核电子学第3课探测器及其输出信号剖析.ppt

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1、核电子学与核仪器上次课关键点上次课关键点核辐射探测器信号的引出核辐射探测器信号的引出引入n矩形脉冲信号矩形脉冲信号理想矩形脉冲理想矩形脉冲实实际际矩矩形形脉脉冲冲本堂课主要内容：本堂课主要内容：n一、核辐射探测器及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信号 1.1核辐射探测器的要求和特点核辐射探测器的要求和特点 1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号核辐射探测器的主要类别和输出信号 1.3核辐射探测器的基本性能核辐射探测器的基本性能 1.4核辐射探测器的输出电路核辐射探测器的输出电路 1.5核辐射探测器输出信号的数学模拟核辐射探测器输出信号的数学模拟n二、核电子学中的噪声二、核电子学中的噪声 2.

2、1噪声对核测量的影响噪声对核测量的影响 2.2噪声的分类和噪声源噪声的分类和噪声源一、核辐射探测器及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信号n1.11.1核辐射探测器的要求和特点核辐射探测器的要求和特点核物理和粒子物理实验中，最基本的测量过程是核物理和粒子物理实验中，最基本的测量过程是一、核辐射探测器及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信号n1.1核辐射探测器的要求和特点核辐射探测器的要求和特点 核核电电子子学学所所研研究究的的是是如如何何处处理理和和分分析析核核辐辐射射探探测测器器给给出出的的信信号号。通通常常核核辐辐射射探探测测器器的的输输出出信信号号是是一一系系列列幅幅度度大大小小不不一一

3、、波波形形不不尽尽一一致致、前前后后间间隔隔疏疏密密不不匀匀出出现现的的时时间间随机分布随机分布的的电荷或电流脉冲电荷或电流脉冲。由脉冲及相关参数所得到的信息由脉冲及相关参数所得到的信息脉冲所携带的电荷量（脉冲所携带的电荷量（入射粒子能量；能谱入射粒子能量；能谱）脉冲出现的准确时刻（脉冲出现的准确时刻（粒子入射的准确时刻；时间谱粒子入射的准确时刻；时间谱）单位时间内的脉冲数（单位时间内的脉冲数（入射粒子数；强度、剂量入射粒子数；强度、剂量）脉冲的形状（脉冲的形状（入射粒子类型入射粒子类型）一、核辐射探测器及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信号n1.1核辐射探测器的要求和特点核辐射探测器的要求

4、和特点 核核辐辐射射测测量量中中，最最基基本本的的特特点点是是它它的的统统计计性性，因因为为在在核核辐辐射射探探测测器器中中，射射线线与与物物质质相相互互作作用用的的过过程程是是随随机机的的，且且核核衰衰变变过过程程也也是是也也是是以以一一定定的的概概率率性性来来表表现现的的；所所以以，必必须须对对大大量量事事物物的的统统计计规规律律作作出出相相应的处理和分析。应的处理和分析。核电子学信号的特点核电子学信号的特点随机性随机性（时间、幅度时间、幅度）信号弱，但跨度大信号弱，但跨度大（V几十伏）几十伏）速度快速度快一、核辐射探测器及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信号n1.2核辐射探测器的主要类

5、别和输出信号核辐射探测器的主要类别和输出信号核辐射探测器的分类核辐射探测器的分类 给出信号（电信号与非电信号）给出信号（电信号与非电信号）电信号：电信号：气气体体探探测测器器（气气体体电电离离室室，正正比比计计数数器器，G-M管等）管等）半导体探测器（半导体探测器（P-N结、结、PIN结、高纯锗等）结、高纯锗等）闪烁体探测器（闪烁体探测器（=闪烁体闪烁体+光电倍增管）光电倍增管）一、核辐射探测器及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信号n1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号核辐射探测器的主要类别和输出信号 (1)核核辐辐射射探探测测器器实实质质上上就就是是一一个个能能量量-电电荷荷转转换换器器

6、，用于把抽象的核辐射信息转换成具体的用于把抽象的核辐射信息转换成具体的电信号电信号；(2)对对核核辐辐射射信信息息的的处处理理实实际际上上就就是是对对探探测测器器输输出出信信号号的的处处理理，从从探探测测器器输输出出信信号号中中提提取取出出核核辐辐射射信信息息，并并转换成相应的转换成相应的物理量物理量；(3)核辐射探测器通常可以看成是一个核辐射探测器通常可以看成是一个电流源电流源；(4)不不同同的的探探测测器器，其其能能量量-电电荷荷转转换换过过程程及及持持续续时时间间是是不不同同的的，输输出出信信号号各各有有其其特特点点，需需采采用用不不同同的的处处理理方法或手段。方法或手段。一、核辐射探测

