核电子学与核仪器第十七课

核电子学与核仪器覃国秀[e-mail]:13807947408核技术教研室2009/06/04本堂课主要内容三、符合3.1符合方法3.2符合电路3.3快信号的传输和纳秒延时器四、时间量变换方法4.1时间分析4.2时间-幅度变换4.3时间-数字变换五、脉冲波形甄别三、符合3.1符合方法符合测量是辐射探测中的一种常用和基本的技术。可用于确定两个或多个电离事件的同时性或时间上的相关性。符合测量分正符合测量（简称符合测量）和反符合测量。符合电路计数器1dt12()Ednt1v2v3v探测器1探测器2时检电路1时检电路22dt符合方法方框图三、符合3.1符合方法理想的符合是指两个事件在时间上是完全重合的，但实际上这是不可能的，因为任何一个核时间都有一定的时间过程，所以实际的符合是指事件在一定的时间间隔内的重合。符合单元的基本逻辑功能相当于一个数字门电路。三、符合3.1符合方法符合单元的工作波形32121探测器1探测器2时检1时检2WtWt分辨时间：能够产生符合输出的几个输入端脉冲之间的最大时间间隔。三、符合3.1符合方法符合电路所能识别的“同时”，不是严格的同时，只表明两输入脉冲的到达时间在一定范围内。所以tW越大，发生偶然符合的概率就越大。但是，tW也不能选得太小。由于探测器输出信号存在时间涨落和实际的时检电路存在时间移动和晃动，真符合事件产生的两信号可能不同时到达符合电路，在tW过小时将有真符合计数损失，所以要根据实际条件合适选择tW。选择时主要考虑的问题就是真符合效率和偶然符合计数率。符合曲线测量装置及符合曲线三、符合3.2符合电路慢符合电路慢符合电路的分辨时间范围大概为10ns到10μs之间。慢符合电路单元大多用与非门作成。实际符合电路都需要一个比较好的输入成形级，使输入信号成形为宽度相同且稳定的脉冲信号。单稳电路1甄别器单稳电路（输出成形）12332G符合输出v500ns4.2k4.2k4.2kIII6v4.6k6.83CT200680+24V2k1恒流源调分辨率时间－12V－12V＋12V输入端1成形电路5.5－18p2CB5D4D3D2D1D1C150p2R4R1R3R5.6k5.6k1k2.6kA1v2v3v3v100ns4v5vWt0VWt输入端成形电路三、符合3.2符合电路快符合电路快符合电路单元是用高速元器件(高速隧道二极管、高速二极管)做成的。隧道二极管基本符合单元相加型共基极快符合电路单元三、符合3.3快信号的传输和纳秒延迟器快信号传输和传输电缆在核电子学中，快信号在各个部件之间传输是由传输电缆完成的。一般，信号在电缆中传输的速度为光速的66%。若为延迟电缆，则中心导线是螺旋形的。电缆的主要特性有特性阻抗、单位长度电容和衰减系数。当电缆与高压连接的时候，还需注意电缆的耐压大小。快信号传输和传输电缆在使用电缆传输信号时，需要区分所传输的脉冲信号是快脉冲还是慢脉冲。由于所用电缆的传输速度一般为vp=3.3ns/m，所以信号在电缆中的传输时间为：t=vp·l。信号的上升时间trt为快脉冲；上升时间trt为慢脉冲。对于快脉冲的传输，特性阻抗的匹配时很重要的。三、符合3.3快信号的传输和纳秒延迟器纳秒延时器信号在传输过程中会产生时间延迟。除了传输延迟外，信号在任何加工处理过程中都会产生延迟。信号的时间延迟是信号传输和加工的一个普遍现象。对于时间测量系统，这些延迟会影响时间测量结果。纳秒延迟器一般由延迟电缆和开关组成。四、时间量变换方法4.1时间分析时间分析是分析一个核态与另一个核态之间的时间关系，也就是测量核事件的时间间隔概率密度分布。一个为起始事件，另一个事件为停止事件，两个事件相对时间间隔大小是随机分布的。