时间分析方法概述dojl.pptx

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1、第五章第五章时间分析时间分析1概概述述2定时方法定时方法3符合符合4时间量变换方法时间量变换方法5脉冲波形甄别脉冲波形甄别u核激发态寿命测量；核激发态寿命测量；u正电子湮没寿命测量；正电子湮没寿命测量；u正电子发射断层扫描；正电子发射断层扫描；u高能粒子径迹探测；高能粒子径迹探测；u粒子鉴别；粒子鉴别；u符合技术与反符合技术；符合技术与反符合技术；u中子飞行时间望远镜测量法；中子飞行时间望远镜测量法；1.概概 述述一、时间信息分析所要解决的基本问题一、时间信息分析所要解决的基本问题二、时间信号的检出二、时间信号的检出一、时间信息分析所要解决的基本问题一、时间信息分析所要解决的基本问题1、时间间

2、隔甄别、时间间隔甄别时间间隔甄别应用实例时间间隔甄别应用实例时间间隔甄别器的基本功能时间间隔甄别器的基本功能2、时间间隔测量、时间间隔测量时间间隔测量应用实例时间间隔测量应用实例时间分析器的基本功能时间分析器的基本功能时间间隔甄别应用实例时间间隔甄别应用实例电子正电子对撞实验中，产生电子正电子对撞实验中，产生+和和-的事例的事例探测器探测器D1和探测器和探测器D2相距有几十米以相距有几十米以上，对称排布，用来测定上，对称排布，用来测定 子。子。因为因为+和和-的动量相等，且对面碰撞，的动量相等，且对面碰撞，根据动量守恒定律，和飞行方向相反，根据动量守恒定律，和飞行方向相反，飞行速度近似相同，从

3、对撞点飞出，应飞行速度近似相同，从对撞点飞出，应几乎同时分别击中几乎同时分别击中D1和和D2。随着击中随着击中D1和和D2位置不同信号位置不同信号S1和和S2产生时刻发生差别，如果最大时差值为产生时刻发生差别，如果最大时差值为5ns，那么，那么S1和和S2时间间隔小于时间间隔小于5ns的事例应该是的事例应该是+和和-事例的事例的的一个的一个“候选候选”条件，这样可以排斥掉很多本底事件。例如宇宙射线穿过探测器系统条件，这样可以排斥掉很多本底事件。例如宇宙射线穿过探测器系统，D1和和D2是先后被击中，是先后被击中，S1和和S2的时间间隔将会大于的时间间隔将会大于5ns，不满足此，不满足此“候选候选

4、”条件，条件，应该被排斥掉应该被排斥掉。需要用一个时间间隔甄别器来作为事例的选择需要用一个时间间隔甄别器来作为事例的选择。时间间隔甄别器的基本功能时间间隔甄别器的基本功能lN个信号加入它的输入端为个信号加入它的输入端为u1,u2.ui.uN-1,uN，它们分别在它们分别在ti（i=1,2N）时刻到达甄别器的输时刻到达甄别器的输入端，其中任意一对信号间的时间入端，其中任意一对信号间的时间差都满足：差都满足：-1titj0）在输出端产生逻辑信号输出在输出端产生逻辑信号输出，只要有任意一对信号不满足上述，只要有任意一对信号不满足上述条件，将不产生输出。条件，将不产生输出。经常遇到的情况是处理二个输入

5、信号的符合电路，称为二重符合电路。二个输经常遇到的情况是处理二个输入信号的符合电路，称为二重符合电路。二个输入信号到达的时间分别为入信号到达的时间分别为t1和和t2，若满足，若满足-1t1t20）在输出端产生逻辑信号输出，否则将不产生输出在输出端产生逻辑信号输出，否则将不产生输出。1 2为其分辨时间。为其分辨时间。选择选择 1=2=，则分辨时间为，则分辨时间为2（或称为符合时间窗宽）。（或称为符合时间窗宽）。具有这种功能的电路通常称为符合电路具有这种功能的电路通常称为符合电路，1 2为其分辨时间。（也为其分辨时间。（也就是时间间隔阈值）。就是时间间隔阈值）。时间间隔测量应用实例时间间隔测量应用

6、实例l飞行时间计数器是在高能物理实验中经常用到的探测器系统，飞行时间计数器是在高能物理实验中经常用到的探测器系统，用来测量带电粒子的飞行时间，其主要功能是通过所测量粒子用来测量带电粒子的飞行时间，其主要功能是通过所测量粒子的飞行时间信息，结合其它探测器测得粒子的动量和径迹，从的飞行时间信息，结合其它探测器测得粒子的动量和径迹，从而辨别粒子的种类。而辨别粒子的种类。l测量探测器的信号和测量探测器的信号和e+e-的作用发生时刻之间的时间间隔，的作用发生时刻之间的时间间隔，就可以测量到粒子的飞行时间信息。就可以测量到粒子的飞行时间信息。时间分析器的基本功能时间分析器的基本功能l由时间间隔编码器与数据

