第一章核電子學(xué)系統(tǒng)中信號(hào)與噪聲

1、第一章核電子系統(tǒng)中的信號(hào)與噪聲1.1.核輻射探測(cè)器及其輸出信號(hào)核輻射探測(cè)器及其輸出信號(hào) ! ! ! ! !2.2.核電子學(xué)中的噪聲核電子學(xué)中的噪聲3 3 核電子學(xué)中的信號(hào)與噪聲分析基礎(chǔ)核電子學(xué)中的信號(hào)與噪聲分析基礎(chǔ) ! ! ! ! !4 4 核電子學(xué)測(cè)量系統(tǒng)概述核電子學(xué)測(cè)量系統(tǒng)概述基基本本內(nèi)內(nèi)容容核輻射探測(cè)器輸出信號(hào)特點(diǎn)，核電子學(xué)中的信號(hào)噪聲分析基礎(chǔ)。目的與要求目的與要求(1)(1)掌握核輻射探測(cè)器輸出信號(hào)的特點(diǎn)。掌握核輻射探測(cè)器輸出信號(hào)的特點(diǎn)。(2)(2)熟練掌握核電子學(xué)系統(tǒng)中的信號(hào)和噪聲分析基礎(chǔ)。熟練掌握核電子學(xué)系統(tǒng)中的信號(hào)和噪聲分析基礎(chǔ)。(3)(3)了解：核電子學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的組成。了解：核

2、電子學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的組成。 1.1.核輻射探測(cè)器及其輸出信號(hào)核輻射探測(cè)器及其輸出信號(hào)核物理和粒子物理實(shí)驗(yàn)中，基本的測(cè)量方法核電子學(xué)的研究對(duì)象是什么？輸出信號(hào)的特點(diǎn)探測(cè)器輸出信號(hào)為隨機(jī)脈沖探測(cè)器輸出信號(hào)為隨機(jī)脈沖時(shí)間特性時(shí)間特性幅度分布的非周期性幅度分布的非周期性非等值性非等值性 由于信號(hào)統(tǒng)計(jì)性，要求核電子學(xué)用獨(dú)特方法處理和研究由于信號(hào)統(tǒng)計(jì)性，要求核電子學(xué)用獨(dú)特方法處理和研究輸出信號(hào)的特點(diǎn)脈沖參數(shù)脈沖參數(shù)： 電荷量、出現(xiàn)時(shí)刻、單位時(shí)間脈沖數(shù)、脈沖形狀電荷量、出現(xiàn)時(shí)刻、單位時(shí)間脈沖數(shù)、脈沖形狀（上升時(shí)間）（上升時(shí)間）核信息核信息： 能量（能損），粒子入射時(shí)間、強(qiáng)度、粒子類型能量（能損），粒子入射時(shí)間、

3、強(qiáng)度、粒子類型（ .n.p.d）二探測(cè)器類別和輸出信號(hào)二探測(cè)器類別和輸出信號(hào)探測(cè)器探測(cè)器 對(duì)于輻射是對(duì)于輻射是不能不能感知感知的，因此人們必須借助于的，因此人們必須借助于探測(cè)探測(cè)各種輻射，給出輻射的各種輻射，給出輻射的、及及等特性。等特性。即對(duì)輻射進(jìn)行即對(duì)輻射進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量。 輻射探測(cè)器輻射探測(cè)器的定義：利用的定義：利用輻射輻射在在氣體氣體、液體液體或或固體固體中中引起的引起的、效應(yīng)或效應(yīng)或其它物理其它物理、化學(xué)變化化學(xué)變化進(jìn)行進(jìn)行輻射輻射探測(cè)探測(cè)的的器件器件稱為稱為。探測(cè)器類別和輸出信號(hào) 探測(cè)器探測(cè)器按按探測(cè)介質(zhì)類型探測(cè)介質(zhì)類型及及作用機(jī)制作用機(jī)制主要分為：主要分為：u ；u ；u 。氣體探

4、測(cè)器氣體探測(cè)器電離室、正比計(jì)數(shù)器、電離室、正比計(jì)數(shù)器、G-M計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器(a)工作原理工作原理. (b) 等效電路等效電路 (c)簡化電路簡化電路 /*EAFN 產(chǎn)生電子產(chǎn)生電子-離子對(duì)數(shù)離子對(duì)數(shù)F-F-法諾因子法諾因子 A-A-氣體放大倍數(shù)氣體放大倍數(shù) -平均電離能量（產(chǎn)生平均電離能量（產(chǎn)生對(duì)電子、離子對(duì)所需平均能量對(duì)電子、離子對(duì)所需平均能量2040 ev) 2040 ev) Q=Ne e-1.6Q=Ne e-1.6* *1010-19-19c c 形成感應(yīng)電流形成感應(yīng)電流 i(t)=Q(t)/i(t)=Q(t)/t (t (與位置與位置漂移速度有漂移速度有關(guān)關(guān) ) )通過電容器積分得電壓通