7、器及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信号n1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号核辐射探测器的主要类别和输出信号气体探测器气体探测器 入入射射粒粒子子在在电电离离室室中中引引起起电电离离，电电子子、离离子子漂漂移移形形成成电电流流；当当外外加加电电压压升升高高时时，探探测测器器工工作作于于正正比比区区，就就成成为为正正比比计计数数器器；当当气气体体放放大大倍倍数数随随电电压压急急剧剧上上升升，电电子子雪雪崩崩持持续续发发展成展成自激放电自激放电，则成为，则成为G-M计数器。计数器。总电子总电子-离子对数：离子对数：相应电荷量：相应电荷量：一、核辐射探测器及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信

8、号n1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号核辐射探测器的主要类别和输出信号气体探测器气体探测器电流信号电流信号i(t)的时间持续过的时间持续过程，主要与电子和离子的程，主要与电子和离子的漂移速度有关。通常，在漂移速度有关。通常，在电离室中电子漂移速度较电离室中电子漂移速度较快，约快，约微秒微秒量级，而离子量级，而离子漂移速度慢得多，约漂移速度慢得多，约毫秒毫秒量级。量级。一、核辐射探测器及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信号n1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号核辐射探测器的主要类别和输出信号半导体探测器半导体探测器 常常用用的的半半导导体体探探测测器器包包括括金金硅硅面面垒垒探探测测器器

9、、Ge(Li)和和Si(Li)探探测测器器、高高纯纯锗锗探探测测器器等等，它它们们都都是是以以半半导导体体材材料料为探测介质，具有为探测介质，具有能量分辨率高能量分辨率高，线性范围宽线性范围宽等优点。等优点。等等效效电电路路一、核辐射探测器及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信号n1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号核辐射探测器的主要类别和输出信号闪烁体探测器闪烁体探测器 当当射射线线入入射射到到闪闪烁烁晶晶体体时时，先先使使闪闪烁烁体体中中的的分分子子或或原原子子激激发发，然然后后退退激激时时发发出出荧荧光光，此此光光脉脉冲冲射射到到光光电电倍倍增增管管的的光光阴阴极极上上转转换换成成光光

10、电电子子，通通过过管管内内逐逐级级倍倍增增，最最后后在在阳阳极极上上收集成为电流脉冲收集成为电流脉冲i(t)。输出电流输出电流i(t)与闪烁体的与闪烁体的发光效率、光阴极的灵发光效率、光阴极的灵敏度及光电倍增管的倍敏度及光电倍增管的倍增系数有关。增系数有关。一、核辐射探测器及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信号n1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号核辐射探测器的主要类别和输出信号 对三种主要探测器的分析可得出如下结论：对三种主要探测器的分析可得出如下结论：(1)核核辐辐射射探探测测器器都都能能产产生生相相应应的的输输出出电电流流i(t)，在在电电路分析时，可把它等效为路分析时，可把它等效为

11、电流源电流源；(2)该该输输出出电电流流i(t)具具有有一一定定形形状状，具具有有一一定定时时间间特特性性，所以可用于，所以可用于时间分析时间分析；(3)如如在在输输出出电电容容上上取取积积分分电电压压信信号号Vc(t)，则则Vc(t)正正比于比于E，可做，可做射线能量测量射线能量测量。一、核辐射探测器及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信号n1.3核辐射探测器的基本性能核辐射探测器的基本性能探测效率探测效率 探探测测器器测测到到的的粒粒子子数数与与此此时时实实际际入入射射到到探探测测器器中中的的该该种种粒子总数的比值。粒子总数的比值。输出幅度大小输出幅度大小气体探测器气体探测器电离室电离室3

