《核电子学》习题解答解析

第一章1.1核电子学与一般电子学的不同在哪里？以核探测器输出信号的特点来说明。在核辐射测量中，最基本的特点是它的统计特性、非周期性、非等值性，核电子学分析这种信号，经处理得到有用的信息。1.4当探测器输出等效电流源/0()toitIe时，求此电流脉冲在探测器输出回路上的输出波形并讨论R0C0τ的情况。V0(s)=I0(s)·[R0∥(1/sc)]=I0[1/(s+1/τ)]·[R0(1/sc0)/(R0+(1/sc0))=(I0/c0)·{1/[(s+1/τ)(s+1/R0c0)]}∴当R0c0τ时，τ－R0c0≈τ∴1.5如图，设，求输出电压V(t)。1.6表示系统的噪声性能有哪几种方法？各有什么意义？输入端的噪声电压是否就是等效噪声电压？为什么？ENVENCENNENEη(FWHM)NE不是1.7设探测器反向漏电流ID=10-8A，后级电路频宽为1MHz,计算散粒噪声相应的方根值和相对于ID的比值。21125.6610ADDdiIedf=235.6610DDdiI=1.8试计算常温下（设T=300K）5MΩ电阻上相应的均方根噪声电压值（同样设频宽为1MHz），并与1MHz能量在20pF电容上的输出幅值作比较。2222542.8810VkTdvdiRdfRR∵212ECV∴2/0.126VVEC1.9求单个矩形脉冲f（t）通过低通滤波器，RC=T，RC=5T，及RC=T/5，时的波形及频谱。U1.10电路中，若输入电压信号Vi（t）=δ（t），求输出电压信号V0（t），并画出波形图，其中A=1为隔离用。t1.12设一系统的噪声功率谱密度为2222()//iSabc，当此噪声通过下图电路后，求A点与B点的噪声功率谱密度与噪声均方值。对A点：噪声均方值：对B点：噪声均方值：第二章2.1电荷灵敏前置放大器比电压灵敏前置放大器有什么优点？为什么把反馈电容称为积分电容，作用是什么？优点：VOM稳定性高，能用高能量分辨能谱系统Cf起积分作用，当A很大时，2.2试对下图典型的电荷灵敏前置放大器电路在输入冲击电流I(t)=Q·δ(t)时，1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:12-Jun-2002SheetofFile:C:\MyDocuments\核电子学试卷.ddbDrawnBy:RfCfA1Vo(t)i(t)（1）求Vo(t)的一般表达式（2）当Cf=1pF,Rf=109Ω时，画出大致波形并与Rf→∞时作比较。（1）（2）RfCf=109×10-12=10-3(S)V(t)-Q/Cft∞10-32.4一个低噪声场效应管放大器，输入等效电容Ci=10pF，输入电阻Ri=1MΩ，栅极电流IG=0.1μA，跨导gm=1mA/V，CgsCc，放大器频带Δf=10MHz，T=290K，1/f噪声可忽略，求输入端等效噪声。2.6分析快电荷灵敏前置放大器，（1）画出简化框图（2）分别计算电荷和能量变换增益；（ω=3.6ev/电子空穴对，e=1.6×10-19库仑）（3）估算电路的开环增益（gm=5mA/V,A3=0.98）（4）估算该前放的上升时间（Ca=5pF,Ci=5pF）（2）ACQ=1/Cf=1×1012V/CACE=e/(Cfω)=44.4mv/Mev（3）A0=gmR6/(1-A3)=3000（4）tr0=2.2RaCa/(1+A0F0)=2.2Ca(Ci+Cf)/gmCf=13.2ns2.7讨论电荷灵敏、电压灵敏、电流灵敏三种前置放大器的特性，各适于哪方面的应用，为什么？电流灵敏前放输出快，对输出电流信号直接放大，常用作快放大器，但相对噪声较大，主要适用于时间测量系统。电荷灵敏前放和电压灵敏前放用于能谱测量系统，电荷灵敏前放比电压灵敏前放输出电压稳定性高，可用在能量分辨率较高的系统。第三章3.1试论述放大器在核物理实验中的作用，对各个性能指标应如何协调考虑？放大器在核物理实验中主要有放大和成形作用。