节式。式。实现阻抗转换和匹配实现阻抗转换和匹配 前前置置放放大大器器是是在在探探测测器器和和主主放放大大器器之之间间作作为为一一个个阻阻抗抗转转换换器器，探探测测器器通通常常要要求求后后级级有有高高的的输输入入阻阻抗抗以以便便于于信信号号的的输输出出，而而前前置置放放大大器器通通过过电电缆缆远远距距离离传传送送给给主主放放大大器器时时，则则要要求求有有能能与与电电缆缆阻阻抗抗相相匹匹配配的的低低的的输输出出阻阻抗抗及及传传递信号。递信号。一、概述一、概述n1.2前置放大器的分类前置放大器的分类 前置放大器按不同的特点有几种分类方法：前置放大器按不同的特点有几种分类方法：与与不不同同的的探探测测器器相相配配，可可有有不不同同的的前前置置放放大大器器，如如电电离离室室前前置置放放大大器器电电路路，正正比比计计数数器器前前置置放放大大器器电电路路，半半导导体体探探测测器器前前置置放放大大器器电电路路和和闪闪烁烁探探测测器器输输出电路等。出电路等。根根据据探探测测器器输输出出信信号号成成形形方方式式的的特特点点分分类类，前前置置放放大大器器可可分分为为电电压压灵灵敏敏前前置置放放大大器器，电电荷荷灵灵敏敏前前置置放放大器和电流灵敏前置放大器。大器和电流灵敏前置放大器。一、概述一、概述n1.2前置放大器的分类前置放大器的分类电压灵敏前置放大器电压灵敏前置放大器 探探测测器器极极间间电电容容：CD；放放大大器器的的输输入入电电容容：CA；分分布布电容电容CS。则放大器的输入端总电容：。则放大器的输入端总电容：Ci=CD+CA+CS一、概述一、概述n1.2前置放大器的分类前置放大器的分类电压灵敏前置放大器电压灵敏前置放大器 电电压压灵灵敏敏前前置置放放大大器器的的主主要要问问题题是是输输入入端端总总电电容容Ci决决定定于于CD、CA和和CS，它它们们不不是是稳稳定定不不变变的的。例例如如，放放大大器器输输入入电电容容CA可可能能由由于于输输入入级级增增益益不不稳稳定定而而变变化化；使使用用P-N结结半半导导体体探探测测器器时时，如如偏偏压压不不稳稳定定，则则其其结结电电容容CD将将发发生生变变化化等等等等；这这时时Ci也也就就随随之之变变化化。当当Ci不不稳稳定定时时，输输出出电电压压幅幅度度也也不不稳稳定定，在在能能谱谱测测量量中中，这这将将使使系系统统的的分分辨辨率率降降低低。在在输输入入端端并并联联大大容容量量的的电电容容器器可可减减小小输输入入总总电电容容中中不不稳稳定定因因素素的的相相对对影影响响，然然而而，这这将将使使信信号号幅幅度度减小减小，信噪比，信噪比降低降低。一、概述一、概述n1.2前置放大器的分类前置放大器的分类电荷灵敏前置放大器电荷灵敏前置放大器 电荷灵敏前置放大器就是带有电荷灵敏前置放大器就是带有电容负反馈电容负反馈的的电流积分器电流积分器。一、概述一、概述n1.2前置放大器的分类前置放大器的分类电荷灵敏前置放大器电荷灵敏前置放大器 由由于于反反馈馈电电容容可可以以足足够够稳稳定定，输输入入电电容容Ci的的影影响响可可以以忽忽略略，输输出出电电压压幅幅度度VOM有有很很好好的的稳稳定定性性，因因此此这这种种电电荷荷灵灵敏敏前前置置放放大大器器常常用用于于高高能能量量分分辨辨率率能能谱谱仪系统。仪系统。为为了了释释放放Cf上上不不断断累累积积的的电电荷荷量量，并并稳稳定定反反馈馈的的直直流流工工作作点点，需需要要采采取取一一些些措措施施，如如附附加加一一个个阻阻值值较较大的反馈电阻大的反馈电阻Rf与与Cf并联，并联，Rf常称为常称为泄放电阻泄放电阻。一、概述一、概述n1.2前置放大器的分类前置放大器的分类电流灵敏前置放大器电流灵敏前置放大器 电电流流灵灵敏敏前前置置放放大大器器是是对对探探测测器器输输出出电电流流信信号号直直接接进行放大。进行放大。一、概述一、概述n1.2前置放大器的分类前置放大器的分类电流灵敏前置放大器电流灵敏前置放大器 电电流流灵灵敏敏前前置置放放大大器器输输入入电电阻阻小小，但但时时间间响响应应较较好好，常常用用作作快快放放大大器器，不不过过其其相相对对噪噪声声较较大大，主主要要用用于于时时间测量系统。间测量系统。从从电电荷荷(或或电电压压)灵灵敏敏与与电电流流灵灵敏敏前前置置放放大大器器两两者者输输出出信信号号保保留留的的信信息息上上并并没没有有绝绝对对的的差差别别。