12、1044.810-4正比计数器正比计数器1070.16半导体探测器半导体探测器锗锗(77k)31054.810-3硅硅(室温室温)3105闪烁体探测器闪烁体探测器NaI(Tl)闪烁体闪烁体1081.6电荷数V/(MeV)一、核辐射探测器及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信号n1.3核辐射探测器的基本性能核辐射探测器的基本性能分辨率分辨率 探探测测器器实实际际分分辨辨核核信信息息的的能能力力，主主要要有有能能量量分分辨辨率率、时时间间分辨率分辨率、空间分辨率空间分辨率。为为了了区区分分不不同同N0值值的的相相对对能能量量分分辨辨率率，常常定定义义探探测测器器固固有有能能量量分辨率为：分辨率为：

13、一、核辐射探测器及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信号n1.3核辐射探测器的基本性能核辐射探测器的基本性能线性响应线性响应 在一定范围内探测器所给出的信息，与入射粒子相应的在一定范围内探测器所给出的信息，与入射粒子相应的物理量是否成线性的标志。物理量是否成线性的标志。稳定性稳定性 通通常常，温温度度和和电电源源的的变变化化会会引引起起探探测测器器性性能能的的不不稳稳定定；因因此此，探探测测器器对对工工作作环环境境温温度度和和高高压压电电源源供供电电电电压压的的稳定性有一定要求。稳定性有一定要求。另另外外，衡衡量量探探测测器器性性能能还还有有抗抗辐辐射射损损伤伤，粒粒子子鉴鉴别别能能力力等。等

14、。一、核辐射探测器及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信号n1.4核辐射探测器的输出电路核辐射探测器的输出电路 核核辐辐射射探探测测器器可可以以看看成成为为一一个个电电流流信信号号源源 i(t)，在在作作时时间间测测量量时时，由由于于要要求求保保持持时时间间信信息息，可可以以直直接接利利用用这这种种电电流流源源的的时时间间特特性性。在在作作能能谱谱分分析析时时，因因为为与与能能量量成成正正比比的的量量是是探探测测器器收收集集的的电电荷荷或或电电荷荷在在电电容容上上的的积积分分电电压压，所所以以要要求求探探测测器器输输出出电电荷荷或或电电压压信信号号。如如果果既既要要作作时时间间测测量量，又又要

15、要作作能能量量测测量量，则则应应要要求求探探测测器器既既输输出出电电流流信信号号又又输输出出电荷信号。电荷信号。一、核辐射探测器及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信号n1.4核辐射探测器的输出电路核辐射探测器的输出电路脉冲电离室脉冲电离室 一、核辐射探测器及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信号n1.4核辐射探测器的输出电路核辐射探测器的输出电路脉冲电离室脉冲电离室脉脉冲冲电电离离室室输输出出波波形形一、核辐射探测器及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信号n1.4核辐射探测器的输出电路核辐射探测器的输出电路半导体探测器半导体探测器一、核辐射探测器及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信号n1.

16、4核辐射探测器的输出电路核辐射探测器的输出电路闪烁探测器闪烁探测器闪烁探测器输出电流和电压分别为：闪烁探测器输出电流和电压分别为：i(t)A一、核辐射探测器及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信号n1.4核辐射探测器的输出电路核辐射探测器的输出电路闪烁探测器闪烁探测器Ci不不变变，输输出出电电压压随随Ri的变化的变化。一、核辐射探测器及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信号n1.4核辐射探测器的输出电路核辐射探测器的输出电路闪烁探测器闪烁探测器Ri不不变变，输输出出电电压压随随Ci的的变变化。化。一、核辐射探测器及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信号n1.4核辐射探测器的输出电路核辐射探测器

17、的输出电路闪烁探测器闪烁探测器接射接射极输极输出器出器的闪的闪烁体烁体探测探测器器一、核辐射探测器及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信号n1.4核辐射探测器的输出电路核辐射探测器的输出电路闪烁探测器闪烁探测器作作时时间间信信息息测测量量时时的的电电路路一、核辐射探测器及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信号n1.5核辐射探测器输出信号的数学模拟核辐射探测器输出信号的数学模拟 各各类类核核辐辐射射探探测测器器通通过过后后接接输输出出电电路路，将将被被测测量量的的核核辐辐射射信信息息转转换换成成具具有有一一定定特特性性形形状状的的波波形形。当当信信号号延延迟迟时时间间与与输输出出电电路路时时间间