在电子学上，就是测量相应的起始信号和停止信号之间时间间隔的分布。一般，两个信号之间的时间间隔分布可用延迟符合方法获得。延迟符合测量是改变两道符合输入信号之间的相对延迟时间td，测量其相应的计数。设符合电路分辨时间为τ，则对于延迟时间td，符合电路只选择那些时间间隔落在td±τ中的脉冲对加以记录，逐点改变td，就可以测得延迟符合曲线。四、时间量变换方法4.1时间分析用上述的方法测量一个时间分布要花费很多时间，同时也带来仪器长期稳定性问题，而且放射性活度的变化也会影响到测量结果。为此，需要一次测量就能得到时间间隔分布的多道时间分析器。用多道时间分析器进行时间分析，与用多道脉冲幅度分析器进行幅度分析类似，首先要将时间间隔作为数字编码，然后对数字化信息进行统计和分析。多道分析器在一次测量中能将具有各种时间间隔的脉冲对进行分类。目前，时间间隔数字编码的主要方法可分为两类。一类是时间-数字变换，另一类是时间-幅度变换。四、时间量变换方法4.2时间-幅度变换(TAC)实现时间-幅度变换就是把时间间隔的长短变换成幅度的大小。按工作原理的不同，可以把时幅变换分成两类：起停型时幅变换器和重叠型时幅变换。起-停型时幅变换时间间隔变换成脉冲幅度的最简单方法是在起始信号与停止信号之间的时间间隔内，用恒定电流充电的方法。四、时间量变换方法4.2时间-幅度变换时幅变换原理电路框图四、时间量变换方法4.2时间-幅度变换起-停型时幅变换在前面的讨论中，都假设在测量时间间隔时，每个起始信号都对应一个停止信号。但是，在实际工作中，起始道对应的探测器和停止道对应的探测器的探测效率不会完全相同，所以一个探测器探测到的核辐射信号在另一个探测器可能探测不到，因此，在时幅变换中，除了有起有停情况外，还有另外两种情况：一个是有起始信号无停止信号；另一个是有停止信号无起始信号。四、时间量变换方法有起无停的情况，解决方案：超量程无输出方法和有停才有起法。有停无起的情况，解决方案：有起才有停法。起停型时幅变换器的线性好，时间间隔范围宽，时间分辨好，而且通用性强。四、时间量变换方法4.2时间-幅度变换脉冲重叠型时幅变换脉冲重叠型时幅变换方法是由符合电路演变而来的，它的输出幅度正比于两个脉冲的重叠时间。Vo∝(T-Δt)脉冲重叠型时幅变换器电路简单，而且单个信号不会使时幅变换器输出信号。但是脉冲重叠型时幅变换器的被测时间间隔必须小于脉冲的宽度。四、时间量变换方法4.2时间-幅度变换脉冲重叠型时幅变换脉冲重叠型时幅变换器具有变换速度快和死时间小的优点，但它的线性和精度较差，所以大多用在高计数率时间分析的实验中。简单重叠型时幅变换电路四、时间量变换方法4.3时间-数字变换计数式时间-数码变换的基本原理是:在被测时间间隔内，将频率稳定（周期T0已知）的时钟脉冲送到寄存器。寄存器记录的时钟脉冲数m代表起、停信号间的时差tx。此数码m表示此时输入脉冲所属道的地址（道址）。T0就是时间道宽。所以寄存器称为地址寄存器，m称为地址码。由地址码m选定存储器第m道的计数器，使其计数加1，就实现了将此对脉冲按其时差大小记录在存储器的相应道址的计数器中。四、时间量变换方法4.3时间-数字变换计数式时间-数字变换计数式时数变换是一种常用的时间间隔直接进行数字编码的方法。m12345计数式时数变换原理四、时间量变换方法计数式时间-数字变换如果时钟是自激振荡器，起始信号和时钟脉冲间无一定相位关系。同样的时差，能进入地址寄存器的时钟脉冲数可能相差1。起始停止时钟时钟xt4m5m计数式时数变换方法简单，测量范围原则上可以无穷大，测量精度主要取决于时钟频率及其稳定性，道宽调节方便，稳定性和积分线性都很好。