但但从从物物理理测测量量的的要要求求看看：电电荷荷灵灵敏敏和和电电压压灵灵敏敏前前置置放放大大器器主主要要用用于于能能谱谱测测量量分分析析系系统统；电电流流灵灵敏敏前前置置放放大大器器则则主主要要用用于于时时间测量分析间测量分析系统。系统。二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n电电荷荷灵灵敏敏前前置置放放大大器器具具有有良良好好的的低低噪噪声声性性能能，并并且且其其输输出出信信号号幅幅度度基基本本上上不不受受探探测测器器极极间间电电容容、放放大大器器开开环环时时输输入入电电容容和和电电压压增增益益等等参数参数稳定性稳定性的影响。的影响。n目前高分辨率能谱测量系统中使用的几乎都目前高分辨率能谱测量系统中使用的几乎都是电荷灵敏前置放大器是电荷灵敏前置放大器。二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性变换增益变换增益二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性变换增益变换增益 在在电电荷荷灵灵敏敏前前置置放放大大器器中中，反反馈馈电电容容Cf跨跨接接于于放放大大器器的的反反相相输输入入端端和和输输出出端端之之间间，放放大大器器采采用用高高增增益益宽宽带带运运算算放大器放大器，输出阻抗，输出阻抗很小很小，开环增益，开环增益Ao很大很大。把把反反馈馈电电容容等等效效到到输输入入端端，由由于于密密勒勒效效应应，总总的的输输入电容为：入电容为：则则二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性变换增益变换增益 由由于于运运算算放放大大器器的的增增益益一一般般很很大大，所所以以输输入入信信号号可可简简化为：化为：则输出信号为：则输出信号为：对对于于电电荷荷灵灵敏敏前前置置放放大大器器，运运算算放放大大器器的的开开环环增增益益Ao足足够够大大时时，电电荷荷变变换换增增益益ACQ仅仅与与反反馈馈元元件件Cf有有关关，因因此此只只要要采采用用高高稳稳定定精精密密的的反反馈馈电电容容，就就可可得得到到稳稳定定的的电电荷荷变换增益。变换增益。二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性变换增益变换增益 此此外外，还还可可以以定定义义能能量量变变换换增增益益ACE，它它表表示示相相应应于于单单位位能能量量的的射射线线被被探探测测时时，前前置置放放大大器器输输出出幅度的大小。幅度的大小。一一般般，探探测测器器输输出出信信号号幅幅度度经经过过前前置置放放大大器器放放大大后后比比探探测测器器直直接接输输出出的的信信号号要要大大一一个个数数量量级级，相相对对于于毫毫伏伏量量级级的的一一般般干干扰扰，前前置置放放大大器器输输出出信信号号的的抗抗干干扰扰能能力力要强的多。要强的多。二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性输出稳定性输出稳定性 电荷灵敏前置放大器的输出信号幅度为：电荷灵敏前置放大器的输出信号幅度为：放放大大器器开开环环增增益益Ao和和输输入入电电容容的的变变化化对对输输出出稳稳定定性性的的影响为：影响为：二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性输出稳定性输出稳定性 引入引入反馈深度反馈深度AoF，则，则 要要提提高高输输出出稳稳定定性性，减减小小相相对对变变化化量量，要要求求AoF足足够够大大。一一般般Cf取取得得较较小小，所所以以反反馈馈系系数数F值值也也较较小小，此此时时放放大大器开环增益器开环增益Ao必须必须很高很高。二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性输出噪声输出噪声 在在测测量量中中，除除了了真真正正有有用用的的信信号号外外，同同时时由由许许多多噪噪声声源源所所产产生生的的噪噪声声与与信信号号叠叠加加在在一一起起，因因此此要要提提高高测测量量精精度度必必须须减减小小噪噪声声，尽尽量量提提高高信信噪噪比比，这这一一性性能能指指标标对对前前置放大器电路是很重要的。