核电子学第3课探测器及其输出信号

核电子学与核仪器上次课关键点核辐射探测器信号的引出引入矩形脉冲信号理想矩形脉冲实际矩形脉冲本堂课主要内容：一、核辐射探测器及其输出信号1.1核辐射探测器的要求和特点1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号1.3核辐射探测器的基本性能1.4核辐射探测器的输出电路1.5核辐射探测器输出信号的数学模拟二、核电子学中的噪声2.1噪声对核测量的影响2.2噪声的分类和噪声源一、核辐射探测器及其输出信号1.1核辐射探测器的要求和特点核物理和粒子物理实验中，最基本的测量过程是能量信息时间信息位置信息探测器前放线性放大滤波成形堆积判弃基线恢复幅度甄别时间甄别模数变换数据采集系统强度分析能谱分析时间分析位置分析图像分析信号处理数据处理信息检取一、核辐射探测器及其输出信号1.1核辐射探测器的要求和特点核电子学所研究的是如何处理和分析核辐射探测器给出的信号。通常核辐射探测器的输出信号是一系列幅度大小不一、波形不尽一致、前后间隔疏密不匀出现的时间随机分布的电荷或电流脉冲。由脉冲及相关参数所得到的信息脉冲所携带的电荷量（入射粒子能量；能谱）脉冲出现的准确时刻（粒子入射的准确时刻；时间谱）单位时间内的脉冲数（入射粒子数；强度、剂量）脉冲的形状（入射粒子类型）一、核辐射探测器及其输出信号1.1核辐射探测器的要求和特点核辐射测量中，最基本的特点是它的统计性，因为在核辐射探测器中，射线与物质相互作用的过程是随机的，且核衰变过程也是也是以一定的概率性来表现的；所以，必须对大量事物的统计规律作出相应的处理和分析。核电子学信号的特点随机性（时间、幅度）信号弱，但跨度大（μV~几十伏）速度快一、核辐射探测器及其输出信号1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号核辐射探测器的分类给出信号（电信号与非电信号）电信号：气体探测器（气体电离室，正比计数器，G-M管等）半导体探测器（P-N结、PIN结、高纯锗等）闪烁体探测器（=闪烁体+光电倍增管）一、核辐射探测器及其输出信号1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号(1)核辐射探测器实质上就是一个能量-电荷转换器，用于把抽象的核辐射信息转换成具体的电信号；(2)对核辐射信息的处理实际上就是对探测器输出信号的处理，从探测器输出信号中提取出核辐射信息，并转换成相应的物理量；(3)核辐射探测器通常可以看成是一个电流源；(4)不同的探测器，其能量-电荷转换过程及持续时间是不同的，输出信号各有其特点，需采用不同的处理方法或手段。一、核辐射探测器及其输出信号1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号气体探测器入射粒子在电离室中引起电离，电子、离子漂移形成电流；当外加电压升高时，探测器工作于正比区，就成为正比计数器；当气体放大倍数随电压急剧上升，电子雪崩持续发展成自激放电，则成为G-M计数器。总电子-离子对数：相应电荷量：/NFAEQNe一、核辐射探测器及其输出信号1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号气体探测器电流信号i(t)的时间持续过程，主要与电子和离子的漂移速度有关。通常，在电离室中电子漂移速度较快，约微秒量级，而离子漂移速度慢得多，约毫秒量级。0()()/titdtvtQCC一、核辐射探测器及其输出信号1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号半导体探测器常用的半导体探测器包括金硅面垒探测器、Ge(Li)和Si(Li)探测器、高纯锗探测器等，它们都是以半导体材料为探测介质，具有能量分辨率高，线性范围宽等优点。