7、获取系统组成的时间分析器，用来完成时间间隔由时间间隔编码器与数据获取系统组成的时间分析器，用来完成时间间隔测量。测量。l时间间隔编码电路是时间间隔测量中关键部件，通常称它为时间数字转时间间隔编码电路是时间间隔测量中关键部件，通常称它为时间数字转换器（换器（TDC,TDC,TimetoDigitConversion）。）。l输出端的数码值为输出端的数码值为其中其中T0为为LSB所对应的时间间隔。所对应的时间间隔。lTDC的输出再送到数据获取系统进行数据采集与存储，它的功能与多道幅的输出再送到数据获取系统进行数据采集与存储，它的功能与多道幅度分析器中数据获取系统相同。度分析器中数据获取系统相同。探

8、探测测器器定时电路定时电路时间-数字变换启动启动停止停止输出输出时间信息时间信息参考时间信号参考时间信号放大器放大器定时道的组成定时道的组成l无论是送到符合电路还是送到无论是送到符合电路还是送到TDC的信号，的信号，要求它的出现时刻与粒子击中探测器的时刻要求它的出现时刻与粒子击中探测器的时刻能精确地相对应。事件的产生到信号进入时能精确地相对应。事件的产生到信号进入时间信息分析电路之间，大体上如以下过程所间信息分析电路之间，大体上如以下过程所示：示：核事件产生粒子（核事件产生粒子（t1时刻时刻)探测器被击探测器被击中（中（t2时刻）时刻）探测器信号输出（探测器信号输出（t3时刻出现时刻出现信号）

9、信号）电子学电路信号处理（前放（电子学电路信号处理（前放（t4时刻）时刻）放大、成形（放大、成形（t5时刻）时刻）时检电路检出信号时检电路检出信号（t6时刻）送到时间信号分析电路或符合电路时刻）送到时间信号分析电路或符合电路输入端（输入端（t6时刻出现信号）。时刻出现信号）。时间信号的检出时间信号的检出ttttttt1t2t6t5t4t3t1：核事件发生t2：粒子进入探测器t3：产生的电流脉冲t4：前置放大器输出的电压脉冲t5：主放大器输出的电压脉冲t6：定时甄别器输出的脉冲l在讨论时间信号检出时，从探测器输出的电流信号有以下在讨论时间信号检出时，从探测器输出的电流信号有以下几点需要考虑：几点

10、需要考虑：1.延迟。延迟。t3在在t2之后一定时间之后出现之后一定时间之后出现2.展宽。实际的电流信号不是一个展宽。实际的电流信号不是一个 信号信号3.涨落。涨落。(t3-t2)是一个随机量，而且信号形状也是一个随机量，而且信号形状也会随机变化。会随机变化。l定时电路的功能是使的涨落尽可能小，或者说的晃动很小。定时电路的功能是使的涨落尽可能小，或者说的晃动很小。时间信号的检出时间信号的检出2定时方法定时方法一、产生时间晃动的几个主要因素一、产生时间晃动的几个主要因素二、时间晃动大小的度量二、时间晃动大小的度量三、前沿定时甄别器三、前沿定时甄别器-固定阈值甄别器固定阈值甄别器四、恒比定时甄别器四

11、、恒比定时甄别器（CFD）五、幅度和上升时间补偿定时五、幅度和上升时间补偿定时（ARC）一一产生时间晃动的几个主要因素产生时间晃动的几个主要因素输入到时间信息分析系统的信号出现时间晃动主要输入到时间信息分析系统的信号出现时间晃动主要有以下几个因素：有以下几个因素：1、探测器的固有晃动。、探测器的固有晃动。2、噪声引起时检电路输出的时间晃动。、噪声引起时检电路输出的时间晃动。3、幅度时间游动效应。、幅度时间游动效应。4、上升时间游动效应。、上升时间游动效应。5、超阈延迟、超阈延迟以上几种因素在不同条件下对晃动所起的影响是不以上几种因素在不同条件下对晃动所起的影响是不相同的，因而要具体加以分析，分

12、清主次。着重分相同的，因而要具体加以分析，分清主次。着重分析幅度和上升时间游动效应产生的时间晃动及其解析幅度和上升时间游动效应产生的时间晃动及其解决办法。决办法。探测器的固有晃动探测器的固有晃动不同的探测元件电流信号输出的时间晃动不一样，不同的探测元件电流信号输出的时间晃动不一样，它的产生原因也不相同，大致因为载流子在探测器内运它的产生原因也不相同，大致因为载流子在探测器内运动途径不同造成的动途径不同造成的。例：闪烁体和光电倍加管（例：闪烁体和光电倍加管（PMT）组成的闪烁计数）组成的闪烁计数器，由于粒子击中的位置不同使光传输到器，由于粒子击中的位置不同使光传输到PMT的时间不的时间不同，使得

