第1章++核电子学系统中的信号与噪声(精品).ppt

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1、第一章第一章核电子学系统中的信号与噪声核电子学系统中的信号与噪声1.核辐射探测器及其输出信号核辐射探测器及其输出信号!2.核电子学中的噪声核电子学中的噪声3核电子学中的信号与噪声分析基础核电子学中的信号与噪声分析基础!4核电子学测量系统概述核电子学测量系统概述 核辐射探测器输出信号特点，核电子学中的信号噪声分析基础。(1)(1)掌握核辐射探测器输出信号的特点。掌握核辐射探测器输出信号的特点。(2)(2)熟练掌握核电子学系统中的信号和噪声分析基础。熟练掌握核电子学系统中的信号和噪声分析基础。(3)(3)了解：核电子学测量系统的组成。了解：核电子学测量系统的组成。第一章第一章核电子学系统中的信号与

2、噪声核电子学系统中的信号与噪声1.核辐射探测器及其输出信号核辐射探测器及其输出信号一一.核辐射探测器的要求和特点核辐射探测器的要求和特点探测器输出信号为随机脉冲（时间特性、幅度分布探测器输出信号为随机脉冲（时间特性、幅度分布的非周期性或非等值性）。的非周期性或非等值性）。由于信号统计性，要求核电子学用独特方法处理由于信号统计性，要求核电子学用独特方法处理和研究。和研究。脉冲参数：电荷量、出现时刻、单位时间脉冲数、脉冲参数：电荷量、出现时刻、单位时间脉冲数、脉冲形状（上升时间）脉冲形状（上升时间）核信息：能量（能损），粒子入射时间、强度、核信息：能量（能损），粒子入射时间、强度、粒子类型（粒子类

3、型（.n.p.d）二探测器类别和输出信号二探测器类别和输出信号1气体探测器：电离室、正比计数器、气体探测器：电离室、正比计数器、G-M计数器计数器图图1.1.1(a)工作原理工作原理.(b)等效电路等效电路(c)简化电路简化电路产生电子产生电子-离子对数：离子对数：F-法诺因子法诺因子A-气体放大倍数气体放大倍数-平均电离能量（产生对平均电离能量（产生对电子、离子对所需平均能量电子、离子对所需平均能量2040ev)Q=Nee-1.6*10-19c形成感应电流形成感应电流i(t)=Q(t)/t(与位置与位置漂移速度有关漂移速度有关)通过电容器积分得电压通过电容器积分得电压2.半导体探测器：半导体

4、探测器：HPGe、Si（Li）工作原理：固体电离室工作原理：固体电离室(Ge)=2.96eV(Si)=3.61eV图图1.1.33.闪烁探测器闪烁探测器闪烁体分子或原子激发闪烁体分子或原子激发,退激发荧光，经光电信号增量退激发荧光，经光电信号增量成光电子并倍增。成光电子并倍增。输出电流输出电流i(t)=(Q/0)e-t/0Q-阳极收集总电荷阳极收集总电荷0-光脉冲衰减时间光脉冲衰减时间图图1.1.4三三.性能（指标）性能（指标）探测效率、输出幅度、分辨率、线性响应、稳定性探测效率、输出幅度、分辨率、线性响应、稳定性表表1.1表表1.2表表1.3表表1.4四四.输出电路（探测器输出电路（探测器本

5、身输出部分和放大本身输出部分和放大器输入部分）器输入部分）!1.脉冲电离室脉冲电离室图图1.1.6(a)、(b)、(c)、(d)、(e)R=RL/RiC=CO+Cs+CiRCT+Vm=Ne/C2半导体探测器半导体探测器图图1.1.7(a)、(b)、(c)RD偏置电阻偏置电阻Rd灵敏区电阻灵敏区电阻R、C非灵敏区电阻电容非灵敏区电阻电容Ri、Ci输入、输入、Cs分布电容、分布电容、Cc隔直电容隔直电容3.闪烁探测器闪烁探测器图图1.1.8(a)、(b)、(c)、(d)、(e)R=Ra/Ri,C=Co+Cs+Ci阳极输出电流阳极输出电流ia(t)=Q/0e-t/0电压电压vo(t)=(Q/C)RC

6、/(0RC)e-t/a-e-t/RCVam=(Q/C)(RC/0)1/(1-RC/0)Ra:104105五五.输出信号的数学模式输出信号的数学模式单位冲击函数单位冲击函数(t-t0)=lim1/t0tt0+00t电流冲击脉冲电流冲击脉冲i(t)=Q*(t-t0)冲击序列冲击序列I（t）=图图1.1.9图图1.1.10习题（习题（P29P29）:1.1 1.4 :1.1 1.4 CH.12.核电子学中的噪声核电子学中的噪声一一.噪声噪声干扰和噪声干扰和噪声均方值均方值信噪化信噪化=Vo/Vno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)等效噪声电荷数等效噪声电荷数(ENN