5、過電容器積分得電壓 todttiCCQtv0)(/1/)( /*EAFN Q=Nei(t)=Q(t)/t todttiCCQtv0)(/1/)( T0CNe dttICtVt 00010CQ T 00CR000CRteCNe t duuNeI dNeuI t)(tI)(tV電離室電離室的的輸出信號(hào)輸出信號(hào)需要用需要用電子儀器電子儀器來測(cè)量。來測(cè)量。氣體氣體 電離室電離室高壓高壓前置前置 放大器放大器放大器放大器單道或多道單道或多道脈沖分析器脈沖分析器耐高壓隔直電容耐高壓隔直電容C半導(dǎo)體探測(cè)器半導(dǎo)體探測(cè)器工作原理：固體電離室工作原理：固體電離室 (Ge)=2.96eV (Si)=3.61eV (

6、Ge)=2.96eV (Si)=3.61eV 利用利用輻射輻射在某些物質(zhì)中產(chǎn)生的在某些物質(zhì)中產(chǎn)生的來探測(cè)來探測(cè)電離輻射電離輻射的探的探測(cè)器。測(cè)器。閃爍體閃爍體光電倍增管光電倍增管( (打拿極打拿極) )反射層反射層管座管座分壓器分壓器高壓高壓多道或單道多道或單道光陰極光陰極陽極陽極熒光熒光光子光子光電子光電子暗盒暗盒窗窗前置放大器前置放大器閃爍體探測(cè)器閃爍探測(cè)器閃爍探測(cè)器的的工作過程工作過程：(1) 輻射輻射射入閃爍體使射入閃爍體使閃爍體原子閃爍體原子電離電離或或激發(fā)激發(fā)，受激受激原子原子退激退激而發(fā)出波長在而發(fā)出波長在可見光波段可見光波段的的。(2) 熒光光子熒光光子被收集到被收集到(PMT

7、)的的，通，通過過打出打出。(3) ，并在，并在輸出輸出信號(hào)信號(hào)?？捎脕頊y(cè)量可用來測(cè)量的的。 閃爍探測(cè)器閃爍探測(cè)器閃爍體探測(cè)器閃爍體分子或原子激發(fā)閃爍體分子或原子激發(fā),退激發(fā)熒光，經(jīng)光電信號(hào)增量成光電子并倍增。退激發(fā)熒光，經(jīng)光電信號(hào)增量成光電子并倍增。 輸出電流輸出電流 i(t)=(Q/0)e-t/0 Q-陽極收集總電荷陽極收集總電荷 0- 光脈沖衰減時(shí)間光脈沖衰減時(shí)間三種探測(cè)器輸出信號(hào)特點(diǎn)小結(jié)等效電流源時(shí)間分析能量測(cè)量三、探測(cè)器的基本性能探測(cè)效率探測(cè)效率探測(cè)器源該粒子數(shù)實(shí)際入射到探測(cè)器中的探測(cè)到的粒子數(shù)探測(cè)效率 輸出幅度大小三、探測(cè)器的基本性能分辨率（能量、時(shí)間、空間）分辨率（能量、時(shí)間、空

8、間）FWHM(半高全寬)、FW-TM(十分之一高全寬)%10036. 2%100)(00NNFWHMRND2-2maxf(N)f(N)eNN-N（） 能量分辨率能量分辨率反映了反映了譜儀譜儀對(duì)不同對(duì)不同入射粒子入射粒子能量能量的的分辨能力分辨能力。三、探測(cè)器的基本性能%100E2.36%100(FWHM)0E0EERD固有能量分辨率能量分辨：半導(dǎo)體最佳，氣體探測(cè)器其次，閃爍體 探測(cè)器較差。時(shí)間分辨：閃爍體探測(cè)器為優(yōu)。線性響應(yīng)線性響應(yīng) 探測(cè)器的線性是在一定范圍內(nèi)探測(cè)器所給出的信息與入射粒子相應(yīng)的物理量之間是否成線性變化關(guān)系，比如探測(cè)器產(chǎn)生的離子對(duì)平均值 與所消耗的粒子能量E之間是否有線性變化。

9、穩(wěn)定性穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是描述探測(cè)器的性能變化隨溫度及電源變化的指標(biāo)。穩(wěn)定性越好，這種隨動(dòng)性越小。三、探測(cè)器的基本性能N四、核輻射探測(cè)器的輸出電路1. 1. 脈沖電離室脈沖電離室 圖圖1.1.6 (a)1.1.6 (a)、(b)(b)、 ( c)( c)、( d)( d)、(e)(e) R=R R=RL L / R/ Ri i C= C C= CO O+ C+ Cs s + C + Ci i RC T RC T+ + Vm=Ne/CVm=Ne/C 2半導(dǎo)體探測(cè)器半導(dǎo)體探測(cè)器 圖圖1.1 .7 (a)、(b)、(c) RD偏置電阻偏置電阻 Rd靈敏區(qū)電阻靈敏區(qū)電阻 R、C非靈非靈敏區(qū)電阻電容；敏區(qū)電