置放大器电路是很重要的。前前置置放放大大器器噪噪声声常常用用能能量量半半高高宽宽FWHM来来表表示示，例例如如某某 电电 荷荷 灵灵 敏敏 前前 置置 放放 大大 器器 的的 噪噪 声声 特特 性性 可可 表表 示示 为为FWHM(Ge)=1keV+0.03keV/pF，前前一一项项为为无无外外接接电电容容时的时的等效噪声半宽度等效噪声半宽度，后一项为其，后一项为其噪声斜率噪声斜率。二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性输出脉冲上升时间输出脉冲上升时间(tr)及其稳定性及其稳定性 上上升升时时间间tr，是是指指输输入入一一个个阶阶跃跃信信号号时时输输出出信信号号脉脉冲冲前前沿沿由由幅幅度度10%的的变变化化到到90%的的时时间间，通通常常希希望望前前置置放放大器在时间上能较快的响应，要求上升时间大器在时间上能较快的响应，要求上升时间越小越好越小越好。输输出出脉脉冲冲上上升升时时间间tr取取决决于于前前置置放放大大器器本本身身的的上上升升时时间间、探探测测器器电电流流脉脉冲冲持持续续时时间间、以以及及探探测测器器极极间间电电容容。通通常常定定义义前前置置放放大大器器本本身身上上升升时时间间tro是是指指前前置置放放大大器器在在输入冲击电流输入冲击电流Q(t)时，输出电压的上升时间。时，输出电压的上升时间。二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性计数率效应计数率效应 计计数数率率效效应应包包括括信信号号堆堆积积、输输出出动动态态范范围围和和最最高高计计数数率率等等问问题题。从从探探测测器器输输出出单单个个信信号号来来看看，前前置置放放大大器器输输出出信信号号的的幅幅度度较较小小，而而且且实实际际探探测测器器输输出出是是大大量量的的随随机机脉脉冲冲，它它对对前前置置放放大大器器线线性性工工作作的的动动态态范范围围提提出出一定的要求。一定的要求。在在电电荷荷灵灵敏敏前前置置放放大大器器中中，由由于于对对反反馈馈电电容容Cf的的充充电电作作用用，信信号号是是一一个个一一个个的的累累加加上上去去的的，如如果果不不给给Cf上上的的电电荷荷以以放放电电通通路路的的话话，那那么么不不断断充充电电的的结结果果，将将使使放大器放大器无法工作无法工作。二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性计数率效应计数率效应 探探测测器器与与电电荷荷灵灵敏敏前前置置放放大大器器采采用用直直流耦合流耦合。二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性计数率效应计数率效应 当当输输入入单单个个电电流流Q(t)时时，由由于于反反馈馈放放大大器器输输入入端端为为虚虚地，则地，则输出电压输出电压为为 如如输输出出信信号号的的平平均均计计数数率率为为n时时，每每个个电电流流脉脉冲冲的的电电荷荷量为量为Q，则堆积的，则堆积的输出信号的平均值输出信号的平均值为为二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性计数率效应计数率效应 由由于于探探测测器器输输出出脉脉冲冲在在时时间间上上是是随随机机分分布布的的，实实际际输输出电压出电压Vo是围绕其平均值上下是围绕其平均值上下起伏起伏的。的。当当平平均均计计数数率率n较较高高时时，输输出出电电压压的的上上下下涨涨落落分分布布可可近近似似表表示示为为高高斯斯分分布布。则则前前置置放放大大器器的的动动态态范范围围应应不不小小于：于：二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性计数率效应计数率效应 探探测测器器与与电电荷荷灵灵敏敏前前置置放放大大器器采采用用交交流耦合。流耦合。