核电子学及其进展

核电子学方法第五章时间信息的分析第五章时间信息的分析§1概述§2定时技术§3符合电路§4时间分析器§5脉冲形状甄别（PSD）结束§1.概述一．时间信息分析所要解决的基本问题二．时间信号的检出返回一．时间信息分析所要解决的基本问题1.时间间隔甄别2.时间间隔测量返回时间间隔甄别•时间间隔甄别应用实例•时间间隔甄别器的基本功能返回时间间隔甄别应用实例电子正电子对撞实验中，产生μ+和μ-的事例ee•探测器D1和探测器D2相距有几十米以上，对称排布，用来测定子。•因为+和-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，飞行速度近似相同，从对撞点飞出，应几乎同时分别击中D1和D2。•随着击中D1和D2位置不同信号S1和S2产生时刻发生差别，如果最大时差值为5ns，那么S1和S2时间间隔小于5ns的事例应该是+和-事例的的一个“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，D1和D2是先后被击中，S1和S2的时间间隔将会大于5ns，不满足此“候选”条件，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。返回时间间隔甄别器的基本功能•N个信号加入它的输入端为u1,u2….ui….uN-1,uN，它们分别在ti（i=1,2…N）时刻到达甄别器的输入端，其中任意一对信号间的时间差都满足：-1ti－tj2(1,20）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条件，将不产生输出。•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t1和t2，若满足-1t1－t22(1,20）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。选择1=2=，则分辨时间为2（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，1＋2为其分辨时间。（也就是时间间隔阈值）。返回时间间隔测量•时间间隔测量应用实例•时间分析器的基本功能返回时间间隔测量应用实例•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。•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，就可以测量到粒子的飞行时间信息。返回时间分析器的基本功能•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。•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（TDC,TimetoDigitConversion）。•输出端的数码值为其中T0为LSB所对应的时间间隔。•TDC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。102LiiiAm0012,TmTtt其中返回时间信号的检出•无论是送到符合电路还是送到TDC的信号，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间信息分析电路之间，大体上如以下过程所示：核事件产生粒子→探测器被击中（t0时刻）→探测器信号输出（t1时刻出现信号）→电子学电路信号处理（放大、成形等）→时检电路检出信号送到时间信号分析电路或符合电路输入端（t0’时刻出现信号）。时间信号的检出•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：1.延迟。t1在t0之后一定时间之后出现2.展宽。实际的电流信号不是一个信号3.涨落。(t0’-t0)是一个随机量，而且信号形状也会随机变化。•时检电路的功能是使的涨落尽可能小，或者说的晃动很小。返回§2.定时技术一．产生时间晃动的几个主要因素二．时间晃动大小的度量三．前沿定时甄别器-固定阈值甄别器四．恒比定时甄别器（CFD）五．幅度和上升时间补偿定时（ARC）返回一．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有以下几个因素：1.探测器的固有晃动。2.噪声引起时检电路输出的时间晃动。3.幅度时间游动效应。4.上升时间游动效应。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决办法。返回探测器的固有晃动•不同的探测元件电流信号输出的时间晃动不一样，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。•例：闪烁体和光电倍加管（PMT）组成的闪烁计数器，由于粒子击中的位置不同使光传输到PMT的时间不同，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。返回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。返回幅度时间游动效应•不同幅度经过时检电路之后在输出时间上产生差异，探测器输出信号幅度的随机变化造成了时间上晃动，称为幅度时间游动效应。返回上升时间游动效应•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，而有些探测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上晃动。这称为上升时间游动效应。返回二．时间晃动大小的度量•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，td的概率密度函数为Pd（td），可以得到各级矩：级矩二级矩一级矩ndttPtttdttPtttdttPtttdddndndnddddddddddddd002220)()()(由此推知td的随机变化情况，来度量的晃动大小。