【正文】 第一章 核電子學系統(tǒng)中的信號與噪聲 ? 167。 ? 167。 ? 167。 3 核電子學中的信號與噪聲分析基礎 ? 167。 4 核電子學測量系統(tǒng)概述 核信息：能量（能損），粒子入射時間、強度、粒子類型（ ） 167。 一、核輻射探測器的要求和特點 探測器輸出信號為隨機脈沖（時間特性、幅度分布的非周期性或非等值性）。 由于信號統(tǒng)計性，要求核電子學用獨特方法處理和研究。 脈沖參數(shù)：電荷量、出現(xiàn)時刻、單位時間脈沖數(shù)、脈沖形狀（上升時間） 二、核輻射探測器的主要類別及其輸出信號 ? 氣體探測器 ? 閃爍探測器 ? 半導體探測器 167。 氣體探測器 ? 氣體探測器有電離室 、 正比計數(shù)器 、 蓋革 彌勒 （ GM） 計數(shù)管 、 多絲正比室等 。 ? 氣體探測器的特點： ? 工作介質均為單一氣體或混合氣體（ 90%Ar+10%CH4)， 當被測粒子通過探測器的工作介質時 ， 通過庫侖散射使得工作介質原子中的電子產(chǎn)生電離直接形成電荷 。 其中電離室對電離電子沒有放大而直接收集 ， 因而信號非常小 ， 對電子學的要求比較高 。 正比計數(shù)器 、蓋革 彌勒 （ GM） 計數(shù)管和多絲正比室由于有了氣體放大過程因而信號比較大 ， 而且多絲正比室還提供了位置信息 。 陽極 陰極 U 氣體探測器的工作原理 平行板電離室 wEAFN /???0 d 陽極 陰極 U z 輻射源 + + + + + + + + 漂移運動 E 總的電子 離子對數(shù) F ：法諾因子 A：氣體放大倍數(shù) ：平均電離能 w電荷量 Q = N e ttQti??)()(CNeCtQtv ?? )()(? 其中 in(t)為粒子在探測器中產(chǎn)生的電流脈沖信號， Rn 和 Cn 分別為探測器輸出的等效電阻和電容， Rn一般從幾百 kΩ至幾百 MΩ， Cn一般從幾個 PF到幾十 PF。如果用一個負載電容C對電流進行積分形成電荷 Q, 則 探測器簡化等效電路 dtQt??0n (t )i一個粒子產(chǎn)生的電荷量，正比于 該粒子在探測器中損耗的能量 E。 例：如果帶電粒子的能量為 1MeV,并全部消耗在電離室的靈敏體積區(qū)內，若氣體的平均電離能為33eV是，平均電離出的電子 離子對為多少？若全部收集在 20pF的電容上所得電壓為多少？ 1 3000033E M e VNw e V? ? ?mVC eNCQv ???電離室輸出電流波形 電離室的輸出電流信號包含有快成分（電子電流）和慢成分（離子電流）。在總輸出電荷 Q為一定時這兩部分電流所占的比例與粒子入射位置有關，使得電流波形發(fā)生變化，因此能量信息和時間信息的提取比較復雜而且不易準確。 電離在正極板附近發(fā)生（感應電流主要由離子漂移造成） 電離在兩極板中央發(fā)生（感應電流主要由電子和離子感應電流兩部分合成） V d x0 vn vp Ne iD R 電離在負極板附近 發(fā)生 （感應電流主要由電子漂移造成） i(t) t(s) 106 103 dttiCCQtvto ???0)(1)(NeQdttit???0)(()o N e F A E ev t K EC w C? ? ?? ? ? ??在電離室不同位置入射的同樣能量的粒子，因電子 離子對產(chǎn)生的位置不同，所得到的輸出電流 i(t)大小不同，因此不能用電流大小來測量入射粒子的能量，但總輸出電荷量 Q是相同的。 