18、常常数数相相比比小小得得多多时时，可可以以认认为为核核辐辐射射探探测测器器信信号号主主要要以以脉脉冲冲形形式式出出现现，探探测测到到的的单单个个或或一一群群粒粒子子转转化化成成单单个个或或一一系系列列电电脉脉冲冲，而而且且，当当电电荷荷收收集集时时间间较较短短时时，可可以认为是一种持续时间极短的以认为是一种持续时间极短的电流冲击脉冲电流冲击脉冲。一、核辐射探测器及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信号n1.5核辐射探测器输出信号的数学模拟核辐射探测器输出信号的数学模拟在在数数学学上上，引引入入单单位位冲冲击击函函数数，则则电电流流脉脉冲冲可可用冲激脉冲来模拟。用冲激脉冲来模拟。一、核辐射探测器

19、及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信号n1.5核辐射探测器输出信号的数学模拟核辐射探测器输出信号的数学模拟 核核信信号号的的统统计计性性决决定定了了处处理理问问题题的的特特殊殊性性。上上述述表表达达式式作作为为核核电电子子学学电电路路的的输输入入信信号号，它它为为后后续续电路对信号的处理和研究提供了数学模拟。电路对信号的处理和研究提供了数学模拟。冲击函数和冲击脉冲系列冲击函数和冲击脉冲系列二、核电子学中的噪声二、核电子学中的噪声n2.1噪声对核测量的影响噪声对核测量的影响 当当实实际际获获取取核核辐辐射射探探测测器器输输出出的的能能量量或或时时间间信信息息时时，不不可可避避免免会会遇遇到到探

20、探测测器器和和核核电电子子学学本本身身所所固固有有的的噪噪声声。这这种种噪噪声声叠叠加加，混混杂杂到到信信号号上上，将将使使核核辐辐射射测测量量系系统统的的能能量量或或时时间间分分辨辨能能力力受受到到影影响响。因因此此，要要精精确确分分析析核核探探测测器器信信号号，噪噪声声是是提提高高测测量精度的量精度的严重障碍严重障碍。二、核电子学中的噪声二、核电子学中的噪声n2.1噪声对核测量的影响噪声对核测量的影响噪声与干扰噪声与干扰干扰：主要是指空间电磁波感应，工频交流电网干扰：主要是指空间电磁波感应，工频交流电网 的干扰，以及电源纹波干扰等外界因素。的干扰，以及电源纹波干扰等外界因素。（可在电路和工

21、艺上予以减小或消除可在电路和工艺上予以减小或消除）噪声：是由所采用的元器件本身产生的。噪声：是由所采用的元器件本身产生的。（可以设法减小但无法消除可以设法减小但无法消除）二、核电子学中的噪声二、核电子学中的噪声n2.1噪声对核测量的影响噪声对核测量的影响噪声的衡量噪声的衡量 通通常常，噪噪声声电电流流式式电电压压的的时时间间平平均均值值等等于于零零。但但是是只只要要有有噪噪声声存存在在，其其平平均均功功率率肯肯定定不不为为零零。所所以以采采用均方值作为噪声大小的衡量尺度。用均方值作为噪声大小的衡量尺度。由由于于噪噪声声是是随随机机地地重重迭迭在在信信号号电电压压上上，它它会会使使原原来来代代表

22、表单单一一能能量量的的信信号号幅幅度度在在平平均均值值上上下下作作统统计计起起伏伏。所以常用所以常用信噪比信噪比来衡量噪声对测量精度的影响。来衡量噪声对测量精度的影响。二、核电子学中的噪声二、核电子学中的噪声n2.1噪声对核测量的影响噪声对核测量的影响噪声的衡量噪声的衡量信噪比信噪比：二、核电子学中的噪声二、核电子学中的噪声n2.1噪声对核测量的影响噪声对核测量的影响等效噪声电压（等效噪声电压（ENV）考考虑虑到到系系统统的的输输出出电电压压实实际际上上反反应应了了输输入入端端所所测测的的物物理理量量，所所以以一一般般噪噪声声的的衡衡量量也也应应由由输输出出端端折折算算到到输输入入端端，便便于

23、于与与输输入入端端所所测测的的物物理理量量作比较。作比较。等效噪声电压：等效噪声电压：二、核电子学中的噪声二、核电子学中的噪声n2.1噪声对核测量的影响噪声对核测量的影响等效噪声电荷（等效噪声电荷（ENC）为为了了判判断断核核谱谱测测量量系系统统对对电电荷荷量量、能能量量的的分分辨辨程程度度，也也可可将将系系统统的的输输出出端端噪噪声声折折算算到到输输入入端端，给给出出噪噪声声所所对对应应的的等等效效噪噪声声电电荷荷或或等等效效噪噪声声能能量量。等效噪声电荷：等效噪声电荷：二、核电子学中的噪声二、核电子学中的噪声n2.1噪声对核测量的影响噪声对核测量的影响等效噪声能量（等效噪声能量（ENE）由

