核电子学与核仪器第16课时间分析讲解课件.ppt
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- 核电 仪器 16 课时 分析 讲解 课件
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1、核电子学与核仪器核电子学与核仪器第四章关键点第四章关键点n脉冲幅度甄别器脉冲幅度甄别器 工作原理工作原理、微分谱微分谱、积分谱积分谱、一般要求一般要求、半计数法半计数法n单道脉冲幅度甄别器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、工作原理、实验用单道脉冲幅度分析电路的结构、技术指标技术指标n用于幅度分析的模数变换器用于幅度分析的模数变换器 模数变换方法的基本原理、变换系数与道宽模数变换方法的基本原理、变换系数与道宽n线性门与展宽器线性门与展宽器 线性门线性门(常闭线性门与常开线性门常闭线性门与常开线性门)、模拟展宽器模拟展宽器工作原理工作原理n线性放电型模数变换器线性放电
2、型模数变换器 工作原理工作原理、参数调节与辅助电路参数调节与辅助电路、滑移标尺道宽滑移标尺道宽均匀器均匀器n逐次比较型模数变换器逐次比较型模数变换器 数模变换器工作原理、数模变换器工作原理、逐次比较型模数变换器工逐次比较型模数变换器工作原理、作原理、道宽均匀器工作原理道宽均匀器工作原理 闪电型模数变换器、闪电型模数变换器、模数变换器的主要技术性能模数变换器的主要技术性能本堂课主要内容本堂课主要内容n一、时间分析概述一、时间分析概述n二、定时方法二、定时方法 2.1前沿定时前沿定时 2.2过零定时过零定时 2.3恒比定时恒比定时 2.4幅度和上升时间补偿定时幅度和上升时间补偿定时 2.5最佳定时
3、滤波器与定时滤波放大器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定时单道脉冲幅度分析器一、时间分析概述一、时间分析概述n时间信息的分析时间信息的分析是核电子学的一种基本和重要的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技术。核事件的许多信息是以时间信息方式时间信息方式存在存在于核辐射探测器输出信息中。于核辐射探测器输出信息中。n在时间的测量和分析中,首先是用在时间的测量和分析中,首先是用定时方法定时方法准确准确的的确定入射粒子进入探测器的时间确定入射粒子进入探测器的时间。时间上相关。时间上相关的事件可以用的事件可以用符合技术符合技术进行选择。时间间隔可通进行选择。
4、时间间隔可通过过变换的方法变换的方法,变成数字信号变成数字信号,从而编码分类计,从而编码分类计数最后得到数最后得到时间谱时间谱。n本章主要介绍本章主要介绍时间信息的甄别和分析时间信息的甄别和分析,包括,包括定时定时方法、符合技术和时间变换方法、符合技术和时间变换等内容。等内容。一、时间分析概述一、时间分析概述nEE飞行时间望远镜飞行时间望远镜实际测量中,实际测量中,EE探测器探测器输出信号是通过输出信号是通过放大器、定放大器、定时电路、时间数字变换器时电路、时间数字变换器等等部件组成的时间测量系统进部件组成的时间测量系统进行获取和分析的。行获取和分析的。n定时道各个部件简介定时道各个部件简介
5、(1)探测器与输出电路)探测器与输出电路用于时间分析的探测器要有用于时间分析的探测器要有快响应性能快响应性能。为了保持探测器。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输出信号的快时间特性,要求探测器输出电路有快的时间快的时间响应响应相配合。相配合。一、时间分析概述一、时间分析概述(2)快前置放大器)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,如以保持输出信号时间信息不变,如快电流灵敏前放快电流灵敏前放。(3)定时滤波放大器)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
6、放大才能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,这就需要一种驱动定时电路,这就需要一种快速的主放大器快速的主放大器。(4)定时电路)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。时产生的误差为最小。(5)时间变换器)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。成数码。一、时间分析概述一、时间分析概述n对一个包含时间信息的信号,若要对一个包含时间信息的信号,若要精确的确定时精确的确定时间间,理想的是产生一个像,理想
7、的是产生一个像(t-t0)函数函数那样的时间脉那样的时间脉冲。但是实际探测器输出信号不是理想的冲。但是实际探测器输出信号不是理想的(t-t0)信信号,而是号,而是具有一定宽度的电流脉冲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定时误差通常按误差产生的原因分为两类:两类:时间移动和时间晃动时间移动和时间晃动。时间移时间移动是输入脉冲的幅度和波形的变化引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。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。的统计涨落引起的定时时刻的涨落。时间漂
8、移:时间漂移:元件老化、环境温度或元件老化、环境温度或电源电压变化(属于慢变化)引起电源电压变化(属于慢变化)引起的定时误差。的定时误差。一、时间分析概述一、时间分析概述n所谓时间分析是指测量的两个相关核事件的时间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。间隔概率密度分布。表征一个时间分析系统的主表征一个时间分析系统的主要特性是要特性是时间分辨时间分辨,它是指系统能分开两个事件它是指系统能分开两个事件的能力的能力。目前,用电子学方法测量最小时间间隔。目前,用电子学方法测量最小时间间隔约为约为10-13s。n电子学测量时间间隔的范围大概为电子学测量时间间隔的范围大概为10-31