等效电路一、核辐射探测器及其输出信号1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号闪烁体探测器当射线入射到闪烁晶体时，先使闪烁体中的分子或原子激发，然后退激时发出荧光，此光脉冲射到光电倍增管的光阴极上转换成光电子，通过管内逐级倍增，最后在阳极上收集成为电流脉冲i(t)。输出电流i(t)与闪烁体的发光效率、光阴极的灵敏度及光电倍增管的倍增系数有关。一、核辐射探测器及其输出信号1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号对三种主要探测器的分析可得出如下结论：(1)核辐射探测器都能产生相应的输出电流i(t)，在电路分析时，可把它等效为电流源；(2)该输出电流i(t)具有一定形状，具有一定时间特性，所以可用于时间分析；(3)如在输出电容上取积分电压信号Vc(t)，则Vc(t)正比于E，可做射线能量测量。一、核辐射探测器及其输出信号1.3核辐射探测器的基本性能探测效率探测器测到的粒子数与此时实际入射到探测器中的该种粒子总数的比值。输出幅度大小气体探测器电离室3×1044.8×10-4正比计数器1070.16半导体探测器锗(77k)3×1054.8×10-3硅(室温)3×105闪烁体探测器NaI(Tl)闪烁体1081.6电荷数V/(MeV)一、核辐射探测器及其输出信号1.3核辐射探测器的基本性能分辨率探测器实际分辨核信息的能力，主要有能量分辨率、时间分辨率、空间分辨率。为了区分不同N0值的相对能量分辨率，常定义探测器固有能量分辨率为：0100%DFWHMRN一、核辐射探测器及其输出信号1.3核辐射探测器的基本性能线性响应在一定范围内探测器所给出的信息，与入射粒子相应的物理量是否成线性的标志。稳定性通常，温度和电源的变化会引起探测器性能的不稳定；因此，探测器对工作环境温度和高压电源供电电压的稳定性有一定要求。另外，衡量探测器性能还有抗辐射损伤，粒子鉴别能力等。一、核辐射探测器及其输出信号1.4核辐射探测器的输出电路核辐射探测器可以看成为一个电流信号源i(t)，在作时间测量时，由于要求保持时间信息，可以直接利用这种电流源的时间特性。在作能谱分析时，因为与能量成正比的量是探测器收集的电荷或电荷在电容上的积分电压，所以要求探测器输出电荷或电压信号。如果既要作时间测量，又要作能量测量，则应要求探测器既输出电流信号又输出电荷信号。一、核辐射探测器及其输出信号1.4核辐射探测器的输出电路脉冲电离室一、核辐射探测器及其输出信号1.4核辐射探测器的输出电路脉冲电离室脉冲电离室输出波形一、核辐射探测器及其输出信号1.4核辐射探测器的输出电路半导体探测器一、核辐射探测器及其输出信号1.4核辐射探测器的输出电路闪烁探测器闪烁探测器输出电流和电压分别为：000()tQite000()()ttRCQRCVteeCRCi(t)A一、核辐射探测器及其输出信号1.4核辐射探测器的输出电路闪烁探测器Ci不变，输出电压随Ri的变化。一、核辐射探测器及其输出信号1.4核辐射探测器的输出电路闪烁探测器Ri不变，输出电压随Ci的变化。一、核辐射探测器及其输出信号1.4核辐射探测器的输出电路闪烁探测器接射极输出器的闪烁体探测器一、核辐射探测器及其输出信号1.4核辐射探测器的输出电路闪烁探测器作时间信息测量时的电路一、核辐射探测器及其输出信号1.5核辐射探测器输出信号的数学模拟各类核辐射探测器通过后接输出电路，将被测量的核辐射信息转换成具有一定特性形状的波形。当信号延迟时间与输出电路时间常数相比小得多时，可以认为核辐射探测器信号主要以脉冲形式出现，探测到的单个或一群粒子转化成单个或一系列电脉冲，而且，当电荷收集时间较短时，可以认为是一种持续时间极短的电流冲击脉冲。0()limQit一、核辐射探测器及其输出信号1.5核辐射探测器输出信号的数学模拟在数学上，引入单位冲击函数，则电流脉冲可用冲激脉冲来模拟。