不需要附加的变换时间，因而死时间短，适合于高计数率下的时间测量。它的缺点是道宽不能做的太小，时间分辨率不高。四、时间量变换方法4.3时间-数字变换游标尺计数器游标尺计数器是一种常用测量短时间间隔的方法。其工作原理类似于机械游标卡尺。振荡T1振荡T2符合起始停止地址寄存器m停振11234234mm00起始停止符合tTxKt1CP2CPxt1T2T……游标尺计时器工作原理四、时间量变换方法游标尺计数器m与tx的关系:12(1)(1)xmTmTt(1)xmTt1xtmT游标尺计时器时数变换的线性好，稳定性好，道宽小的时候精度很高。主要缺点是测量死时间很大，且道宽调节不方便。四、时间量变换方法4.3时间-数字变换内插时间-数字变换计数式时间-数字变换的时间分辨不高，可以用内插法解决这个问题。由于Δt1和Δt2都小于一个时钟周期，直接计数法不能测定它们。而用内插法可以精细测量时钟脉冲与起、停脉冲之间小于时钟周期的时差。四、时间量变换方法内插时间-数字变换(1)时间扩展内插时数变换利用充电和放电电流不同来扩大时间间隔。2110121()()()IIttItt220101()IttttI实际应用中要注意时间分辨和死时间的要求。四、时间量变换方法4.3时间-数字变换内插时间-数字变换(2)时幅变换内插时数变换由于起停型时幅变换具有时间分辨好、道宽小的特点，适合于小时间间隔测量，因此，可以用时数变换器测量时间间隔为时钟周期整数周期部分，而用时幅变换器作为时数变换器的内插电路，测量小时钟周期的时间间隔部分。四、时间量变换方法4.4上升时间-幅度变换上升时间-幅度变换也是一种时间量变换。此时待测的时间间隔为脉冲信号的上升时间。上升时间-幅度变换器与脉冲幅度分析器可以组成上升时间分析器。上升时间分析器用来研究输入信号上升时间的分布，尤其是核辐射探测器输出信号的波形分布。探测器输出信号的上升时间差异由以下几种原因产生：探测器的种类或结构不同；入射粒子的种类、位置、方向不同；计数率过高发生堆积等。四、时间量变换方法4.4上升时间-幅度变换前沿定时-过零定时型上升时间幅度变换前沿定时-过零定时型上升时间幅度变换方法简单，如果测量上升时间的要求不高或两种输入信号的上升时间差异较大，则可使用这种方法。四、时间量变换方法4.4上升时间-幅度变换恒比定时-过零定时型上升时间幅度变换恒比定时用于决定输入信号波形的起点，它的定时信号作为时幅变换器的起始信号。过零定时决定输入波形的峰顶时间，其信号作为时幅变换器的停止信号。这种方法结构简单，精度比较高，所以能满足一般波形甄别的要求，应用比较广泛。四、时间量变换方法4.4上升时间-幅度变换恒比定时-恒比定时型上升时间幅度变换这种方法可测量输入信号前沿的任何部分的时间间隔，其通用性比较强。五、脉冲波形甄别器脉冲波形甄别器是指按脉冲信号的形状不同对脉冲进行分类。脉冲信号的形状包括幅度、上升时间、下降时间、宽度等。一般，脉冲波形甄别不包括脉冲幅度甄别。脉冲波形甄别可以看做时间甄别和分析的一个重要应用。脉冲波形甄别的用途很广。它可用于粒子甄别，即利用不同粒子在探测器中产生的信号波形不同来区别不同的粒子；它还可用于除掉锗(锂)探测器中由于缺陷而产生的慢上升信号，以及用于堆积拒绝等。五、脉冲波形甄别器脉冲波形甄别主要根据探测器输出信号形状不同进行甄别，所以脉冲波形甄别性能与探测器性能密切相关。因此，除了上升时间-幅度变换器、脉冲宽度甄别器等部件的性能外，还往往要给出整个脉冲波形甄别系统的性能。整个系统的主要性能指标为优质因子M。M表示系统能够分开a粒子和b粒子的能力。abxMWW总结