13、其输出信号的时间发生差异，而击中的位置往同，使得其输出信号的时间发生差异，而击中的位置往往是随机的，因而信号输出的时间产生时间晃动。往是随机的，因而信号输出的时间产生时间晃动。噪声引起时检电路输出的时间晃动噪声引起时检电路输出的时间晃动噪声叠加在信号之上将引起时检电路输出的时间晃动。噪声叠加在信号之上将引起时检电路输出的时间晃动。2vnoVT2T1tTt2vnovVT2T2tTt噪声叠加于信号的影响噪声叠加于信号的影响噪声叠加于阈值的影响噪声叠加于阈值的影响幅度时间游动效应幅度时间游动效应不同幅度经过时检电路之后在输出时间上产生差异不同幅度经过时检电路之后在输出时间上产生差异，探测器输出信号幅

14、度的随机变化造成了时间上晃动，探测器输出信号幅度的随机变化造成了时间上晃动，称为称为幅度时间游动效应。幅度时间游动效应。上升时间游动效应上升时间游动效应l不同上升时间的信号经过时检电路之后会不同上升时间的信号经过时检电路之后会产生在输出信号时间上差异产生在输出信号时间上差异 ，而有些探测，而有些探测元件输出信号上升时间也存在随机变化，元件输出信号上升时间也存在随机变化，这也就带来了时检电路的输出信号在时间这也就带来了时检电路的输出信号在时间上晃动。这称为上晃动。这称为上升时间游动效应上升时间游动效应。超阈延迟超阈延迟l任何触发器都存在超阈延迟。任何触发器都存在超阈延迟。VTVTtL1tL2Vv

15、i(t)tD二二时间晃动大小的度量时间晃动大小的度量l时检电路信号输出与粒子击中探测器之间的时间差时检电路信号输出与粒子击中探测器之间的时间差td=（t0-t0）是随机量，它服从一定的分布规律，是随机量，它服从一定的分布规律，td的概率密度函数为的概率密度函数为 Pd（td），），可以得到各级矩：可以得到各级矩：由此推知由此推知tdtd的随机变化情况，来度量的晃动大小的随机变化情况，来度量的晃动大小。一般可以假设一般可以假设td服从高斯分布，服从高斯分布，和和是关键参量是关键参量作为时间晃动的度量作为时间晃动的度量l二个信号时间间隔及其晃动量二个信号时间间隔及其晃动量时间晃动大小的度量时间晃动

16、大小的度量22时间晃动大小的度量时间晃动大小的度量l时间晃动实验测量时间晃动实验测量在实验上可以用在实验上可以用同一瞬间产生两个粒子的放射源（同一瞬间产生两个粒子的放射源（6060Co 源源，几乎是同时发射几乎是同时发射两个两个 粒子粒子 1 1和和 2）；）；测量计数随测量计数随（即时间间隔）值变化曲线（即时间间隔）值变化曲线 ，图中求得，图中求得 和和半高全宽时间半高全宽时间FWHMtd,时间晃动为时间晃动为三三前沿定时甄别器前沿定时甄别器-固定阈值甄别器固定阈值甄别器1、前沿定时特性分析、前沿定时特性分析2、基本电路结构、基本电路结构触发电路VT输入输入信号信号输出输出信号信号vivov

17、itVTvottL前沿定时特性分析（一）前沿定时特性分析（一）l将输入信号前沿近似看成线性上升，可用下述关系表示：将输入信号前沿近似看成线性上升，可用下述关系表示：输出信号对输入信号的时间延迟可以表示为：输出信号对输入信号的时间延迟可以表示为：其中其中t ti i为输入信号从出现到上升为为输入信号从出现到上升为V VT T所需时所需时间，间，t t 为渡越时间，也就是超阈延迟时间，为渡越时间，也就是超阈延迟时间，假定在快甄别器情况下，假定在快甄别器情况下，t t 很小很小，暂不加以，暂不加以考虑考虑 。在在Vi由由Vi1变为变为Vi2时，时，则则输出信号对输入信号的时间延迟差输出信号对输入信号

18、的时间延迟差 td=(t2-t1)应为：应为：Votd随随Vi变化而发生变化称为变化而发生变化称为幅度时间游动效应幅度时间游动效应。显而可见。显而可见VT和和tm越小，越小，td变变化量就越小，幅度时间游动效应就越小。化量就越小，幅度时间游动效应就越小。当当VimaxVimin,VT=Vimin时：时：Vo若输入信号最大幅度为若输入信号最大幅度为Vimax，最小幅度为，最小幅度为Vimin 则因幅度变化引起的前沿定时误差为：则因幅度变化引起的前沿定时误差为：若达峰时间若达峰时间 t tm m发生变化（也就是上发生变化（也就是上升时间发生变化），延迟时间的变化升时间发生变化），延迟时间的变化为为

19、 ：这称为上升时间游动效应。这称为上升时间游动效应。前沿定时特性分析（二）前沿定时特性分析（二）l同时考虑输入信号的幅度变化和上升时间变化，则同时考虑输入信号的幅度变化和上升时间变化，则前沿定时的时间移动为：前沿定时的时间移动为：前沿定时特性分析（三）前沿定时特性分析（三）VTVTtL1tL2Vvi(t)tD超阈延迟超阈延迟：超阈延迟超阈延迟：触发器输入阻抗触发器输入阻抗：Zi附加电荷：附加电荷：QVMtMVTt2vnoVT2T1tTt2vnov2T2tT噪声叠加于信号的影响噪声叠加于信号的影响噪声叠加于阈值的影响噪声叠加于阈值的影响噪声引起的总定时标噪声引起的总定时标准偏差为：准偏差为：触发