10、阻電容；Ri、Ci輸入、輸入、Cs 分布電容、分布電容、Cc隔直電容隔直電容 閃爍探測(cè)器閃爍探測(cè)器圖圖1.1.8 (a)、(b)、(c)、(d)、(e)R=Ra/Ri, C=Co+Cs+Ci 陽極輸出電流陽極輸出電流 ia(t)=Q/0 e-t/0電壓電壓 vo(t)= (Q/C)RC/(0RC)e-t/a-e-t/RC Vam = (Q/C)(RC/0) 1/(1-RC/0) Ra:104105dttdVCRtVtI)()()(00由等效電路得：由等效電路得：求解得：求解得：/0000000)()(tCRteeCRCRCQtV兩種脈沖工作狀態(tài)：電壓脈沖和電流脈沖。兩種脈沖工作狀態(tài)：電壓脈沖和

11、電流脈沖。電壓脈沖型工作狀態(tài)電壓脈沖型工作狀態(tài) 電流脈沖型工作狀態(tài)電流脈沖型工作狀態(tài)條件條件00CR00CR脈沖前沿脈沖前沿te1001CRte脈沖幅度脈沖幅度ECQh0ECRCQh000脈沖后沿脈沖后沿00CRtete00CR0C五、輸出信號(hào)的數(shù)學(xué)模擬/lim)(0Qti單個(gè)電流沖擊脈沖單個(gè)電流沖擊脈沖：電流沖擊脈沖電流沖擊脈沖i(t)=Q*(t-t0)000001lim;00)(ttttttttt五、輸出信號(hào)的數(shù)學(xué)模擬沖擊序列沖擊序列I（ t）= )(.)(iiiiittQti 五、輸出信號(hào)的數(shù)學(xué)模擬2.2.核電子學(xué)中的噪聲核電子學(xué)中的噪聲一、噪聲對(duì)核測(cè)量的影響干擾干擾采取措施采取措施一、

12、噪聲對(duì)核測(cè)量的影響噪聲的時(shí)間平均值為零。但是只要有噪聲存在，平均噪聲的時(shí)間平均值為零。但是只要有噪聲存在，平均功率就不為零，因此通常采用均方值（噪聲電壓的平功率就不為零，因此通常采用均方值（噪聲電壓的平方值按時(shí)間求平均）方值按時(shí)間求平均） TnTndtVTV0221lim由于噪聲電壓是隨機(jī)地疊加在信號(hào)電壓上，它會(huì)使由于噪聲電壓是隨機(jī)地疊加在信號(hào)電壓上，它會(huì)使原來幅度確定的信號(hào)，在平均值上下起伏。因而被原來幅度確定的信號(hào)，在平均值上下起伏。因而被測(cè)量的分辨率變壞。測(cè)量的分辨率變壞。一、噪聲對(duì)核測(cè)量的影響信噪比信噪比 =Vo/Vno等效噪聲電壓等效噪聲電壓(ENV )一、噪聲對(duì)核測(cè)量的影響噪聲的表

13、示方法噪聲的表示方法：放大器的放大倍數(shù)為放大器的放大倍數(shù)為A,輸入信號(hào)可以表示為輸入信號(hào)可以表示為Vi=V0/AiinnVVVVAVENV)()(000等效噪聲電荷等效噪聲電荷(ENC)QVAQAVENCCQCQn/,)(00其中等效噪聲電荷數(shù)等效噪聲電荷數(shù)(ENN)eENCENN)()(等效噪聲能量等效噪聲能量(ENE)wVVeQwENNENEn00)()(分辨展寬分辨展寬 探測(cè)器固有能量分辨半高全寬探測(cè)器固有能量分辨半高全寬(FWHM)DE22)()()(DENEEFWHMFWHMFWHM 噪聲半高全寬噪聲半高全寬(FWHM)NE=2.36（ENE）一、噪聲對(duì)核測(cè)量的影響二、噪聲的分類和噪

14、聲源均方值概率密度函數(shù)自相關(guān)函數(shù)功率譜密度函數(shù)白噪聲：功率譜密度在整個(gè)頻域內(nèi)均勻分布的噪聲。白噪聲：功率譜密度在整個(gè)頻域內(nèi)均勻分布的噪聲。 二噪聲分類二噪聲分類1散粒噪聲（載流子產(chǎn)生、消失隨機(jī)漲落）散粒噪聲（載流子產(chǎn)生、消失隨機(jī)漲落） 散粒噪聲電流的均方值散粒噪聲電流的均方值 (平均電流，平均電流， e，頻段），頻段） 例如：探測(cè)器漏電的噪聲，場效應(yīng)管柵極漏電流的噪聲例如：探測(cè)器漏電的噪聲，場效應(yīng)管柵極漏電流的噪聲 dfeIdi 22)(22IgDdidi 2 2熱噪聲（載流熱運(yùn)動(dòng)，使電流產(chǎn)生漲落）（主要熱噪聲（載流熱運(yùn)動(dòng)，使電流產(chǎn)生漲落）（主要 與溫度有關(guān)）與溫度有關(guān)）熱噪聲電流均方值熱噪聲