，且必须保持探测器输出的有用信息。对各个性能指标应从能量测量和时间测量分别考虑。3.2谱仪放大器的幅度过载特性含义是什么？计数率过载含义是什么？二者引起的后果有何区别？幅度过载：信号超出线性范围很大时，放大器一段时间不能正常工作，后果：不能工作的死时间存在计数率：放大器中由于计数率过高引起脉冲幅度分布畸变后果：峰偏移和展宽3.3试说明能否通过反馈来减少干扰和噪声对放大器的影响？用什么方法可以减少干扰和噪声对放大器的影响？不能。用同向接法。用双芯同轴电缆把信号送到差分放大器。3.4试分析和讨论下面两个谱仪放大节电路，指出在电路中采取了什么措施，目的是什么？1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:11-Jun-2002SheetofFile:C:\MyDocuments\核电子学试卷.ddbDrawnBy:Q1Q2Q3Q42K51030u20K0.01u5.1K1.5K24+18VVi(t)246.2k3.6k24509.1k30u0.01u10uVo(t)-18V0.01u30ua：T1共射极放大，T3,T4两级共集电极放大恒流源作负载，10μ自举电容，电压并联负反馈。b：T1共基，T2共射，T3共集，T4，T5互补复合跟随器。1μ自举电容，电压并联负反馈。3.5极零相消电路和微分电路有什么区别？如何协调图示的参数，使它能达到极零相消的目的？不同之处，极零相消使时间常数变小，指数衰减信号通过微分电路会产生下冲。故“极”“零”相消，即s+1/t与s+1/t2相消，所以当τ=τ2时满足，即τ=R2C.3.6有源积分滤波器与无源积分滤波器相比有什么优点？门控积分滤波器有什么特点？优点：有源滤波器更接近于理想的微分和积分特性，把放大和滤波成形连在一起，既节省元件，又比无源滤波器级数少，效果好。门控有源积分器输出平顶波波形，对减少弹道亏损很有利，信噪比相对较好。3.7试说明核信号通过图示的滤波成型电路后得到什么，失去什么，画出图形。得到能量信息，失去了时间信息。极零相消，两次无源积分，加两次有源积分。3.8说明弹道亏损的原因。输入电流的脉冲宽度有限时，在信号的宽度内，电容C被充电，且通过R放电，故产生弹道亏损。3.9什么是信号的峰堆积和尾堆积？对输出信号的幅度产生什么影响？引起什么样的谱形畸变？其它信号尾部或峰部影响信号峰值。影响：增加幅度。引起峰值右移，出现假峰。3.10说明基线起伏的原因。并分析CCD基线恢复器的工作原理，输入图示波形，画出输出波形。脉冲通过CR网络时，由于电容器上的电荷在放电时间内，未能把充电的电荷放光，下一个脉冲到达时，电容器上的剩余电荷将引起这个新出现的脉冲的基线偏移。输出波形趋势线：3.11门控基线恢复器有什么特点？并联型的和串联型的有什么区别？门控基线恢复器消除了单极性脉冲信号产生的下击信号，改善了恢复器对小间隔信号的非线性，因此有很高的计数率特性。不同：记忆电容C串联或并联于信号通道之中。3.12高能量分辨率和高计数率谱仪放大器是如何来消除峰堆积现象的？加入堆积拒绝电路是否可以使谱仪放大器的计数率提高很多？为什么？加入堆积拒绝电路来消除不能使计数率提高很多，但能保证谱型更加明显，是以牺牲计数率为代价的。3.13快电压放大器和快电流放大器各有什么特点？他们和谱仪放大器相比有什么不同？快电压放大器放大速度比快电流放大器要慢一些，但从稳定性来讲要好一些，信号匹配方式为并联。快电流放大器的分布电容的影响较小，放大速度可以很快，信号匹配为串联。快放大器与谱仪放大器并无原则差别，只是在指标上有所不同。3.14试分析图示的快放大节电路特点。1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:12-Jun-2002SheetofFile:C:\MyDocuments\核电子学试卷.ddbDrawnBy:T1T2T3501K47C20.8--8Vi500+EcC510C10.8-8-EcVoT1为共射极放大，有射极电阻。