第一章信号与噪声概要

第一章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§2.核电子学中的噪声§3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§1.核辐射探测器及其输出信号一.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、幅度分布的非周期性或非等值性）。由于信号的统计性，要求核电子学用独特方法处理和研究。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）核信息：能量（能损），粒子入射时间、强度、粒子类型（α.β.γ.n.p.d）对信号脉冲的幅度、时间、波形和数目等参数量的获取、处理和分析，可以获得粒子的动量、能量、电荷量、质量、时间和空间关系等各种性质。§1.核辐射探测器及其输出信号二．探测器类别和输出信号1.电离室NFAEw()()itQttQNe()1()toovtQCCitdtKE输出信号：图1.1.22.半导体探测器金硅面垒探测器、Ge(Li)和Si(Li)探测器、HPGe探测器等。()1()toovtQCCitdtkE§1.核辐射探测器及其输出信号固体电离室，与气体情况类似。平均电离能约3ev，电子空穴收集时间约为10-7s。§1.核辐射探测器及其输出信号3.闪烁探测器0/0()/titQe电子经过光电倍增管的打拿极需要一定时间，所以电流信号i(t)和电压信号vc(t)比入射粒子产生的光脉冲要有延迟时间t1，光子在光阴极上转化成光电子的位置不同，t1有涨落，电流和电压信号有一时间分布。§1.核辐射探测器及其输出信号三．核辐射探测器的基本性能（指标）探测效率、输出幅度、分辨率、线性响应、稳定性表1.1表1.2表1.3表1.4§1.核辐射探测器及其输出信号四．核辐射探测器的输出电路1.脉冲电离室图1.1.6(a)、(b)、(c)、(d)、(e)R=RL//RiC=CO+Cs+CiRCT+Vm=Ne/C§1.核辐射探测器及其输出信号2．半导体探测器图1.1.7(a)、(b)、(c)RD偏置电阻Rd灵敏区电阻R’、C’非灵敏区电阻电容Ri、Ci放大器输入电阻和电容、Cs分布电容、Cc隔直电容RCT输出即可达Ne/CRD//RiCD//Cs//Ci§1.核辐射探测器及其输出信号3.闪烁探测器图1.1.8(a)、(b)、(c)、(d)、(e)R=Ra//RiC=Co+Cs+Ci五．输出信号的数学模拟单位冲击函数0tt01lim00ttt00tttt0电流冲击脉冲00limitQQtt冲击序列iiiiiItitQtt§2.核电子学中的噪声一.噪声干扰和噪声均方值信噪比η=Vo/Vno等效噪声电压(ENV)等效噪声电荷(ENC)等效噪声电荷数(ENN)等效噪声射线能量(ENE)分辨展宽噪声半高全宽(FWHM)NE=2.36（ENE）探测器固有能量分辨半高全宽(FWHM)DE一、噪声对核测量的影响TnTndtVTV0221lim22)()()(DENEEFWHMFWHMFWHM(1.2.2)§2.核电子学中的噪声二、噪声的分类和噪声源1.散粒噪声产生原因：载流子产生和消失的随机涨落表现形式：电流的瞬时波动（输出电压的波动）22diIedf22DDdiIedf22ggdiIedf§2.核电子学中的噪声2.热噪声导体或电阻中载流子的热运动，与外加电压和平均电流无关，主要与温度有关。df4kT/R2di图1.2.3场效应管多子在沟道中作热运动产生的沟道热噪声电压如1.2.12式3.低频噪声一种随频率降低而增大的噪声df/fAf2fdv场效应管的低频噪声（闪烁噪声）电压如1.2.14式除上述三类噪声外，由于系统安装位置的机械振动或冲击，也会造成颤噪声，故需尽量减少测量现场的振动和冲击。§3.核电子学中的信号与噪声分析基础一、时域和频域分析网络(电路或系统)分线性网络（描述方程为线性微分方程)、非线性网络（数学分析方法处理）。图1.3.1核脉冲通过线性网络§3.核电子学中的信号与噪声分析基础GSFSHSgtftht傅氏变换与拉氏变换的应用过程§3.核电子学中的信号与噪声分析基础§3.核电子学中的信号与噪声分析基础二、核电子学中常见的基本电路分析1.探测器的输出电路冲击响应Ｖ(t)=h(t)=频率响应H(ω)=R/(1+jωRC)振幅频谱∣H(ω)∣=R/相位角θ(ω)=-arctg(ωRC)=-tg-1(ωRC)11()tRCetC2221CR高频半功率点§3.核电子学中的信号与噪声分析基础2.RC积分电路（低通滤波器）冲击响应频率响应11()tRChtetRCH(ω)=1/(1+jωRC)222111HRCtgRC振幅频谱和相位角)(1.1-(t))(teRCthRCt§3.核电子学中的信号与噪声分析基础3.CR微分电路（高通滤波器）H(ω)=jωRC/(1+jωRC)|H(ω)|=θ(ω)=tg-11/(ωRC)2)(1RCRC§3.核电子学中的信号与噪声分析基础h(t)=1/2δ(t)-1/2δ(t-τd)|H(ω)|=|sin|4.短路延迟线H(ω)=)1(21dje2d§3.核电子学中的信号与噪声分析基础三、核随机信号通过线性网络1.核电子学中的随机信号及其表现形式（1）噪声（随机信号）22()/21()2vvPve221limTTTvvtdtT22221limTTTvvtdtT概率密度函数-高斯分布§3.核电子学中的信号与噪声分析基础平均功率——自相关函数、功率谱密度噪声的随机过程是平稳随机过程，自相关函数是时间差的函数与时间无关。20,0,1RvP噪声电压在电阻上产生的平均功率2PSdfSfdf20PvSdfsds/S000,SR组成傅氏变换对。§3.核电子学中的信号与噪声分析基础白噪声——白谱SR图1.3.11有限宽的白噪声谱密度与自相关函数噪声频带比欲测电路的频带大得多时，即可近似认为是白噪声。§3.核电子学中的信号与噪声分析基础（2）核辐射随机信号)(.)(iiiiittti222.()nnt222()2()nSnI（t）=R(τ)=220,RnnS时§3.核电子学中的信号与噪声分析基础dSHdffSfHVii)(.|)(|21)2(.|)2(|2220V0(ω)=H(ω)Vi(ω)S0(ω)=|H(ω)|2Si(ω)R0(τ)=Rh(τ)*Ri(τ)2.核随机信号通过线性网络图1.3.133.随机信号通过常见线性电路的实例图1.3.14白噪声通过RC低通滤波器白噪声通过CR高通滤波器图1.3.15§4.核电子学测量系统概述一、基本组成§4.核电子学测量系统概述§4.核电子学测量系统概述二．核电子学常用的信号处理系统１．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响）２．主放大器放大（便于测量，信号成形），有其他功能（滤波形式，基线恢复，堆积拒绝等）３．甄别（幅度，时间）４．模数变换模数变换(幅度－数字变换，时间－数字变换)５．数据获取分析，处理计数分类统计，谱数据得到（计算机应用）§4.核电子学测量系统概述三．处理单元插件标准化NIM标准:1９英寸宽;12单位宽度(34.4mm);42芯插件;电源标准(6V12V24V);适用于模拟信号处理及模数变换和计数电路。NIM标准机柜、机箱及插件CAMAC标准：机械和供电同NIM;一半宽且更深;信息传输方式;信号传送硬件与软件;适用于数据收集和处理系统。快总线（TASTBUS）附录：常用的几项NIM标准NIM标准机箱及插件NIM标准机柜