15、電流均方值 ( (玻爾茲曼常數(shù)玻爾茲曼常數(shù), , 絕對(duì)溫度絕對(duì)溫度, ,導(dǎo)體相應(yīng)阻值導(dǎo)體相應(yīng)阻值, , 頻段頻段) )例如：場效應(yīng)管的溝道熱噪聲，電阻的熱噪聲例如：場效應(yīng)管的溝道熱噪聲，電阻的熱噪聲3 3低頻噪聲（一種隨效率降低而增大的噪聲）低頻噪聲（一種隨效率降低而增大的噪聲） 低頻噪聲電壓均方值低頻噪聲電壓均方值 ( (系數(shù)系數(shù), ,頻率頻率) )例如：場效應(yīng)管柵極噪聲，電阻例如：場效應(yīng)管柵極噪聲，電阻df4kT/R 2 didf/fAf2 fdv小結(jié)散粒噪聲和熱噪聲的特點(diǎn)小結(jié)散粒噪聲和熱噪聲的特點(diǎn):散粒噪聲是由載流子產(chǎn)生和消失的隨機(jī)性引起的電流起伏，它體現(xiàn)了載流子數(shù)目的漲落。例如，前面討

16、論過的真空二極管，管內(nèi)電子密度小，碰撞次數(shù)少，電子在電場作用下積蓄起來的漂移速度比熱運(yùn)動(dòng)平均速度大得多。因此陰極發(fā)射電子數(shù)的瞬時(shí)波動(dòng)成為電流漲落的主要因素。一般散粒噪聲有如下特點(diǎn)：(1)散粒噪聲和電子(載流子)的熱運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)；(2)平均電流大，電子數(shù)漲落大，噪聲電流也大。熱噪聲是由載流子熱運(yùn)動(dòng)引起的電流或電壓漲落，通常：是在載流子大景存在的情況下發(fā)生的。例如在電阻或?qū)w中，碰撞使自由電子的速率和運(yùn)動(dòng)方向頻頻改變，即使在電阻兩端加上電壓，電子獲得的漂移速度通常仍然比熱運(yùn)動(dòng)平均速度小很多，熱運(yùn)動(dòng)始終是電流漲落的主要原因。一般熱噪聲有如下特點(diǎn)一般熱噪聲有如下特點(diǎn)：(1)熱噪聲和電阻或?qū)w的溫度有關(guān)

17、，溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，噪聲電流或電壓增加；(2)熱噪聲電流與外加電壓或流過電阻的平均電流無關(guān)。散粒噪聲和熱噪聲都起因于許多彼此獨(dú)立的隨機(jī)事散粒噪聲和熱噪聲都起因于許多彼此獨(dú)立的隨機(jī)事件。在時(shí)間域里，它們都可以表示為隨機(jī)的脈沖序件。在時(shí)間域里，它們都可以表示為隨機(jī)的脈沖序列；前者的脈沖寬度等于載流子的渡越時(shí)間，例如列；前者的脈沖寬度等于載流子的渡越時(shí)間，例如為毫微秒級(jí)；后者平均脈寬取決于載流子每秒碰撞為毫微秒級(jí)；后者平均脈寬取決于載流子每秒碰撞次數(shù)的倒數(shù)，例如為微微秒級(jí)。在通常的條件下，次數(shù)的倒數(shù)，例如為微微秒級(jí)。在通常的條件下，都可近似為隨機(jī)的沖擊序列。它們具有共同的統(tǒng)計(jì)都可近似為隨機(jī)的沖擊

18、序列。它們具有共同的統(tǒng)計(jì)特性：都是平穩(wěn)隨機(jī)過程，功率譜密度近似為常數(shù)特性：都是平穩(wěn)隨機(jī)過程，功率譜密度近似為常數(shù)(白噪聲白噪聲)，通常脈沖寬度遠(yuǎn)大于脈沖的平均間隔，通常脈沖寬度遠(yuǎn)大于脈沖的平均間隔，因此總噪聲電壓因此總噪聲電壓(或電流或電流)是很多隨機(jī)脈沖迭加的結(jié)是很多隨機(jī)脈沖迭加的結(jié)果，在幅度域內(nèi)服從高斯分布。果，在幅度域內(nèi)服從高斯分布。信號(hào)和噪聲可以在時(shí)域里分析，也可以用富里葉信號(hào)和噪聲可以在時(shí)域里分析，也可以用富里葉變換和拉普拉斯變換在頻域和復(fù)頻域里分析。信變換和拉普拉斯變換在頻域和復(fù)頻域里分析。信號(hào)或者噪聲，可以在時(shí)間域里研究它們的時(shí)間函號(hào)或者噪聲，可以在時(shí)間域里研究它們的時(shí)間函數(shù)，也

19、可以在頻率域內(nèi)分析它們的頻譜。通過富數(shù)，也可以在頻率域內(nèi)分析它們的頻譜。通過富里葉變換里葉變換( (簡稱富氏變換簡稱富氏變換) )，可以建立起信號(hào)的時(shí)域，可以建立起信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。波形和頻譜之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。531768年生于法國年生于法國1807年提出年提出“任何周期信號(hào)任何周期信號(hào)都可用正弦函數(shù)級(jí)數(shù)表示都可用正弦函數(shù)級(jí)數(shù)表示”1829年狄里赫利第一個(gè)給出年狄里赫利第一個(gè)給出收斂條件收斂條件拉格朗日反對(duì)發(fā)表拉格朗日反對(duì)發(fā)表1822年首次發(fā)表在年首次發(fā)表在“熱的分熱的分析理論析理論” 一書中一書中54“周期信號(hào)都可表示為諧波關(guān)系的正弦信號(hào)的周期信號(hào)都可表示為諧波關(guān)系的正弦信號(hào)