二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.1电荷灵敏前置放大器的主要特性电荷灵敏前置放大器的主要特性计数率效应计数率效应 上上述述电电荷荷灵灵敏敏前前置置放放大大器器的的主主要要指指标标(变变换换增增益益、输输出出稳稳定定性性、输输出出噪噪声声、输输出出上上升升时时间间和和计计数数率率效效应应)，为为具具体体电电路路的的设设计计考考虑虑和和分分析析研研究究明明确确了了要要求求。但但应应该该注注意意各各项项指指标标的的性性能能高高低低，需需要要结结合合具具体体物物理理实实验验需需要要，全全面面权权衡衡考考虑虑，因因为为实实际际上上有有些些指指标标是是相相互互牵牵制制、制制约约的的，不不应应该该片片面面地地强调某一指标。强调某一指标。二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.2电荷灵敏前置放大器的基本电路与实例电荷灵敏前置放大器的基本电路与实例电荷电荷灵敏灵敏前置前置放大放大器的器的一种一种典型典型电路电路二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.2电荷灵敏前置放大器的基本电路与实例电荷灵敏前置放大器的基本电路与实例n工作过程工作过程：n半半导导体体探探测测器器D经经过过负负载载电电阻阻由由高高压压电电源源供供电电。为为隔隔直直流流电电容容。Rf用用来来释释放放Cf上上积积累累的的信信号号电电荷荷，并并提提供供直直流流负负反反馈馈以以稳稳定定电电路路的的直直流流工工作作点点。Ra表表示示T2管管的的等等效效动动态态负负载载电电阻阻(主主要要决决定定于于虚虚线线框框内内恒流源恒流源的内阻和的内阻和T2管集电极输出电阻管集电极输出电阻)。二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n2.2电荷灵敏前置放大器的基本电路与实例电荷灵敏前置放大器的基本电路与实例n这种这种电路的特点电路的特点是：是：(1)T1管管的的等等效效负负载载小小，所所以以第第一一级级的的电电压压放放大大倍倍数数、输输入入电电容容小小，开开环环输输入入端端总总电电容容也也就就较较小小。因因此此，电电路路容容易易满满足足所所要要求求的的条条件件。（共共基放大器基放大器输入电阻小，频率特性好输入电阻小，频率特性好）。）。(2)上升时间小，反馈深度大，稳定性好上升时间小，反馈深度大，稳定性好。二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n定量估算定量估算电路的开环增益电路的开环增益 假假设设射射极极跟跟随随器器电电压压增增益益接接近近于于1，而而且且输输入入电电阻阻也也足足够够大大；另另外外T2共共基基电电路路的的输输入入电电阻阻远远小小于于T1的的漏漏极负载电阻，则极负载电阻，则增益增益 二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n定量估算定量估算上升时间上升时间 在在实实际际测测量量中中，常常利利用用具具有有快快速速前前沿沿的的电电压压信信号号Vp通通过过一一个个小小容容量量的的检检验验电电容容C1，当当放放大大器器输输入入电电容容远远大大于于C1时时，近近似似在在信信号号端端注注入入电电荷荷量量为为VpC的的冲冲击击电电流流信信号号。设设T2集集电电极极对对地地电电容容为为Co2，在在不不考考虑反馈时，上升时间为虑反馈时，上升时间为2.2Ro2Co2,而对于分析电路而对于分析电路二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器n定量估算定量估算上升时间上升时间 当反馈深度当反馈深度AoF很大的时候，可得很大的时候，可得当当Ci和和gm变化时，对能量分辨率是否有影响？变化时，对能量分辨率是否有影响？总结总结n一、前置放大器的作用与分类一、前置放大器的作用与分类 (提提高高信信噪噪比比、减减少少外外界界干干扰扰的的影影响响；电电压压灵灵敏敏前前置置放放大大器器、电电荷荷灵灵敏敏前前置置放放大大器器、电电流流灵灵敏敏前前置置放大器放大器)n二、电荷灵敏前置放大器二、电荷灵敏前置放大器 (变换增益、输出稳定性、输出噪声、输出脉冲上变换增益、输出稳定性、输出噪声、输出脉冲上升时间、计数率效应升时间、计数率效应)演讲完毕，谢谢观看！