20、比和噪声斜率比触发比和噪声斜率比一般地，兼顾噪声斜率及噪声的误触发，选用：一般地，兼顾噪声斜率及噪声的误触发，选用：噪声斜率比噪声斜率比定时甄别器实例定时甄别器实例慢前沿定时甄别器：由集成电压比较器组成交流慢前沿定时甄别器：由集成电压比较器组成交流耦合施密特甄别电路。耦合施密特甄别电路。性能：当输入信号的幅度从性能：当输入信号的幅度从1.0V1.0V变化到变化到10V10V时，输时，输出信号出信号v vo o(t)(t)的的时移时移小于输入信号小于输入信号上升时间上升时间的的20%20%当输入信号当输入信号上升时间为上升时间为1us，输出信号输出信号v vo o(t)(t)的的时时移移小于小于

21、0.20.2us快前沿定时甄别器：由三个快速差快前沿定时甄别器：由三个快速差分放大级，加正反馈组成甄别器。分放大级，加正反馈组成甄别器。性能：当输入信号的幅度从性能：当输入信号的幅度从0.1V0.1V变化到变化到5V5V时，输入信号时，输入信号上上升时间升时间为为2ns,2ns,输出信号的输出信号的时移时移小于小于0.5ns0.5ns基本电路结构基本电路结构l高速运算放大器（例如高速运算放大器（例如THS3201、OPA847等）等）构成的施密特甄别器；构成的施密特甄别器；l高速比较器（例如高速比较器（例如AD96687）构成的截止式放）构成的截止式放大器型甄别器；大器型甄别器；ll双阈甄别电

22、路。双阈甄别电路。高速比较器高速比较器AD96687AD96687构成的甄别器构成的甄别器双阈甄别电路双阈甄别电路l由于幅度效应，前沿定时会有较大的定时误差。降低甄别阈，由于幅度效应，前沿定时会有较大的定时误差。降低甄别阈，是减少这一误差的重要措施。但甄别阈的减少将会明显引起噪是减少这一误差的重要措施。但甄别阈的减少将会明显引起噪声误触发，为此，设计了双阈甄别电路，采用低阈定时，高阈声误触发，为此，设计了双阈甄别电路，采用低阈定时，高阈选通的方案，既可减少噪声影响，又由于甄别阈的降低，还可选通的方案，既可减少噪声影响，又由于甄别阈的降低，还可减少由于幅度效应引起的时间游动减少由于幅度效应引起的

23、时间游动l甄别器需要有稳定的阈电压。甄别器需要有稳定的阈电压。阈电压的产生程控设置的阈电压的产生程控设置的 DAC DAC 提供。为了减少噪声和外部干扰的影响，得到稳定的阈电压，提供。为了减少噪声和外部干扰的影响，得到稳定的阈电压，对对DACDAC提供的输出电压采取了衰减和有源滤波等有效措施。提供的输出电压采取了衰减和有源滤波等有效措施。过零定时过零定时为了克服前沿定时在输入信号幅度变化为了克服前沿定时在输入信号幅度变化时引起时间移动太大的缺点。时引起时间移动太大的缺点。提出过零定时的基本思路：提出过零定时的基本思路：VoA：信号的幅度：信号的幅度f(t)信号的形状函数信号的形状函数过阈时间过

24、阈时间tT:若要求过阈时间若要求过阈时间tT为常数：为常数：f(t)为阶跃函数为阶跃函数f(t)为任意函数为任意函数过零定时过零定时(CR)2(RC)m成形成形过零点：过零点：(DL)2成形成形过零点：过零点：过零定时电路过零定时电路预置甄别器预置甄别器VT过零甄别器过零甄别器Vi(t)V1(t)V2(t)V3(t)Vo(t)ttttttZtZtZ过零定时电路过零定时电路优点：优点：能消除输入信号幅度变化能消除输入信号幅度变化的时间移动。的时间移动。缺点：缺点：不能消除输入信号上升时不能消除输入信号上升时间变化的时间移动。间变化的时间移动。四四恒比定时甄别器恒比定时甄别器（CFDCFD）恒比定

25、时的基本思路恒比定时的基本思路恒比定时甄别原理恒比定时甄别原理恒比定时甄别器实现恒比定时甄别器实现提出恒比定时的基本思路提出恒比定时的基本思路l前沿定时除了由幅度游动效应引起较大晃动之外，前沿定时除了由幅度游动效应引起较大晃动之外，触发比不恒定也是一个缺点。触发比不恒定也是一个缺点。l探测器的固有时间晃动往往与外电路收集到的电探测器的固有时间晃动往往与外电路收集到的电荷量与总电荷量比值有关，在某一比值时，固有荷量与总电荷量比值有关，在某一比值时，固有时间晃动可达到最小。这一比值就是触发比时间晃动可达到最小。这一比值就是触发比PP=VP=VT T/V/Vi i如果能对每一个信号作到恒定的触发比，