20、的加權(quán)和加權(quán)和”傅里葉的第一個(gè)主要論點(diǎn)傅里葉的第一個(gè)主要論點(diǎn)“非周期信號(hào)都可用正弦信號(hào)的加權(quán)積分表示非周期信號(hào)都可用正弦信號(hào)的加權(quán)積分表示”傅里葉的第二個(gè)主要論點(diǎn)傅里葉的第二個(gè)主要論點(diǎn) ：把一個(gè)信號(hào)的波形分解為許多不同頻率正弦波之和把一個(gè)信號(hào)的波形分解為許多不同頻率正弦波之和。50511f t ( )t5050.50.5g t ( )t4202421121.2991.299h t ( )55t 一個(gè)周期函數(shù)可以表示為加權(quán)的正弦和余弦和的形式)0()()()(FdttfdtetfFtj) 0 ()()(21)(fdffFdeFtftjjwsF(s)jw,(w)(S)f(t)e(S)j21f(t)

21、f(t)ef(t)u(t)(S)(),(0-的變量是函數(shù)而拉氏變換的象的變量是傅氏變換的象函數(shù)組成拉氏變換對(duì)。和即得到了拉普拉斯變換以后再進(jìn)行傅氏變換就乘以因子對(duì)函數(shù)FFdsFdtdteeFetutfststjwttt通過分析F(s)在s平面上的極點(diǎn)和零點(diǎn)的分布，可以判斷時(shí)域原函數(shù)的特性。一般來說，傅氏變換便于分析頻率特性，分析信號(hào)頻譜和噪聲的功率譜。利用拉氏變換便于分析系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)和參數(shù)的關(guān)系。3 核電子學(xué)中的信號(hào)與噪聲分析基礎(chǔ)核電子學(xué)中的信號(hào)與噪聲分析基礎(chǔ) ! ! ! 一時(shí)域和頻域分析一時(shí)域和頻域分析 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)(電路或系統(tǒng)電路或系統(tǒng))分分 線性網(wǎng)絡(luò)（描述方程為線性微分方程線性網(wǎng)絡(luò)（描述方

22、程為線性微分方程)、非、非線性網(wǎng)絡(luò)（數(shù)學(xué)分析方法處理）。線性網(wǎng)絡(luò)（數(shù)學(xué)分析方法處理）。圖圖1.3.1核脈沖通過線性網(wǎng)絡(luò)核脈沖通過線性網(wǎng)絡(luò) 沖擊響應(yīng)沖擊響應(yīng)h(t)：一個(gè)單位沖擊信號(hào)：一個(gè)單位沖擊信號(hào)（t）加）加到一個(gè)線性網(wǎng)絡(luò)上，得到的輸出到一個(gè)線性網(wǎng)絡(luò)上，得到的輸出h(t)。（時(shí)域特。（時(shí)域特征）征） 頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)H（w）：在域頻中，由傅立葉變）：在域頻中，由傅立葉變換，得換，得(t)1(即即()=1為為（t）的頻譜）的頻譜)。 h(t)H()(即即H（）為輸出信號(hào)）為輸出信號(hào)h（ t）的頻譜）的頻譜)。（頻域特性）（頻域特性） H(w)= H(w ) ej|W| 沖擊響應(yīng)沖擊響應(yīng)h(t)

23、和頻率響應(yīng)和頻率響應(yīng)H(w)組成傅立葉變組成傅立葉變換對(duì)即換對(duì)即h(t)H(w) 等效拉普拉斯方程變換等效拉普拉斯方程變換 h(t)H(s) H(s):線性網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù)線性網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù)(傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)) s=+j 對(duì)于一般情況：對(duì)于一般情況： G(s)=F(s).H(s) G(s)g(t) g(t)=f(t)*h(t) (*卷積卷積)圖圖1.3.3 表表1.5表表1.5 1.5 常用脈沖信號(hào)的傅氏變換和拉氏變換常用脈沖信號(hào)的傅氏變換和拉氏變換 信號(hào)名稱信號(hào)名稱信號(hào)波形信號(hào)波形傅氏變換傅氏變換F(j)拉氏變換拉氏變換F(S) 單位階躍脈沖沖擊脈沖11 單位矩形脈沖單位指數(shù)下降脈沖單位指數(shù)上

24、升脈沖0t0t0t0t0t11(t)(t)f(t)1Tts11e-1 - e-j1S1jeejTj)1 (SeeSST)1 (j1S1jf)(S1S二核電子學(xué)中常見的基本電路分析二核電子學(xué)中常見的基本電路分析.探測(cè)器輸出電路探測(cè)器輸出電路沖擊響應(yīng)沖擊響應(yīng) (t)=h(t)= 頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) H()=R/(1+jRC) 振幅頻譜振幅頻譜 H() =R/ 相位角相位角 （）=-arctg(RC)=-tg-1(RC) 圖圖 1.3.4 討論討論RCH()( 1 .1teCRCt 2221CR 積分電路（低通濾波器）積分電路（低通濾波器）沖擊響應(yīng)沖擊響應(yīng)h(t)=頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)H()=1/(1+j