0 d + + + + + + + 陽極 陰極 高壓 U z 輻射源 漂移運動 E 粒子能量 E ∝ 探測器電荷 Q ∝ 輸出電壓 V v(t) t(s) Q/C 氣體探測器的不同工作區(qū)域 正比計數(shù)器由于氣體放大，輸出信號幅度比電離室大幾百至幾千倍，并幾乎與入射粒子產(chǎn)生的原電離的位置無關。 GM計數(shù)器輸出信號已和原電離失去正比關系，但靈敏度高，輸出信號幅度大，主要應用于計數(shù)。 固體探測器 ? 固體探測器有： 半導體探測器 包括金硅面壘探測器， Ge(Li)和 Si(Li)漂移 探測器，高純鍺探測器等。當被測粒子通過半導體的耗盡層時產(chǎn)生電子空穴對，外接偏置電路對電子進行收集形成電信號輸出。 閃爍探測器 包括 BGO,CsI,NaI等。當被測粒子通過閃爍晶體（探測器的工作介質）時，先使得閃爍晶體中的分子或原子激發(fā)，然后在退激時發(fā)出熒光。 閃爍體探測器的輸出為光信號，必須通過光電倍增管PMT或光電二極管 PD轉換成電信號。 半導體探測器 P N V 輻射源 E 平面 Ge(Li) 探測器 i(t) rS v(t) t(s) Q/C i(t) t(s) 100ns 50ns (采用鋰離子漂移的方法，以獲得有高電阻率而且厚度很大的耗盡層） EKCweECeNdttiCCQtvto????????? ?39。0)(1)(可以用電壓信號來測量入射粒子的能量 半導體探測器 ? 金硅面壘探測器 高純鍺半導體探測器 閃爍探測器 ?光電倍增管 0?00)( ??teQti???光脈沖的衰減時間常數(shù) 核輻射探測器輸出信號的特點 ? 核輻射探測器都能產(chǎn)生相應的輸出電流 i(t)，在電路分析時，可以等效為電流源。 ? 核輻射探測器的輸出電流 i(t)具有一定的形狀，即具有一定的時間特性，可用于時間分析（對閃爍探測器可作為能量分析）。 ? 如在輸出電容上取積分電壓信號 Vc(t),則 Vc(t)正比于E，可做射線能量測量。 三、核輻射探測器的基本性能 探測效率 探測效率定義為探測器測量到的粒子數(shù)目與實際入射到探測器中的粒子總數(shù)的比值，在粒子物理實驗中也稱為幾何接收度。它是與探測器的尺寸，幾何形狀，特別是對入射粒子的靈敏度、能區(qū)有關 。通常希望探測器具有較高的探測效率。 表中給出了 1MeV 能量的粒子的能量全部沉積在探測器中時，產(chǎn)生的平均電荷對數(shù)及相應的輸出電壓幅度。可以看出除了閃爍體探測器和正比計數(shù)器以外，放大器是必須的。 各種探測器的電離能、電荷數(shù)、輸出電壓幅度的比較 分辨率 分辨率主要有能量分辨、時間分辨和空間分辨等，指探測器在識別兩個相鄰的能量、時間、位置之間的最小差值的能力。對這些量的測量，由于探測器的探測過程，即電離、激發(fā)退激發(fā)、光電轉換以及光電倍增管的倍增過程都是隨機的，在后續(xù)的電子學處理過程中噪聲的貢獻，使得測量值 N圍繞其平均值有統(tǒng)計漲落，其概率（幾率）分布呈高斯 分布 ： 2)2()( NNNeN ?????2)2()()( NNNM A X eNfNf????高斯型概率密度函數(shù) 歸一化 N?式中 為標志漲落大小的標準偏差， )(N?0N NFWHMN?2FWTM分辨率的表示除了用標準偏差以外，也用半高全寬 FWHM（ Full Width at half maximum)和十分之一高全寬 FWTM （ Full Width at tenth maximum)來表示。 FWHM定義為 ?＝ ， FWTM定義為 ?＝ ， NF W H MNN ?||2 ????NF W T MNN ?