26、就如果能对每一个信号作到恒定的触发比，就可以选择合适的比值，使探测器的固有时间晃动可以选择合适的比值，使探测器的固有时间晃动最小。同时能克服幅度游动效应。最小。同时能克服幅度游动效应。恒比定时甄别原理恒比定时甄别原理用经延迟后的输入信号与经过衰减倒相后信号相加之后产用经延迟后的输入信号与经过衰减倒相后信号相加之后产生一个双极性信号，该信号从负极性变到正极性的过零时生一个双极性信号，该信号从负极性变到正极性的过零时刻与信号幅度无关，在此时刻的信号值与总幅度之比为一刻与信号幅度无关，在此时刻的信号值与总幅度之比为一恒值。恒值。过零甄别器起到在过零甄别器起到在双极性信号的过零时刻双极性信号的过零时刻

27、检出信号检出信号的作用。的作用。用用ui(t)来近似描述输入信号来近似描述输入信号:经过衰减倒相后信号（其中经过衰减倒相后信号（其中P为衰减因子）：为衰减因子）：经延迟后的信号经延迟后的信号恒比定时甄别原理恒比定时甄别原理经过相加电路之后是一个双极性信号：经过相加电路之后是一个双极性信号：从负极性变到正极性的过零时刻从负极性变到正极性的过零时刻：由此可知由此可知(1)过零点与信号幅度无关过零点与信号幅度无关(2)在在tz时刻，时刻，对于任何幅度都一样。对于任何幅度都一样。因此因此tz是一个理想的时刻，既克服了游动效应，又在此时刻的信号值与总幅度之比是一个理想的时刻，既克服了游动效应，又在此时刻

28、的信号值与总幅度之比为一恒值。在这一时刻检出信号可以达到恒比定时的目的。图中过零甄别器为一恒值。在这一时刻检出信号可以达到恒比定时的目的。图中过零甄别器ZCD起起到在时刻检出信号的作用到在时刻检出信号的作用恒比定时甄别原理恒比定时甄别原理恒比定时甄别器实现恒比定时甄别器实现门控型恒比定时甄别器门控型恒比定时甄别器双阈甄别门控型恒比定时甄别器双阈甄别门控型恒比定时甄别器双极性信号成形方法双极性信号成形方法门控型恒比定时甄别器门控型恒比定时甄别器双阈甄别门控型恒比定时甄别器双阈甄别门控型恒比定时甄别器成形电路采用恒比成形时，常常取其延迟电路的延迟时间略大于成形电路采用恒比成形时，常常取其延迟电路的

29、延迟时间略大于tm，但对于小幅度输入信号，特别是刚过阈值的信号，触发时间已接，但对于小幅度输入信号，特别是刚过阈值的信号，触发时间已接近而超阈幅度很小，因此甄别器的渡越时间比较长，有可能使前沿甄近而超阈幅度很小，因此甄别器的渡越时间比较长，有可能使前沿甄别器输出信号落在过零时刻之后，这样一来就成为前沿定时了。因此，别器输出信号落在过零时刻之后，这样一来就成为前沿定时了。因此，上述电路对小信号（即刚过触发阈的信号）就起不到恒比定时作用了。上述电路对小信号（即刚过触发阈的信号）就起不到恒比定时作用了。为此，提出一种改进方案，即为此，提出一种改进方案，即双阈甄别门控型恒比定时甄别器双阈甄别门控型恒比

30、定时甄别器，它是，它是在门控型恒比定时甄别器电路基础上再加上一个固定阈值甄别器在门控型恒比定时甄别器电路基础上再加上一个固定阈值甄别器DT，其阈值比的其阈值比的DP阈值要大阈值要大。在小信号时（即输入信号幅度略大于在小信号时（即输入信号幅度略大于VTP）不能触发不能触发DT，因而最后不产生输出。只有输入信号幅度大于，因而最后不产生输出。只有输入信号幅度大于VTT才能才能触发触发DT，产生最后输出，这时，产生最后输出，这时DP的输出信号不会落在过零时刻之后，的输出信号不会落在过零时刻之后，保证了恒比定时。保证了恒比定时。但是这样也会带来一个问题，但是这样也会带来一个问题，输出信号前沿时刻在略超过

31、情况输出信号前沿时刻在略超过情况下亦会落在之后，又将造成输出下亦会落在之后，又将造成输出信号对应的前沿定时时刻。为此信号对应的前沿定时时刻。为此在门在门Y1输出处加上一延迟线作适输出处加上一延迟线作适当延迟，以保证输出信号前沿在当延迟，以保证输出信号前沿在DT输出信号之后输出信号之后。双极性信号成形方法双极性信号成形方法1.短路延迟线成形短路延迟线成形tdtztttoootm2 2、RCRC成形成形输入信号输入信号Vi直接连到比较器的同相输入端，比较器的反相输入直接连到比较器的同相输入端，比较器的反相输入端的信号端的信号Vc是是Vi的低通滤波输出，它在时间上比输入信号滞后。的低通滤波输出，它在