25、RC) 即即|H()| = ()=-tg-1(RC)( 1 .1teRCRCt2)(11RC 微分電路（高通濾波微分電路（高通濾波器）器） H()= jRC /(1+jRC) |H()|= ()=tg-1 1/(RC) 圖圖1.3.6 )( 1 .1-(t)(teRCthRCt 2)(1RCRC 短路延遲線短路延遲線 h(t)=1/2 (t)-1/2(t-d) H()= |H()| =| sin |圖圖1.3.7)1(21dje 2d小結(jié)小結(jié)三、核隨機(jī)信號(hào)通過線性網(wǎng)絡(luò)三、核隨機(jī)信號(hào)通過線性網(wǎng)絡(luò).核電子學(xué)中的隨機(jī)信號(hào)及表現(xiàn)形式圖核電子學(xué)中的隨機(jī)信號(hào)及表現(xiàn)形式圖1.3.8（）噪聲信號(hào)（）噪聲信號(hào)

26、概率密度函數(shù)（概率密度函數(shù)（v）= :噪聲電壓平均值噪聲電壓平均值 :均方偏差均方偏差噪聲電壓平均值噪聲電壓平均值=lim1/T-T/2T/2v(t)dt T 均方值均方值=lim1/T-T/2T/2v2(t)dt T 自相關(guān)函數(shù)自相關(guān)函數(shù)R(,t)= = lim1/T-T/2T/2vk(t)vk(t+)dt T 平均功率平均功率 s():功率譜密度函數(shù)功率譜密度函數(shù)(W/HZ) 22/)(221 vve )().( tvtv dffsdfwsvP)2()(2 v白噪聲白噪聲:S()= R() = . (t) （）核輻射隨機(jī)信號(hào)（）核輻射隨機(jī)信號(hào) I（ t）= R()= (圖圖1.3.12)

27、2. 核隨機(jī)信號(hào)通過線性網(wǎng)絡(luò)核隨機(jī)信號(hào)通過線性網(wǎng)絡(luò)V0()=H()Vi() S0()=|H()|2Si() R0()=Rh()* Ri() )(.222tnn 222)(2)(nnS dSHdffSfHVii)(.| )(|21)2(.| )2(|2220)(.)(iiiiittti 3實(shí)例實(shí)例(1)白噪聲通過白噪聲通過RC電路電路 Si()= ; R() = . (t) 圖圖1.3.14(2)白噪聲通過白噪聲通過CR電路電路圖圖1.3.15RETURNCH.1信號(hào)處理的基本要求信號(hào)處理的基本要求放大核輻射探測(cè)器的輸出信號(hào)，同時(shí)進(jìn)行放大核輻射探測(cè)器的輸出信號(hào)，同時(shí)進(jìn)行幅度、時(shí)間和頻譜方面的篩選

28、，抑制噪聲幅度、時(shí)間和頻譜方面的篩選，抑制噪聲和干擾，以便盡可能精確地得到射線能量、和干擾，以便盡可能精確地得到射線能量、核事件發(fā)生時(shí)間和位置等有用信息的數(shù)據(jù)核事件發(fā)生時(shí)間和位置等有用信息的數(shù)據(jù)4 核電子學(xué)測(cè)量系統(tǒng)概述核電子學(xué)測(cè)量系統(tǒng)概述一一基本組成基本組成圖圖1.4.1,圖圖1.4.2圖圖1.4.2二二核電子學(xué)常用的信號(hào)處理系統(tǒng)核電子學(xué)常用的信號(hào)處理系統(tǒng)前置放大器前置放大器初步放大（以降低輸出信號(hào)在傳遞過程中受噪聲初步放大（以降低輸出信號(hào)在傳遞過程中受噪聲和干擾影響）和干擾影響）主放大器主放大器放大（便于測(cè)量，信號(hào)成形），有其他功能（濾放大（便于測(cè)量，信號(hào)成形），有其他功能（濾波形式，基線恢

29、復(fù)，堆積拒絕等）波形式，基線恢復(fù)，堆積拒絕等）甄別（幅度，時(shí)間）甄別（幅度，時(shí)間）模數(shù)變換模數(shù)變換模數(shù)變換模數(shù)變換(幅度數(shù)字變換，時(shí)間數(shù)字變換幅度數(shù)字變換，時(shí)間數(shù)字變換)數(shù)據(jù)獲取分析，處理數(shù)據(jù)獲取分析，處理計(jì)數(shù)分類統(tǒng)計(jì)，譜數(shù)據(jù)得到（計(jì)算機(jī)應(yīng)用）計(jì)數(shù)分類統(tǒng)計(jì)，譜數(shù)據(jù)得到（計(jì)算機(jī)應(yīng)用）(1)將探測(cè)器輸出的電荷收集起來，經(jīng)過初步放大并將探測(cè)器輸出的電荷收集起來，經(jīng)過初步放大并轉(zhuǎn)換成適于通過電纜傳遞到后續(xù)電子設(shè)備的電壓或轉(zhuǎn)換成適于通過電纜傳遞到后續(xù)電子設(shè)備的電壓或電流信號(hào)。這就需要一個(gè)緊靠探測(cè)器的、體積不大電流信號(hào)。這就需要一個(gè)緊靠探測(cè)器的、體積不大的前置放大器的前置放大器(第二章第二章)。在探測(cè)器輸

