核电子学与核仪器第十六课

核电子学与核仪器覃国秀[e-mail]:13807947408核技术教研室2009/05/26第四章关键点脉冲幅度甄别器工作原理、微分谱、积分谱、一般要求、半计数法单道脉冲幅度甄别器工作原理、实验用单道脉冲幅度分析电路的结构、技术指标用于幅度分析的模数变换器模数变换方法的基本原理、变换系数与道宽线性门与展宽器线性门(常闭线性门与常开线性门)、模拟展宽器工作原理线性放电型模数变换器工作原理、参数调节与辅助电路、滑移标尺道宽均匀器逐次比较型模数变换器数模变换器工作原理、逐次比较型模数变换器工作原理、道宽均匀器工作原理闪电型模数变换器、模数变换器的主要技术性能本堂课主要内容一、时间分析概述二、定时方法2.1前沿定时2.2过零定时2.3恒比定时2.4幅度和上升时间补偿定时2.5最佳定时滤波器与定时滤波放大器2.6定时单道脉冲幅度分析器一、时间分析概述时间信息的分析是核电子学的一种基本和重要的技术。核事件的许多信息是以时间信息方式存在于核辐射探测器输出信息中。在时间的测量和分析中，首先是用定时方法准确的确定入射粒子进入探测器的时间。时间上相关的事件可以用符合技术进行选择。时间间隔可通过变换的方法，变成数字信号，从而编码分类计数最后得到时间谱。本章主要介绍时间信息的甄别和分析，包括定时方法、符合技术和时间变换等内容。一、时间分析概述ΔE—E飞行时间望远镜实际测量中，ΔE—E探测器输出信号是通过放大器、定时电路、时间数字变换器等部件组成的时间测量系统进行获取和分析的。定时道各个部件简介（1）探测器与输出电路用于时间分析的探测器要有快响应性能。为了保持探测器输出信号的快时间特性，要求探测器输出电路有快的时间响应相配合。一、时间分析概述（2）快前置放大器为了取得快时间信号，要求有快速时间响应的前置放大器以保持输出信号时间信息不变，如快电流灵敏前放。（3）定时滤波放大器用于定时的前置放大器输出信号有时还需进一步放大才能驱动定时电路，这就需要一种快速的主放大器。（4）定时电路用来确定粒子进入探测器的时间，它应该使各种因素对定时产生的误差为最小。（5）时间变换器把信号时间间隔变换成对应的数码，或者先将时间量变换成数码。一、时间分析概述对一个包含时间信息的信号，若要精确的确定时间，理想的是产生一个像δ(t-t0)函数那样的时间脉冲。但是实际探测器输出信号不是理想的δ(t-t0)信号，而是具有一定宽度的电流脉冲。定时误差通常按误差产生的原因分为两类：时间移动和时间晃动。时间移动是输入脉冲的幅度和波形的变化引起定时电路输出脉冲定时时刻的移动。时间晃动是系统的噪声和探测器信号的统计涨落引起的定时时刻的涨落。时间漂移：元件老化、环境温度或电源电压变化（属于慢变化）引起的定时误差。一、时间分析概述所谓时间分析是指测量的两个相关核事件的时间间隔概率密度分布。表征一个时间分析系统的主要特性是时间分辨，它是指系统能分开两个事件的能力。目前，用电子学方法测量最小时间间隔约为10-13s。电子学测量时间间隔的范围大概为10-3—10-12s之间。通常μs量级的定时称为慢定时，ps量级的定时称为快定时。目前，电子学部件的分辨时间可以达到几个ps，它比核辐射探测器的分辨时间小得多。因此，整个时间分析系统的时间分辨首先受到探测器时间性能的限制。二、定时方法定时电路是核电子学中检出时间信息的基本单元，故又称时间检出电路。它接收来自探测器的随机脉冲，产生一个与输入脉冲时间上有确定关系的输出脉冲。探测器快放大器时检电路﹡iDv1voiDv1votttt因为探测器输出的脉冲上升时间变化范围很大，输出脉冲幅度变化范围也很大，再加上噪声的影响，所以精确定时有一定的困难。二、定时方法2.1前沿定时电路原理FDRVETV1v2vTV01v2v回差()TLt定时时间前沿定时是检出定时信号的最简单方法，但是一个触发电路用作定时电路将会存在延迟。