32、时间上比输入信号滞后。比较器的同相、反相输入端之间的电压差为：比较器的同相、反相输入端之间的电压差为：Vr(t)=Vi(t)-Vc(t)=Ri(t)=RC dVc(t)/dt 在电容器上电压达到峰值之后，积分电阻上的电流方向改变，在电容器上电压达到峰值之后，积分电阻上的电流方向改变，引起比较器输出的翻转。由于电阻电容组成的是一个线性网络，引起比较器输出的翻转。由于电阻电容组成的是一个线性网络，Vr(t)的过零点与输入信号的幅度无关，从而实现了恒比定时功能。的过零点与输入信号的幅度无关，从而实现了恒比定时功能。恒比定时甄别器实例恒比定时甄别器实例五、幅度和上升时间补偿定时（五、幅度和上升时间补偿

33、定时（ARC）提出的基本思路：提出的基本思路：恒比定时：恒比定时：VT=PVi=PA消除幅度消除幅度A变化对定时的影响，但没有消除上变化对定时的影响，但没有消除上升时间变化对定时的影响。升时间变化对定时的影响。为了消除上升时间变化对定时的影响，阈值为了消除上升时间变化对定时的影响，阈值VT不仅要随幅度不仅要随幅度A变化，而且要随变化，而且要随上升时间而变化。上升时间而变化。阈值阈值VT可以取可以取定时时间定时时间tA恒比成形恒比成形过零甄别过零甄别预置甄别预置甄别与门与门衰减衰减P输入输入vi延迟延迟tdv1 1v2v3 3v4 4输出输出vo+-VTVT恒比定时恒比定时viv1v2v12v4

34、v3vottttttttMtdtZtZVTviv1v2v12v4v3vottttttttM1tdtAtZARC定时定时tM2恒比定时恒比定时ARC定时定时六、最佳定时滤波器与定时滤波放大器六、最佳定时滤波器与定时滤波放大器最佳定时滤波器：斜率噪声比达到最大值的定时滤波器。最佳定时滤波器：斜率噪声比达到最大值的定时滤波器。斜率噪声比：斜率噪声比：最大最大噪声引起的定时噪声引起的定时标准偏差为：标准偏差为：最小最小定时电路定时电路定时滤波器定时滤波器定时电路定时电路定时滤波器定时滤波器定时电路定时电路噪声引起的定时噪声引起的定时标准偏差为：标准偏差为：斜率噪声比：斜率噪声比：最佳定时滤波成形电路的

35、频率响应为：最佳定时滤波成形电路的频率响应为：最佳定时滤波成形电路的频率响应为：最佳定时滤波成形电路的频率响应为：输入为白噪声，输入噪声输入为白噪声，输入噪声功率谱密度为常数功率谱密度为常数最佳定时滤波成形电路的冲击响应为最佳定时滤波成形电路的冲击响应为定时单道脉冲幅度分析器：定时单道脉冲幅度分析器：具有定时和单道双重功能具有定时和单道双重功能3、符合电路、符合电路一、符合方法一、符合方法二、符合电路基本结构二、符合电路基本结构 三、符合曲线三、符合曲线 四、快四、快-慢符合慢符合五、符合电路实例五、符合电路实例 一、符合方法一、符合方法l符合是指两个或两个以上的物理事件在时间上相互重合；符合

36、是指两个或两个以上的物理事件在时间上相互重合；l理想符合：指的是两个时间同时发生，时间间隔为零；理想符合：指的是两个时间同时发生，时间间隔为零；l实际符合：在一个时间段内发生，有一定的时间间隔；实际符合：在一个时间段内发生，有一定的时间间隔；符合方法方框图符合方法方框图探测器探测器1前置前置放大器放大器定时滤波定时滤波放大器放大器定时电路定时电路固定延迟固定延迟符合符合单元单元计计数数器器探测器探测器2前置前置放大器放大器定时滤波定时滤波放大器放大器定时电路定时电路固定延迟固定延迟l两重符合：两重符合：l多重符合：多重符合：l符合水平：符合水平：ABOUT000010100111ABOUT真值

37、表：真值表：反符合反符合ABOUT000010101110真值表：真值表：ABOUTl符合电路分辨时间：符合电路分辨时间：=2tw 23 23VT理想电子学符合理想电子学符合实际电子学符合实际电子学符合tWtW二二符合电路基本结构符合电路基本结构l二个输入信号分别经过定时成形电路之后，使其输出信号前沿晃二个输入信号分别经过定时成形电路之后，使其输出信号前沿晃动很小，以宽度分别为动很小，以宽度分别为Tw1和和Tw2信号加入符合门电路，只有当信号加入符合门电路，只有当二个信号发生重叠时符合门才有信号输出，此信号再经过甄别成二个信号发生重叠时符合门才有信号输出，此信号再经过甄别成形之后输出。形之后输