30、出信號(hào)的幅度很。在探測(cè)器輸出信號(hào)的幅度很小時(shí)，前置放大器要將信號(hào)適當(dāng)放大，以降低輸出小時(shí)，前置放大器要將信號(hào)適當(dāng)放大，以降低輸出信號(hào)在傳遞過程中所受噪聲和外界干擾的影響。在信號(hào)在傳遞過程中所受噪聲和外界干擾的影響。在使用固有能量分辨率好的探測(cè)器時(shí)，前置放大器本使用固有能量分辨率好的探測(cè)器時(shí)，前置放大器本身的噪聲必須很小，才能正常放大微弱的電荷信號(hào)身的噪聲必須很小，才能正常放大微弱的電荷信號(hào)并能分辨出它們的微小差別；在需要分析信號(hào)并能分辨出它們的微小差別；在需要分析信號(hào)的時(shí)間信息時(shí)，前置放大器要能準(zhǔn)確地保留粒子的的時(shí)間信息時(shí)，前置放大器要能準(zhǔn)確地保留粒子的時(shí)間信息，以便確定核事件發(fā)生的時(shí)間、位置

31、或粒時(shí)間信息，以便確定核事件發(fā)生的時(shí)間、位置或粒子種類。子種類。(2)將前置放大器的輸出信號(hào)進(jìn)一步放大到便于測(cè)量將前置放大器的輸出信號(hào)進(jìn)一步放大到便于測(cè)量的程度，就要求有一個(gè)主放大器的程度，就要求有一個(gè)主放大器(第三章第三章)。主放大器。主放大器要有可調(diào)的放大倍數(shù)，足夠的輸出幅度和功率。用要有可調(diào)的放大倍數(shù)，足夠的輸出幅度和功率。用于能譜分析的主放大器的穩(wěn)定性和線性必須很好，于能譜分析的主放大器的穩(wěn)定性和線性必須很好，以保證系統(tǒng)有較好的能量分辨率和能量刻度線性。以保證系統(tǒng)有較好的能量分辨率和能量刻度線性。為了提高輸出端的信號(hào)噪聲比，并使輸出信號(hào)的幅為了提高輸出端的信號(hào)噪聲比，并使輸出信號(hào)的幅度

32、信息和時(shí)間信息便于測(cè)量，主放大器還應(yīng)有合適度信息和時(shí)間信息便于測(cè)量，主放大器還應(yīng)有合適的沖擊響應(yīng)或頻率響應(yīng)。在高計(jì)數(shù)率時(shí)，為了減少的沖擊響應(yīng)或頻率響應(yīng)。在高計(jì)數(shù)率時(shí)，為了減少信號(hào)堆積，在滿足上述要求的同時(shí)，輸出信號(hào)的寬信號(hào)堆積，在滿足上述要求的同時(shí)，輸出信號(hào)的寬度應(yīng)盡可能窄。所以主放大器中都設(shè)有參數(shù)可調(diào)的度應(yīng)盡可能窄。所以主放大器中都設(shè)有參數(shù)可調(diào)的濾波成形電路濾波成形電路(第三章第三章)。濾波成形網(wǎng)絡(luò)雖然元件不多，。濾波成形網(wǎng)絡(luò)雖然元件不多，但其作用甚為重要。至于放大但其作用甚為重要。至于放大10-9秒級(jí)的超短脈沖或秒級(jí)的超短脈沖或微弱的慢變化信號(hào)，則須要特殊的快放大器或弱電微弱的慢變化信號(hào)，

33、則須要特殊的快放大器或弱電流放大器。流放大器。(3)上述信號(hào)處理系統(tǒng)，通常具有不隨時(shí)間和幅度變上述信號(hào)處理系統(tǒng)，通常具有不隨時(shí)間和幅度變化的恒定參數(shù)，稱為時(shí)不變線性系統(tǒng)。有時(shí)還需要化的恒定參數(shù)，稱為時(shí)不變線性系統(tǒng)。有時(shí)還需要一些參數(shù)隨時(shí)間或幅度變化的時(shí)變和非線性處理電一些參數(shù)隨時(shí)間或幅度變化的時(shí)變和非線性處理電路，例如，傳輸系數(shù)或頻帶按一定條件隨時(shí)間變化路，例如，傳輸系數(shù)或頻帶按一定條件隨時(shí)間變化的電路，前者如線性門，后者如時(shí)變?yōu)V波器的電路，前者如線性門，后者如時(shí)變?yōu)V波器（4）經(jīng)過放大、濾波成形或其它處理的信號(hào)，為）經(jīng)過放大、濾波成形或其它處理的信號(hào)，為了判別它們的幅度是否在預(yù)定的范圍內(nèi)，需要