二、定时方法2.1前沿定时前沿定时误差分析ttt(a)(b)(c)CBATV1()tv0输入输出输出阈电平1dt2dt3dt1dt2dt3dt123将输入信号用方程式表示如下：()MMiMtVtvtV0MttMtt定时时间：TLMMVttV二、定时方法前沿定时误差分析1）输入信号幅度和上升时间变化引起的时间移动maxminminmaxMMLTiitttVVV信号幅度、上升时间同时变：信号幅度变，上升时间不变：maxminmaxmin()iiLVTMiiVVtVtVV信号幅度不变，上升时间变：maxmin()TLTMMMVtttV二、定时方法2）超阈延迟上面分析没有考虑甄别器的超阈延迟。实际上，输入信号刚刚超过甄别阈时，甄别器并不立即产生输出信号，而是要在信号超过甄别阈某一数值后才触发；触发时间晚于上述的td1、td2、td3，分别存在超阈延迟△1、△2、△3。输出信号的实际产生时间将为td1’、td2’、td3’。信号前沿斜率越小，超阈延迟通常越大，所以超阈延迟的存在将增大时间移动。二、定时方法3）噪声引起的时间晃动a、时检电路输入信号上叠加的噪声引起的晃动，如图（a）。t(a)(b)TV0输入阈电平dt1v12TtTV0输入dt1v22Tb、时检电路本身的噪声引起的晃动，如图（b）。1()nTiTvvt2()VTiTvvt噪声均方根值为vn噪声引起的过阈时间的标准偏差二、定时方法4）输入信号统计涨落引起的时间晃动对于同一种类、同一能量的入射粒子，即使入射到探测器同一区域，探测器输出信号的产生时间、幅度和波形也是涨落的。信号的统计涨落将引起定时的时间晃动。当然，如果定时电路能够消除由于幅度和上升时间变化而产生的时间移动，就能消除由于幅度和上升时间涨落而产生的时间晃动。但是，探测器输出信号产生时间相对于粒子入射时刻的涨落和信号波形的涨落，仍将引起定时电路的时间晃动。二、定时方法2.1前沿定时触发比与斜率噪声比为了减小时间移动和时间晃动，信号触发定时电路要有一个合适的触发比。触发比指的是，探测器输出电流脉冲使时检电路触发时的输出电荷量QT与电流脉冲总电荷量Q之比。也可表示为：TMVfV综合考虑触发比和噪声引起误差的影响，定义斜率噪声比为：'()iTTnvtv二、定时方法触发比与斜率噪声比为了减小信号幅度和上升时间变化引起的时间移动，f应尽量小。但是为了保证定时电路不被噪声Vn触发，又要求VT(2-3)Vn，即要求f(2-3)/η。η为信噪比V/Vn。为了减小噪声引起的时间晃动，触发比应选在信号上升斜率最大处。而为了减小信号涨落引起的时间晃动，对于一定的探测器，可能存在某一最佳触发比。所以实际的定时系统，常要在实验中调节触发比，以获得最好定时精度。二、定时方法2.1前沿定时在前沿触发定时方式中，VT为常数，在信号幅度变化时f不可能恒为所需值，所以常要把信号幅度限制在一定范围内，以便获较小的时间移动。前沿定时电路的优缺点：优点：电路简单，噪声引起的时间晃动比恒比定时或ARC定时小缺点：时间移动大，定时误差大二、定时方法2.2过零定时从前沿触发定时电路的分析中可以看出，要在输入信号幅度变化时不产生时间移动，只有VT＝0。这一点可用公式表示。令输入信号vi(t)＝Af(t)，A表示幅度，则过阈时间tT决定于下式t的解：就消除幅度变化引起的时间移动而言，必须利用信号过零时间作为定时点，称为过零定时。()0TTAftV二、定时方法2.2过零定时原理电路预置技术二、定时方法2.2过零定时将单极性的信号成形为双极性的信号，产生一个与幅度无关的过零点。尽量减小噪声引起的时间晃动。即要求：对成形电路的要求：1()nTiTvvt要小。或要大。()iTnvtv过零定时电路的优缺点：优点：消除信号幅度变化引起的时间移动。