24、由于于单单位位电电荷荷为为e，可可以以算算出出输输入入端端等等效效的的电电子子-离子对数离子对数(ENN)。如如果果探探测测器器固固有有的的能能量量分分辨辨率率半半高高宽宽为为(FWHM)DE，则则由于噪声叠加，系统的能量分辨率变坏。由于噪声叠加，系统的能量分辨率变坏。等效噪声能量：等效噪声能量：二、核电子学中的噪声二、核电子学中的噪声n2.2噪声的分类与噪声源噪声的分类与噪声源 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：散粒噪声散粒噪声（探测器漏电流的噪声、场效应管栅极探测器漏电流的噪声、场效应管栅极漏电流噪声漏电流噪声）热噪声热噪声（场效应管的沟道热噪声、电阻原件的热场效应管

25、的沟道热噪声、电阻原件的热噪声噪声）低频噪声低频噪声（场效应管闪烁噪声场效应管闪烁噪声）二、核电子学中的噪声二、核电子学中的噪声n2.2噪声的分类与噪声源噪声的分类与噪声源散粒噪声散粒噪声 在在电电子子器器件件或或半半导导体体探探测测器器中中，由由于于载载流流子子产产生生和和消消失失的的随随机机涨涨落落，形形成成通通过过器器件件的的电电流流瞬瞬时时波波动。动。二、核电子学中的噪声二、核电子学中的噪声n2.2噪声的分类与噪声源噪声的分类与噪声源散粒噪声散粒噪声 从从频频域域分分析析可可知知，在在任任一一段段频频率率内内，这这种种散散粒粒噪噪声电流的均方值为：声电流的均方值为：具具体体到到半半导导

26、体体探探测测器器和和放放大大器器中中，在在半半导导体体内内主主要要是是由由于于反反向向电电流流的的涨涨落落引引起起的的散散粒粒噪噪声声；而而放放大大器器则则主主要要是是由由于于场场效效应应管管栅栅极极和和栅栅极极绝绝缘缘材料的漏电，造成材料的漏电，造成栅极漏电流栅极漏电流的涨落。的涨落。二、核电子学中的噪声二、核电子学中的噪声n2.2噪声的分类与噪声源噪声的分类与噪声源热噪声热噪声 由由导导体体或或电电阻阻中中载载流流子子的的热热运运动动，使使电电路路中中的的电电流流产产生生涨涨落落造造成成。（与与电电路路的的外外加加电电压压和和平平均电流无关，主要与温度有关均电流无关，主要与温度有关）二、核

27、电子学中的噪声n2.2噪声的分类与噪声源噪声的分类与噪声源热噪声热噪声 一般，在任一段频率内，这种热噪声电流的平均一般，在任一段频率内，这种热噪声电流的平均值可表示为：值可表示为：热热噪噪声声不不仅仅存存在在于于电电阻阻元元件件中中，同同样样，也也存存在在与与场场效效应应管管导电沟道中。导电沟道中。二、核电子学中的噪声二、核电子学中的噪声n2.2噪声的分类与噪声源噪声的分类与噪声源低频噪声低频噪声 在在合合成成炭炭质质电电阻阻和和晶晶体体管管，场场效效应应管管中中，还还存存在在一一种种随随频频率率降降低低而而增增大大的的低低频频噪噪声声。它它的的噪噪声声电压均方值为：电压均方值为：场场效效应应管管也也有有低低频频噪噪声声，它它和和材材料料的的表表面面特特性性以以及及沟沟道道中中空空间间电电荷荷区区的的陷陷阱阱等等因因素素有有关关，其其等等效电路如图所示。效电路如图所示。总结总结n一、核辐射探测器及其输出信号一、核辐射探测器及其输出信号（要求和特点要求和特点、类别和输出信号类别和输出信号、基本性基本性能能、输出电路输出电路、输出信号的数学模拟输出信号的数学模拟）n二、核电子学中的噪声二、核电子学中的噪声（噪声的影响噪声的影响、分类和噪声源分类和噪声源）