7、)等效噪声射线能量等效噪声射线能量(ENE)分辨展宽分辨展宽噪声半高全宽噪声半高全宽(FWHM)NE=2.36（ENE）探测器固有能量分辨半高全宽探测器固有能量分辨半高全宽(FWHM)DE二噪声分类二噪声分类1散粒噪声（载流子产生、消失随机涨落）散粒噪声（载流子产生、消失随机涨落）散粒噪声电流的均方值散粒噪声电流的均方值(平均电流，平均电流，e，频段），频段）例如：探测器漏电的噪声，场效应管栅极漏电流的噪声例如：探测器漏电的噪声，场效应管栅极漏电流的噪声2热噪声（载流热运动，使电流产生涨落）（主要与热噪声（载流热运动，使电流产生涨落）（主要与温度有关）温度有关）热噪声电流均方值热噪声电流均方值

8、(玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数,绝对温度绝对温度,导体相应阻值导体相应阻值,频段频段)例如：场效应管的沟道热噪声，电阻的热噪声例如：场效应管的沟道热噪声，电阻的热噪声3低频噪声（一种随效率降低而增大的噪声）低频噪声（一种随效率降低而增大的噪声）低频噪声电压均方值低频噪声电压均方值(系数系数,频率频率)例如：场效应管栅极噪声，电阻例如：场效应管栅极噪声，电阻习题（习题（P29P29）:1.6 1.7 :1.6 1.7 CH.13核电子学中的信号与噪声分析基础核电子学中的信号与噪声分析基础!一时域和频域分析一时域和频域分析网络网络(电路或系统电路或系统)分分线性网络（描述方程为线性微分线性网络（描述方

9、程为线性微分方程方程)、非线性网络（数学分析方法处理）。、非线性网络（数学分析方法处理）。图图1.3.1核脉冲通过线性网络核脉冲通过线性网络冲击响应冲击响应h(t)：一个单位冲击信号：一个单位冲击信号（t）加到一个线）加到一个线性网络上，得到的输出性网络上，得到的输出h(t)。（时域特征）。（时域特征）频率响应频率响应H（w）：在域频中，由傅立叶变换，得：在域频中，由傅立叶变换，得(t)1(即即()=1为为（t）的频谱）的频谱)。h(t)H()(即即H（）为输出信号）为输出信号h（t）的频谱）的频谱)。（频域特性）。（频域特性）H(w)=H(w)ej|W|冲击响应冲击响应h(t)和频率响应和频

10、率响应H(w)组成傅立叶变换对即组成傅立叶变换对即h(t)H(w)等效拉普拉斯方程变换等效拉普拉斯方程变换h(t)H(s)H(s):线性网络的传输函数线性网络的传输函数(传递函数传递函数)s=+j对于一般情况：对于一般情况：G(s)=F(s).H(s)G(s)g(t)g(t)=f(t)*h(t)(*卷积卷积)图图1.3.3表表1.5二核电子学中常见的基本电路分析二核电子学中常见的基本电路分析.探测器输出电路探测器输出电路冲击响应冲击响应(t)=h(t)=频率响应频率响应H()=R/(1+jRC)振幅频谱振幅频谱 H()=R/相位角相位角（）=-arctg(RC)=-tg-1(RC)图图1.3.

11、4讨论讨论RCH()积分电路（低通滤波器）积分电路（低通滤波器）冲击响应冲击响应h(t)=频率响应频率响应H()=1/(1+jRC)即即|H()|=()=-tg-1(RC)微分电路（高通微分电路（高通滤波器）滤波器）H()=jRC/(1+jRC)|H()|=()=tg-11/(RC)图图1.3.6短路延迟线短路延迟线h(t)=1/2(t)-1/2(t-d)H()=|H()|=|sin|图图1.3.7三、核随机信号通过线性网络三、核随机信号通过线性网络.核电子学中的随机信号及表现形式核电子学中的随机信号及表现形式图图1.3.8（）噪声信号（）噪声信号概率密度函数（概率密度函数（v）=:噪声电压平

12、均值噪声电压平均值:均方偏差均方偏差噪声电压平均值噪声电压平均值=lim1/T-T/2T/2v(t)dt T均方值均方值=lim1/T-T/2T/2v2(t)dtT自相关函数自相关函数R(,t)=lim1/T-T/2T/2vk(t)vk(t+)dtT平均功率平均功率s():功率谱密度函数功率谱密度函数(W/HZ)白噪声白噪声:S()=R()=.(t)（）核辐射随机信号（）核辐射随机信号I（t）=R()=(图图1.3.12)2.核随机信号通过线性网络核随机信号通过线性网络V0()=H()Vi()S0()=|H()|2Si()R0()=Rh()*Ri()3实例实例(1)白噪声通过白噪声通过RC电路