缺点：其它引起定时误差的因素不能消除。二、定时方法2.3恒比定时恒比定时就是确实具有恒定触发比的定时方法。又称为恒比甄别。如果不采用固定不变的甄别阈VT，而使VT和信号幅度A成正比，设VT＝pA，则上式的解与A无关，而触发比f=pA/A=p，恒定不变，调节p可以很方便的调节触发比，使晃动最小。()0TAftpA特点：消除信号幅度变化引起的时间移动，触发比可调。二、定时方法2.3恒比定时恒比定时的两种结构：二、定时方法实现恒比定时的关键是如何得到VT=pA。12()()()dvtAfttpAft00()()dAfttpAft0dMttpt不能消除上升时间变化的影响。二、定时方法2.4幅度和上升时间补偿定时原理幅度上升时间补偿定时，简称ARC定时，是恒比定时方法的进一步发展。为了消除上升时间变化引起的时间移动，可以取VT为：()TVpAft则()()0dAfttpAft设输入信号前沿为线性增长，则0dMMAAttpttt1dAttp二、定时方法2.4幅度和上升时间补偿定时原理ARC定时电路原理与恒比定时完全一样，只是延迟时间td的大小取得不同。为了实现ARC定时，必须取延迟时间为：(1)dMtpt满足上式的条件，成形信号的过零点才处在输入信号的上升沿上。因此当上升时间变化时，相应的输入信号的上升时间变化得到补偿。注意：ARC定时的触发比随tM变化，而恒比定时的触发比等于p。二、定时方法ARC定时选取定时点在信号上升时间的开始部分，而探测器输出信号变化主要在后面部分，所以大大的消除了时间移动。二、定时方法2.4幅度和上升时间补偿定时ARC定时电路对于输入信号具有比较小的幅度的情况，幅度仅超过阈电平VT很小一点时，也会使预置触发时刻接近tM，就会导致预置信号出现在定时点后面。双预置技术二、定时方法2.5定时方法比较所介绍的前沿定时、过零定时、恒比定时、幅度与上升时间补偿定时各有优缺点，实际中可按不同要求选用。对于探测器输出信号幅度变化范围小和信号形状不变化的情况，前沿定时的时间分辨率最好。对于信号幅度变化范围大且信号形状不变化的情况，恒比定时很有效。对于信号上升时间也变化的情况，要用幅度和上升时间补偿定时。因此，任何定时方法的选用都和探测器输出信号的特性、探测器电荷收集特性有关。二、定时方法前沿定时过零定时恒比定时ARC定时工作方式前沿触发VT=Af(t)过零触发VT=0f=p，VT=pAtd(1-p)tM时间移动不能消除幅度和上升时间变化引起的时移不能上升时间变化引起的时移不能上升时间变化引起的时移可消除幅度和上升时间变化引起的时移触发比易调一定可调可调预置甄别器不用用用双预置特点使用最早，普遍，电路简单；但能粒子时移小，宽能则大幅度变化范围大，f不能调节幅度变化范围大，f可调，小幅度涨落消除幅度和上升时间变化的时移，要求上升时间线性变化二、定时方法2.6最佳定时滤波器与定时滤波放大器最佳定时滤波器用于定时的滤波成形电路与幅度分析中的不同。在定时电路中要求斜率噪声比最好。斜率噪声比达到最大值的定时滤波器称为最佳定时滤波器。设定时滤波器的频率响应为H(ω)，输入信号的频谱密度函数为Vi(ω)，输入噪声的功率谱密度函数为Si(ω)，则根据傅立叶变换的基本性质221()()2niVSHd噪声均方值：1()()()2jtiivtVHjed输入信号的导数为：二、定时方法2.6最佳定时滤波器与定时滤波放大器最佳定时滤波器噪声引起的定时标准误差平方2222()()()()iTjtiSHdVHjed则12222()11()2πiTiTVdS二、定时方法最佳定时滤波器最佳定时滤波成形电路的频率响应为：()()()TjtiikVHjeS当输入为白噪声，则最佳滤波器的频率响应为：2()()TjtikVHjed()(),(