0()()itQtt一、核辐射探测器及其输出信号1.5核辐射探测器输出信号的数学模拟核信号的统计性决定了处理问题的特殊性。上述表达式作为核电子学电路的输入信号，它为后续电路对信号的处理和研究提供了数学模拟。冲击函数和冲击脉冲系列二、核电子学中的噪声2.1噪声对核测量的影响当实际获取核辐射探测器输出的能量或时间信息时，不可避免会遇到探测器和核电子学本身所固有的噪声。这种噪声叠加，混杂到信号上，将使核辐射测量系统的能量或时间分辨能力受到影响。因此，要精确分析核探测器信号，噪声是提高测量精度的严重障碍。二、核电子学中的噪声2.1噪声对核测量的影响噪声与干扰干扰：主要是指空间电磁波感应，工频交流电网的干扰，以及电源纹波干扰等外界因素。（可在电路和工艺上予以减小或消除）噪声：是由所采用的元器件本身产生的。（可以设法减小但无法消除）二、核电子学中的噪声2.1噪声对核测量的影响噪声的衡量通常，噪声电流式电压的时间平均值等于零。但是只要有噪声存在，其平均功率肯定不为零。所以采用均方值作为噪声大小的衡量尺度。由于噪声是随机地重迭在信号电压上，它会使原来代表单一能量的信号幅度在平均值上下作统计起伏。所以常用信噪比来衡量噪声对测量精度的影响。2201lim()TnnTVVtdtT二、核电子学中的噪声2.1噪声对核测量的影响噪声的衡量onoVV信噪比：二、核电子学中的噪声2.1噪声对核测量的影响等效噪声电压（ENV）考虑到系统的输出电压实际上反应了输入端所测的物理量，所以一般噪声的衡量也应由输出端折算到输入端，便于与输入端所测的物理量作比较。等效噪声电压：()nonoioiVVVENVVAV二、核电子学中的噪声2.1噪声对核测量的影响等效噪声电荷（ENC）为了判断核谱测量系统对电荷量、能量的分辨程度，也可将系统的输出端噪声折算到输入端，给出噪声所对应的等效噪声电荷或等效噪声能量。()nonoCQoVQVQENCAV等效噪声电荷：二、核电子学中的噪声2.1噪声对核测量的影响等效噪声能量（ENE）由于单位电荷为e，可以算出输入端等效的电子-离子对数(ENN)。如果探测器固有的能量分辨率半高宽为(FWHM)DE，则由于噪声叠加，系统的能量分辨率变坏。()()nooVQENEENNeV等效噪声能量：22()()()gNEDEFWHMFWHMFWHM二、核电子学中的噪声2.2噪声的分类与噪声源核电子学中的主要噪声有三类：散粒噪声（探测器漏电流的噪声、场效应管栅极漏电流噪声）热噪声（场效应管的沟道热噪声、电阻原件的热噪声）低频噪声（场效应管闪烁噪声）二、核电子学中的噪声2.2噪声的分类与噪声源散粒噪声在电子器件或半导体探测器中，由于载流子产生和消失的随机涨落，形成通过器件的电流瞬时波动。二、核电子学中的噪声2.2噪声的分类与噪声源散粒噪声从频域分析可知，在任一段频率内，这种散粒噪声电流的均方值为：具体到半导体探测器和放大器中，在半导体内主要是由于反向电流的涨落引起的散粒噪声；而放大器则主要是由于场效应管栅极和栅极绝缘材料的漏电，造成栅极漏电流的涨落。22diIedf二、核电子学中的噪声2.2噪声的分类与噪声源热噪声由导体或电阻中载流子的热运动，使电路中的电流产生涨落造成。（与电路的外加电压和平均电流无关，主要与温度有关）二、核电子学中的噪声2.2噪声的分类与噪声源热噪声一般，在任一段频率内，这种热噪声电流的平均值可表示为：24kTdidfR热噪声不仅存在于电阻元件中，同样，也存在与场效应管导电沟道中。二、核电子学中的噪声2.2噪声的分类与噪声源低频噪声在合成炭质电阻和晶体管，场效应管中，还存在一种随频率降低而增大的低频噪声。它的噪声电压均方值为：2ffAdVdff场效应管也有低频噪声，它和材料的表面特性以及沟道中空间电荷区的陷阱等因素有关，其等效电路如图所示。总结一、核辐射探测器及其输出信号（要求和特点、类别和输出信号、基本性能、输出电路、输出信号的数学模拟）二、核电子学中的噪声（噪声的影响、分类和噪声源）