9、0-12s之间。之间。通常通常s量级的定时称为慢定时,量级的定时称为慢定时,ps量级的定时称为量级的定时称为快定时快定时。n目前,电子学部件的分辨时间可以达到几个目前,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,它比核辐射探测器的分辨时间小得多。因此,整整个时间分析系统的时间分辨首先受到探测器时间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性能的限制。二、定时方法二、定时方法n定时电路是核电子学中检出时间信息的基本单元,故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。又称时间检出电路。它接收来自探测器的随机脉冲,它接收来自探测器的随机
10、脉冲,产生一个与输入脉冲时间上有确定关系的输出脉冲。产生一个与输入脉冲时间上有确定关系的输出脉冲。探测器探测器快放大器快放大器时检电路时检电路iDv1voiDv1votttt因为探测器输出的脉冲上升时因为探测器输出的脉冲上升时间变化范围很大,输出脉冲幅间变化范围很大,输出脉冲幅度变化范围也很大,再加上噪度变化范围也很大,再加上噪声的影响,所以精确定时有一声的影响,所以精确定时有一定的困难。定的困难。二、定时方法二、定时方法n2.1前沿定时前沿定时 电路原理电路原理定时时间定时时间 前沿定时前沿定时是检出定时信号的是检出定时信号的最简单方法最简单方法,但是一个,但是一个触发电路用作定时电路将会存
11、在触发电路用作定时电路将会存在延迟延迟。二、定时方法二、定时方法n2.1前沿定时前沿定时前沿定时误差分析前沿定时误差分析将输入信号用方程式表将输入信号用方程式表示如下:示如下:()MMiMtVtv tV 0MttMtt 定时时间:定时时间:TLMMVttV 二、定时方法二、定时方法前沿定时误差分析前沿定时误差分析 1)输入信号幅度和上升时间变化引起的时间移动)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、上升时间同时变:信号幅度变,上升时间不变:信号幅度变,上升时间不变:maxminmaxmin()iiLVT Mii
12、VVtV tVV 信号幅度不变,上升时间变:信号幅度不变,上升时间变:maxmin()TLTMMMVtttV 二、定时方法二、定时方法2)超阈延迟)超阈延迟n上面分析没有考虑甄别器的上面分析没有考虑甄别器的超阈延迟超阈延迟。实际上,。实际上,输入信号刚刚超过甄别阈时,甄别器并输入信号刚刚超过甄别阈时,甄别器并不立即产不立即产生生输出信号,而是要在信号超过甄别阈某一数值输出信号,而是要在信号超过甄别阈某一数值后才触发;后才触发;触发时间晚于触发时间晚于上述的上述的td1、td2、td3,分别,分别存在超阈延迟存在超阈延迟1、2、3。输出信号的实际产。输出信号的实际产生时间将为生时间将为td1、t
13、d2、td3。n信号前沿斜率越小,超阈延迟通常越大,所以信号前沿斜率越小,超阈延迟通常越大,所以超超阈延迟阈延迟的存在将增大时间移动。的存在将增大时间移动。二、定时方法二、定时方法3)噪声引起的时间晃动)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(、时检电路输入信号上叠加的噪声引起的晃动,如图(a)。)。b、时检电路本身的噪声引起的晃动,如图(、时检电路本身的噪声引起的晃动,如图(b)。)。1()nTiTvvt 2()VTiTvvt 噪声均方根值为噪声均方根值为vn 噪声引起的过阈时间的标准偏差噪声引起的过阈时间的标准偏差 二、定时方法二、定时方法4)输入信号统计涨落引
14、起的时间晃动)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到探测器同一区域,探测器输出信号的产生时间时间、幅度幅度和和波形波形也是也是涨落涨落的。信号的统计涨落将引起的。信号的统计涨落将引起定时的定时的时间晃动时间晃动。当然,如果定时电路能够消除。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能消除由于幅度和上升时间涨落而产生的时间晃动。但是,动。但是,探测器输出信号产生时间相对于
15、粒子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时电路的时间晃动。二、定时方法二、定时方法n2.1前沿定时前沿定时触发比与斜率噪声比触发比与斜率噪声比 为了减小为了减小时间移动和时间晃动时间移动和时间晃动,信号触发,信号触发定时电路定时电路要要有一个合适的有一个合适的触发比触发比。触发比指的是,探测器输出电触发比指的是,探测器输出电流脉冲使时检电路触发时的输出电荷量流脉冲使时检电路触发时的输出电荷量QT与电流脉冲与电流脉冲总电荷量总电荷量Q之比。也可表示为:之比。也可表示为:TMVfV 综合考虑触发比和噪声
16、引起综合考虑触发比和噪声引起误差的影响,定义斜率噪声误差的影响,定义斜率噪声比为:比为:()iTTnvtv 二、定时方法二、定时方法触发比与斜率噪声比触发比与斜率噪声比n为了减小信号为了减小信号幅度和上升时间变化幅度和上升时间变化引起的引起的时间移动时间移动,f应尽量小。但是为了保证应尽量小。但是为了保证定时电路定时电路不被不被噪声噪声Vn触发触发,又要求又要求VT(2-3)Vn,即要求,即要求f(2-3)/。为信噪比为信噪比V/Vn。n为了减小噪声引起的为了减小噪声引起的时间晃动时间晃动,触发比应选在,触发比应选在信号上信号上升斜率最大处升斜率最大处。n而为了减小信号涨落引起的而为了减小信号
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