38、出。设二个输入信号到达时间设二个输入信号到达时间分别为分别为t1和和t2，只有满足，只有满足符合门才有输出，其分辨时间应为：符合门才有输出，其分辨时间应为：符合电路基本结构符合电路基本结构以上讨论是在理想条件下得到的，即以上讨论是在理想条件下得到的，即(1)输到符合门的信号是理想矩形脉冲。输到符合门的信号是理想矩形脉冲。(2)符合门和甄别成形电路的渡越时间为零。符合门和甄别成形电路的渡越时间为零。三三符合曲线符合曲线l为了测定符合系统（包括探测器在内）的时间分辨能力，常利用为了测定符合系统（包括探测器在内）的时间分辨能力，常利用同一瞬间产生两个粒子的放射源、或用激发态寿命远小于系统定同一瞬间产

39、生两个粒子的放射源、或用激发态寿命远小于系统定时误差的放射源来测定系统的瞬时符合曲线。在两路信号通道中，时误差的放射源来测定系统的瞬时符合曲线。在两路信号通道中，用可变延迟线引入它们之间时间上相对延迟，测定符合系统的输用可变延迟线引入它们之间时间上相对延迟，测定符合系统的输出信号计数率和相对延迟量的关系曲线，此曲线就是瞬间符合曲出信号计数率和相对延迟量的关系曲线，此曲线就是瞬间符合曲线。从瞬时符合曲线，可以求得符合系统的分辨时间和效率。线。从瞬时符合曲线，可以求得符合系统的分辨时间和效率。电子学瞬时符合曲线电子学瞬时符合曲线物理瞬时符合曲线物理瞬时符合曲线电子学瞬时符合曲线电子学瞬时符合曲线u

40、用一个信号源代替放射源和用一个信号源代替放射源和探测器作为二路符合的输入，探测器作为二路符合的输入，测得瞬时符合曲线仅反映电测得瞬时符合曲线仅反映电路本身的特性，称为电子学路本身的特性，称为电子学瞬时符合曲线。瞬时符合曲线。u调节相对延迟量，符合电路调节相对延迟量，符合电路输出信号送入到一个计数器输出信号送入到一个计数器去，测得计数率，可以求得去，测得计数率，可以求得相对计数率与延迟量的关系相对计数率与延迟量的关系曲线，此曲线即为电子学瞬曲线，此曲线即为电子学瞬时符合曲线，也就是符合电时符合曲线，也就是符合电路产生输出的概率函数。路产生输出的概率函数。电子学瞬时符合曲线电子学瞬时符合曲线l在理

41、想条件下为在理想条件下为曲线曲线1l如果考虑到：如果考虑到：(1)输入信号有一定上升和下降时间，而符合门有一定门槛电平，因输入信号有一定上升和下降时间，而符合门有一定门槛电平，因而对符合门输入来说，有效宽度变小了。而对符合门输入来说，有效宽度变小了。(2)二个信号重合时间减小到一定宽度时，由于符合门和其后继甄别二个信号重合时间减小到一定宽度时，由于符合门和其后继甄别电路有一定渡越时间，当重合时间太窄时，不能响应，这相当于电路有一定渡越时间，当重合时间太窄时，不能响应，这相当于减小了有效宽度。减小了有效宽度。(3)考虑到噪声叠加在信号、符合门的门槛电平和后继电路阈值偏置考虑到噪声叠加在信号、符合

42、门的门槛电平和后继电路阈值偏置电路上，使有效宽度发生涨落。电路上，使有效宽度发生涨落。由于以上原因，瞬时符合曲线不仅宽度减小，而且形状上偏离由于以上原因，瞬时符合曲线不仅宽度减小，而且形状上偏离了矩形，为了矩形，为曲线曲线2。这就是实际电子学瞬时符合曲线。符合分辨时。这就是实际电子学瞬时符合曲线。符合分辨时间定义为瞬时符合曲线的半高全宽间定义为瞬时符合曲线的半高全宽FWHM，从图中，从图中曲线曲线2可以求得可以求得电子学分辨时间：电子学分辨时间：物理瞬时符合曲线物理瞬时符合曲线l用瞬时符合放射源和用瞬时符合放射源和探测器系统替代信号探测器系统替代信号源作为符合电路信号源作为符合电路信号输入，测

43、得的相对计输入，测得的相对计数率与延迟量的关系数率与延迟量的关系曲线为物理瞬时符合曲线为物理瞬时符合曲线，此曲线包括了曲线，此曲线包括了探测器和定时系统的探测器和定时系统的时间晃动及偶然符合时间晃动及偶然符合等因素。等因素。物理瞬时符合曲线物理瞬时符合曲线l真符合事件测得的物理瞬真符合事件测得的物理瞬时符合曲线应为输入到符时符合曲线应为输入到符合电路二信号时差的概率合电路二信号时差的概率密度函数与电子学瞬时符密度函数与电子学瞬时符合函数的卷积合函数的卷积 E与与 值相近时值相近时真符合事件最大输入计数率真符合事件最大输入计数率偶然符合计数率偶然符合计数率真符合事件计数率真符合事件计数率 E为电