34、能甄了判別它們的幅度是否在預(yù)定的范圍內(nèi)，需要能甄別幅度信息的電路，為了確定它們的時(shí)間參數(shù)或相別幅度信息的電路，為了確定它們的時(shí)間參數(shù)或相互的時(shí)間關(guān)系，需要能準(zhǔn)確互的時(shí)間關(guān)系，需要能準(zhǔn)確“檢出檢出”時(shí)間信息并進(jìn)時(shí)間信息并進(jìn)行甄別和分析的電路。行甄別和分析的電路。(5)在核物理實(shí)驗(yàn)中，常常不是研究個(gè)別信號(hào)的信息，而在核物理實(shí)驗(yàn)中，常常不是研究個(gè)別信號(hào)的信息，而是研究分布在大量信號(hào)中的某種信息。因此需要將大量是研究分布在大量信號(hào)中的某種信息。因此需要將大量信號(hào)按一定的信息分類計(jì)數(shù)。按幅度信息分類叫做信號(hào)按一定的信息分類計(jì)數(shù)。按幅度信息分類叫做幅度幅度分析分析，按時(shí)間信息分類叫做時(shí)間分析；按位置信息分

35、類，按時(shí)間信息分類叫做時(shí)間分析；按位置信息分類叫做叫做位置分析位置分析。位置信息通常包含在信號(hào)的幅度信息和。位置信息通常包含在信號(hào)的幅度信息和時(shí)間信息之內(nèi)，所以位置信息實(shí)際上也是按幅度信息和時(shí)間信息之內(nèi)，所以位置信息實(shí)際上也是按幅度信息和時(shí)間信息進(jìn)行分類的。時(shí)間信息進(jìn)行分類的。為了分類計(jì)數(shù)，需先把幅度、時(shí)間信息變換成數(shù)為了分類計(jì)數(shù)，需先把幅度、時(shí)間信息變換成數(shù)碼，然后按照數(shù)碼進(jìn)行分類。這就需要幅度一數(shù)碼，然后按照數(shù)碼進(jìn)行分類。這就需要幅度一數(shù)字變換電路和時(shí)間一數(shù)字變換電路。信號(hào)的幅度字變換電路和時(shí)間一數(shù)字變換電路。信號(hào)的幅度信息和時(shí)間信息都是被測(cè)物理量的模擬量，所以信息和時(shí)間信息都是被測(cè)物理量

36、的模擬量，所以幅度一數(shù)字變換和時(shí)間一數(shù)字變換通稱為幅度一數(shù)字變換和時(shí)間一數(shù)字變換通稱為模擬一模擬一數(shù)字變換數(shù)字變換。但是，習(xí)慣上都把幅度一數(shù)字變換稱。但是，習(xí)慣上都把幅度一數(shù)字變換稱為模擬一數(shù)字變換，簡稱為模數(shù)變換。模擬量是為模擬一數(shù)字變換，簡稱為模數(shù)變換。模擬量是時(shí)間信息的，則稱為時(shí)間一數(shù)字變換。由于主要時(shí)間信息的，則稱為時(shí)間一數(shù)字變換。由于主要用于幅度分析的模數(shù)變換器已普遍使用，所以常用于幅度分析的模數(shù)變換器已普遍使用，所以常常先用一種叫做時(shí)幅變換器的電路將時(shí)間信息變常先用一種叫做時(shí)幅變換器的電路將時(shí)間信息變換成幅度信息，然后用模數(shù)變換器變換成數(shù)碼，換成幅度信息，然后用模數(shù)變換器變換成數(shù)碼

37、，分兩步來實(shí)現(xiàn)分兩步來實(shí)現(xiàn)時(shí)間一數(shù)字時(shí)間一數(shù)字變換。變換。將物理信息變換成數(shù)碼后，就可進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取和將物理信息變換成數(shù)碼后，就可進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理。核輻射信息經(jīng)過信號(hào)處理系統(tǒng)處理和變換后，送到核輻射信息經(jīng)過信號(hào)處理系統(tǒng)處理和變換后，送到數(shù)據(jù)獲取和處理系統(tǒng)。后者可能是一臺(tái)多道分析器數(shù)據(jù)獲取和處理系統(tǒng)。后者可能是一臺(tái)多道分析器或者是一個(gè)以計(jì)算機(jī)為中心的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。至于或者是一個(gè)以計(jì)算機(jī)為中心的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。至于信號(hào)處理系統(tǒng)，則因處理任務(wù)的不同而千變?nèi)f化。信號(hào)處理系統(tǒng)，則因處理任務(wù)的不同而千變?nèi)f化。為了適應(yīng)各種不同用途的需要，目前都把具有一定為了適應(yīng)各種不同用途的需要，目前都把具有一定功能的信號(hào)處理設(shè)備按一定規(guī)范做成各種插件。用功能的信號(hào)處理設(shè)備按一定規(guī)范做成各種插件。用戶可以用這些插件自行組合成所需的信號(hào)處理系統(tǒng)。戶可以用這些插件自行組合成所需的信號(hào)處理系統(tǒng)。信號(hào)處理設(shè)備的插件化、標(biāo)準(zhǔn)化，不僅因具有互換信號(hào)處理設(shè)備的插件化、標(biāo)準(zhǔn)化，不僅因具有互換性而方便用戶，而且也便于生產(chǎn)，降低成本。性而方便用戶，而且也便于生產(chǎn)，降低成本。三三處理單元插件標(biāo)準(zhǔn)化處理單元插件標(biāo)準(zhǔn)化NIM標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn): 1英寸寬英寸寬 ;12單