||2 ????%%100)( ???? NNF WH MR N?探測器固有分辨率RD %%100)( ???? EEF WH MR E?探測器固有能量分辨率 RD 來表征一個系統(tǒng)的分辨能力，定義為由探測器的探測過程，即電離、激發(fā)退激發(fā)、光電轉換等過程的隨機性引起的分辨能力： 常見的幾種探測器的分辨率 ? 從表中可以看出，能量分辨率是半導體最好，氣體探測器次之，而閃爍體比較差，而時間分辨率則是閃爍體探測器為最好，因此根據(jù)物理實驗的需要選擇合適的探測器非常重要，而且要搭配合適的電子學系統(tǒng)。 線性響應 ? 探測器的線性是在一定范圍內探測器所給出的信息與入射粒子相應的物理量之間是否成線性變化關系，比如探測器產(chǎn)生的離子對平均值與所消耗的粒子能量 E之間是否有線性變化關系。上表列出了各種探測器的線性指標。 穩(wěn)定性 ? 穩(wěn)定性是描述探測器的性能變化隨溫度及電源變化的指標。穩(wěn)定性越好，這種隨動性越小。從表中可以看出，環(huán)境溫度的影響是不可忽視的。而光電倍增管的高壓電源則要求其穩(wěn)定性要好于千分之一或萬分之一。 四、核輻射探測器的輸出電路 脈沖電離室 i(t) RL CO CS Ri Ci v(t) i(t) R C v(t) 0 d 陽極 陰極 U z 輻射源 + + + + + + + + 漂移運動 E dttdvCRtvti )()()( ??初始條件為： 0)0(。0)0(。0 ??? vit求解得： dtetiCetv t RCtRCt???0)()(（ 1）式 （ 1）式為電壓脈沖的一般表達式，式中 RC為電路的時間常數(shù)，其大小直接 影響輸出脈沖的幅度和波形。按時間常數(shù)的大小，脈沖電離室分為兩種類型： 離子脈沖電離室： 為正離子的收集時間（約為 10 3 秒 ）。 ?? ?? TRCT ,電子脈沖電離室： 為電子的收集時間（約為 10 6 秒 ）。 ??? ?? TTRCT ,離子脈沖電離室 離子脈沖電離室工作條件為： RCT ???電壓脈沖 v(t)的變化可分三個階段來分析： i(t) R C v(t) CNeRCT ???)(st)(tv610? 310?脈沖電離室輸出波形 三個階段分析 dtetiCetv t RCtRCt???0)()((1) ??Tt 由于： ??? TRC故： 0 , 1tRCt eRC???01( ) ( )tv t i t dtC? ?(2)、當 時 ： tT??01( ) ( )T Nev t i t d tCC????其中： N 為總電子 離子對數(shù)，此時電壓升至最大值。 (3)、當 時 ： tT?? ( ) 0it?只有當正離子在漂移過程中，外回路中才有電流信號存在。一旦正離子到達負極板電流立即為零。 (3)、 當 時 ： tT?? ( ) 0it?00( ) ( ) ( ) ( )ttttR C R Ct T tR C R CTeev t i t e dt i t dt i t e dtCC???? ??? ? ?????? ? ?0 ()ttRC TRCe N ei t d t eCC?? ????按時間常數(shù)為 RC的指數(shù)率下降。 CNeRCT ???)(st)(tv610? 310?脈沖電離室輸出波形 按時間常數(shù)為 RC的指數(shù)率下降。 (1)、當 時 ： tT??(2)、當 時 ： tT??(3)、當 時 ： tT??脈沖上升階段。 脈沖達到最大值。 電子脈沖電離室 當 時 ： 輸出電壓脈沖不能達到最大值