T2，T3为共集电极射极跟随器。C为自举电容。C1相位补偿。3.15使用电阻式弱电流放大器要注意些什么问题？缩短测量时间可以减小零点偏移引起的误差，但是测量时间的减小和灵敏度的提高互相制约。当放大器与信号源用屏蔽电缆连接时，由于电缆电容较大，测量时间就会变得很长。第四章4.1在图4.1.3的集成电路脉冲幅度甄别器中，若VH=0V，VL=－2.6V，R2=510Ω，R3=5.1Ω，R4=100Ω，求滞后电压？4.2在图4.2.8参考电压运算器中，若VT=5.00V，VW=0.50V，求非对称和对称时的上阈电平、下阈电平、道宽及道中心。非对称：对称：4.3在一个线性放电型模数变换器中，若保持电容CH=1500pF，恒定电流I=100μA，时钟频率2MHz，若输入信号幅度为5.00V。1．求出该模数变换器的道数m、道宽和变换系数。2．若时钟频率为100MHz，其它参量不变，求道数、道宽和变换系数及输出m。T0=1/F,（2）同理，代入F=100mHZ,m=7500，H=0.667mV/道，P=1500道/V4.7下图是一个实际的模拟展宽器的原理电路图，试画出各点波形。1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:12-Jun-2002SheetofFile:C:\MyDocuments\核电子学试卷.ddbDrawnBy:A1A2DCHTVo(t)Vi(t)VFV1(t)Vc(t)4.10脉冲幅度甄别器的功能是什么？脉冲幅度甄别器是将输入模拟脉冲转换成数字逻辑脉冲输出的一种装置。理想的脉冲幅度甄别器具有以下功能：当一个输入脉冲的幅度超过一定的阈电平时，则输出一个数字脉冲，而与输入脉冲的幅度、上升时间、宽度等参数无关。若输入脉冲的幅度低于给定的阈电平则无输入脉冲。4.11简述用集成电路比较器构成的脉冲幅度甄别器的工作原理。集成电路脉冲幅度甄别器由电压比较器接成交流耦合施密特电路而构成。脉冲信号接到电压比较器的反向输入端，，而同向端加上阈电平VT。比较器的输出信号经过电容反馈到同相端，为正反馈连接方式。平时，甄别器输出处于高电平，当输入信号的幅度超过与阈电平时，甄别器触发，输出电压跳变，从高电平到低电平，幅度为两者之差。4.12脉冲幅度甄别器的主要指标是什么？主要指标：1．输入灵敏度2．稳定性3．涨落或阈模糊区4．输出脉冲的幅度、宽度5．甄别阈范围6．速度（响应和恢复的快慢）4.13通常如何解决单道分析器中的定时误差问题？最直接的办法是：延迟下甄别器的输出脉冲，再拉宽上甄别器的输出脉冲，从而使得作为反符合信号的Vu`可完全禁止下甄别器的Vl`输出。4.14试画出单道脉冲幅度分析器的一种结构方框图，说明原理。4.15单道分析器的主要指标是什么？单道主要指标:1．动态范围2．线性3．八小时稳定性4．温度系数5．双脉冲分辨时间6．最高计数率7．输入脉冲要求8．输出脉冲为正极性4.16单道分析器的主要用途有哪些？单道脉冲幅度分析器每测一个能谱需逐点改变阈值，费时费力，误差大，但结构简单，价格便宜。可以选择感兴趣的幅度范围或选一定的能量范围信号作为校正信号，仍有广泛的应用。4.18什么是ADC的道宽？什么是ADC的变换系数？它们之间有什么关系？道宽：单位道数之间的电压幅度。变换系数：单位幅度可变换成的道数二者成倒数关系4.26线性放电型ADC和逐次比较型ADC各有什么优缺点？线性放电型，电路简单，道宽一致性好，便于生产，但变换时间较大，而且随着道数的增多，变换时间也会增加。逐次比较型，变换速度快，易于生产，功耗低，价格低，但道宽一致性较差。4.28什么是ADC的零道阈或偏置，有何实际意义？偏置或零道阈是指模数变换器的零道所对应的输入信号幅度。引入偏置一方面可以节省存储区，另一方面可以把感兴趣的幅度谱扩大到最大道数范围进行测量，从而提高分辨率。4.29ADC的积分非线性和