44、子学分辨为电子学分辨时间时间物理曲线形状与电物理曲线形状与电子学曲线相似子学曲线相似曲线高度下降，形状变曲线高度下降，形状变窄，平顶部分消失，这窄，平顶部分消失，这是由于真符合计数被丢是由于真符合计数被丢失了失了 为为时差涨落时差涨落的方差的方差l在实际测量中，除了真符合事例外，还有大量不属于同一核事件互不相在实际测量中，除了真符合事例外，还有大量不属于同一核事件互不相关的粒子进入二个探测器，它们有可能在分辨时间之内随机地进入符合关的粒子进入二个探测器，它们有可能在分辨时间之内随机地进入符合电路各输入端而产生输出，称这种符合为偶然符合。显而易见，偶然符电路各输入端而产生输出，称这种符合为偶然符

45、合。显而易见，偶然符合应与二个电路相对延迟时间无关。合应与二个电路相对延迟时间无关。l偶然符合计数为偶然符合计数为：随着随着 E增加，增加，W(td)曲线高度平移地升高。这正是偶然符合所造成的。曲线高度平移地升高。这正是偶然符合所造成的。WE(td)把看成宽度为把看成宽度为 E，高度为高度为1的矩形函数的矩形函数1.由于时间涨落的影响，一对真符合信号到达符合电路的时差出现统由于时间涨落的影响，一对真符合信号到达符合电路的时差出现统计涨落，当计涨落，当 E选得较小时真符合事件可能漏记，造成真符合计数损失。选得较小时真符合事件可能漏记，造成真符合计数损失。E越小，损失越多。越小，损失越多。2.E取

46、得较大时符合曲线出现平顶，其符合事件可被全部记录下来。时取得较大时符合曲线出现平顶，其符合事件可被全部记录下来。时差的涨落对计数率的影响可以忽略。差的涨落对计数率的影响可以忽略。3.E增大，偶然符合计数也正比地增大，偶然符合与真符合计数之比随增大，偶然符合计数也正比地增大，偶然符合与真符合计数之比随之增大。从符合曲线中求得偶然符合计数虽然可以再从实际曲线中之增大。从符合曲线中求得偶然符合计数虽然可以再从实际曲线中扣除偶然符合计数而得到真符合计数，但这样会使统计误差增大。扣除偶然符合计数而得到真符合计数，但这样会使统计误差增大。分辨时间分辨时间 E的选择要综合加以考虑。的选择要综合加以考虑。l从

47、时间分辨和减小偶然符合角度来看，从时间分辨和减小偶然符合角度来看，E取小些为好；取小些为好；l从真符合计数损失来看，从真符合计数损失来看，E不能取得太小。不能取得太小。符合系统所能达到的最小分辨时间，根本上取决于探测器和定时系符合系统所能达到的最小分辨时间，根本上取决于探测器和定时系统的时间涨落大小。统的时间涨落大小。511 keV511 keVe+e-正电子发射断层显像正电子发射断层显像PositronEmissionTomography发射型断层成像。所谓发射型成像就是把放射源放在病人身体的内部，放射线发射型断层成像。所谓发射型成像就是把放射源放在病人身体的内部，放射线从病人身体内部射出，

48、最后被探测器接收。从病人身体内部射出，最后被探测器接收。具有短半衰期的放射性的原子可以由具有短半衰期的放射性的原子可以由回旋加速器或核反应堆生产出来。这些放射性元素再用来制造放射性药物。回旋加速器或核反应堆生产出来。这些放射性元素再用来制造放射性药物。通常通常放射性药物是通过手臂静脉血管注射而进入体内的。放射性药物进入人体后会跟踪放射性药物是通过手臂静脉血管注射而进入体内的。放射性药物进入人体后会跟踪病理过程。放射性药物也可以通过病人的呼吸道或消化道进入人体。放射性药物实病理过程。放射性药物也可以通过病人的呼吸道或消化道进入人体。放射性药物实际上是个分子载体，它依附于特定的生理组织或病理过程。

49、放射性物质在药物的带际上是个分子载体，它依附于特定的生理组织或病理过程。放射性物质在药物的带领下在人体内做有目的的分布。发射型断层成像的目的就是要得到一个放射性物质领下在人体内做有目的的分布。发射型断层成像的目的就是要得到一个放射性物质在人体内部的分布图。在人体内部的分布图。有一些放射性元素，如有一些放射性元素，如 O-15 O-15，C-11C-11，N-13N-13，和，和 F-18 F-18，在放射性衰退时会，在放射性衰退时会释放出正电子释放出正电子(即带一个正电荷的电子即带一个正电荷的电子)。正电子在自然界中生存的时间。正电子在自然界中生存的时间十分短暂，因为在自然界中正电子很快就会遇

50、到一个十分短暂，因为在自然界中正电子很快就会遇到一个(带负电的带负电的)电子。电子。当正电子与电子发生作用时，它们的质量会湮灭当正电子与电子发生作用时，它们的质量会湮灭(即完全消失即完全消失)，它们的，它们的质量完全转换为能量而产生出两个能量为质量完全转换为能量而产生出两个能量为 511 keV 511 keV 的伽玛光子。这两个的伽玛光子。这两个光子沿着相隔光子沿着相隔180 180 角的方向传播。角的方向传播。ScintillationCrystalPMTPre-Amplifier+ElectronicsGammaphotonconvertstoopticalphotons(proport