13、电路 Si()=;R()=.(t)图图1.3.14(2)白噪声通过白噪声通过CR电路电路图图1.3.15习题（习题（P30P30）:1.9 1.10 1.12:1.9 1.10 1.12RETURNCH.14核电子学测量系统概述核电子学测量系统概述一一 基本组成基本组成图图1.4.1,图图1.4.2图图1.4.2二二 核电子学常用的信号处理系统核电子学常用的信号处理系统 前置放大器前置放大器初步放大（以降低输出信号在传递过程中受噪声和干扰影初步放大（以降低输出信号在传递过程中受噪声和干扰影响）响）主放大器主放大器放大（便于测量，信号成形），有其他功能（滤波形式，放大（便于测量，信号成形），有其

14、他功能（滤波形式，基线恢复，堆积拒绝等）基线恢复，堆积拒绝等）甄别（幅度，时间）甄别（幅度，时间）模数变换模数变换模数变换模数变换(幅度数字变换，时间数字变换幅度数字变换，时间数字变换)数据获取分析，处理数据获取分析，处理计数分类统计，谱数据得到（计算机应用）计数分类统计，谱数据得到（计算机应用）三三 处理单元插件标准化处理单元插件标准化NIM标准标准:1英寸宽英寸宽;12单位宽度单位宽度(34.4mm);42芯插件芯插件;电源标准电源标准(6V12V24V);适用于模拟信号处理及模数变换和适用于模拟信号处理及模数变换和计数电路。计数电路。NIM标准机柜、机箱及插件标准机柜、机箱及插件CAMA

15、C标准：机械和供电同标准：机械和供电同NIM;一半宽且更深一半宽且更深;信息传信息传输方式输方式;信号传送硬件与软件信号传送硬件与软件;适用于数据收集和处理系统。适用于数据收集和处理系统。快总线（快总线（TASTBUS）附录：常用的几项附录：常用的几项NIM标准标准CH.1标准化系标准化系列名称列名称确定年代确定年代机械机机械机构标准构标准供电供电标准标准信号信号标准标准数据传数据传输标准输标准软件软件标准标准主要使用器件主要使用器件特特点点标准机架标准机架1950机架机箱机架机箱电子管电子管NIM19641974机箱插件机箱插件已定已定已定已定晶体管小规晶体管小规模集成电路模集成电路插件化通

16、用化插件化通用化CAMAC19691975机箱插件机箱插件已定已定已定已定已定已定有有各种集成电路各种集成电路与计算机与计算机接口配合接口配合快总线系统快总线系统Fast19751979ECL组件组件比比CAMAC快快几种核子仪器标准几种核子仪器标准NIM标准机箱及插件标准机箱及插件NIM插件插件NIM标准机柜标准机柜RETURN 第二章第二章 前置放大器前置放大器 内容提要内容提要1.1.概述概述 一一.前置放大器的作用前置放大器的作用 二二.前放的分类前放的分类(按与配的探测器分类略按与配的探测器分类略)2.2.电荷灵敏前放电荷灵敏前放 一一.主要特征主要特征 二二.电荷灵敏前放基本电路和

17、实例分析电荷灵敏前放基本电路和实例分析 三三.电荷灵敏前放噪声分析和抑制措施电荷灵敏前放噪声分析和抑制措施 四四.电荷灵敏前放的改进（略）电荷灵敏前放的改进（略）五五.电荷灵敏前放噪声的实验测量电荷灵敏前放噪声的实验测量3.3.电压电压(灵敏灵敏)前置放大器前置放大器4.4.电流（灵敏）前置放大器（快前置放大器）电流（灵敏）前置放大器（快前置放大器）Q=Nei(t)=Q(t)/tRETURNP1-1-3RETURNP1-1-4i(t)=(Q/0)e-t/0RETURNRETURNRETURNP1-3-3RETURNRETURN表表1.5 1.5 常用脉冲信号的傅氏变换和拉氏变换常用脉冲信号的傅

18、氏变换和拉氏变换 信号名称信号名称信号波形信号波形傅氏变换傅氏变换F(j)拉氏变换拉氏变换F(S)单位阶跃脉冲冲击脉冲11 单位矩形脉冲单位指数下降脉冲单位指数上升脉冲0t0t0t0t0t11(t)(t)f(t)1Tts11e-1-e-附录一附录一 常用拉普拉斯变换表常用拉普拉斯变换表 序号序号f(t)(t00)F(s)1(t)121345678910111213sinat14cosat151617上述拉普拉斯变换由公式（2.2.1）和（2.2.2）确定，时间函数f(t)的定义域t0。信号分析中通常t0时f(t)0，表中的f(t)要乘以单位 阶跃函数u(t)。表中仅列出基本的和本书用到的拉氏变换对。表中a、b、c是常数，m为零或正整数。P1.3.8RETURNP1.3.12RETURN