一般可以假设td服从高斯分布，和是关键参量dt2)(ddtt作为时间晃动的度量dddddddtddttPtttt)()()(2022二．时间晃动大小的度量•二个信号时间间隔及其晃动量)()(120102'01'02ddtttttt)()(120102ddtttt2221212122)]()[(tdtdddddtttt0101102022ttttttdd二．时间晃动大小的度量•时间晃动实验测量在实验上可以用同一瞬间产生两个粒子的放射源（如60Co源，几乎是同时发射两个粒子[1和2]）；测量计数随τ（即时间间隔）值变化曲线，图中求得和半高全宽时间FWHMtd,时间晃动为dttdtdFWHM35.21返回三．前沿定时甄别器-固定阈值甄别器•前沿定时特性分析•基本电路构型返回前沿定时特性分析（一）•将输入信号前沿近似看成线性上升，可用下述关系表示：ttVtVmii)(mtt0输出信号对输入信号的时间延迟可以表示为：ttttd其中ti为输入信号从出现到上升为VT所需时间，t为渡越时间，假定在快甄别器情况下，t很小，暂不加以考虑。miTtdtVVtt在Vi由Vi1变为Vi2时，Vi=(Vi1-Vi2)，如果Vi很小，则输出信号对输入信号的时间延迟差td=(t2-t1)应为：imiTdVtVVt2td随Vi变化而发生变化称为幅度时间游动效应。显而可见VT和tm越小，td变化量就越小，幅度时间游动效应就越小前沿定时特性分析（二）•上述讨论在Vi很小情况下，如果Vi变化很大时，服从某一种分布规律，要得到td必须Vi的概率密度函数求得td的概率密度函数，得到td。•若达峰时间tm发生变化（也就是上升时间发生变化），延迟时间的变化为：miTdtVVt这称为上升时间游动效应。返回基本电路构型•高速运算放大器（例如THS3201、OPA847等）构成的施米特甄别器；•高速比较器（例如AD96687）构成的截止式放大器型甄别器；•双阈甄别电路。高速比较器AD96687构成的甄别器双阈甄别电路•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，还可减少由于幅度效应引起的时间游动•甄别器需要有稳定的阈电压。阈电压的产生程控设置的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，对DAC提供的输出电压采取了衰减和有源滤波等有效措施。返回恒比定时甄别器（CFD）•提出恒比定时的基本思路•恒比定时甄别原理•恒比定时甄别器实现返回提出恒比定时的基本思路•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。•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，固有时间晃动可达到最小。这一比值却好就是触发比P:P=VT/Vi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最小。同时能克服幅度游动效应。返回恒比定时甄别原理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恒值。过零甄别器起到在双极性信号的过零时刻检出信号的作用。恒比定时甄别原理用ui(t)来近似描述输入信号:经过衰减倒相后信号（其中为衰减因子）：mimmiittPUttttPUtu0)(经延迟后的信号didmdmdidittUtttttttUtttu0)(恒比定时甄别原理经过相加电路之后是一个双极性信号：mdimddmdidmimmitttPUttttPtttUtttPUttttPUtu10)(1从负极性变到正极性的过零时刻：由此可知(1)过零点与信号幅度无关(2)在tz时刻，对于任何幅度都一样。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起到在时刻检出信号的作用mdzPtttiziPVttu)(返回恒比定时甄别器实现•门控型恒比定时甄别器•双予甄别门控型恒比定时甄别器•双极性信号成形方法返回门控型恒比定时甄别器返回双予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，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，即双予甄别门控型恒比定时甄别器，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DT，其阈值比的阈值要大。在小信号时（即输入信号幅度略大于VTP）不能触发DT，因而最后不产生输出。只有输入信号幅度大于VTT才能触发DT，产生最后输出，这时DP的输出信号不会落在过零时刻之后，保证了恒比定时。但是这样也会带来一个问题，输出信号前沿时刻在略超过情况下亦会落在之后，又将造成输出信号对应的前沿定时时刻。为此在门Y1输出处加上一延迟线作适当延迟，以保证输出信号前沿在DT输出信号之后。返回双极性信号成形方法1.延迟线成形2.RC成形输入信号Vi直接连到比较器的同相输入端，比较器的反相输入端的信号Vc是Vi的低通滤波输出，它在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：Vr(t)=Vi(t)-Vc(t)=Ri(t)=RCdVc(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，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。返回幅度和上升时间补偿定时（ARC）•恒比定时仅仅解决了幅度游动效应，未曾解决上升时间游动效应。ARC定时可同时解决幅度和上升时间游动效应。它的电路结构完全与恒比定时相同。但延迟