【正文】 第一章 核電子學(xué)系統(tǒng)中的信號(hào)與噪聲 ? 167。 ? 167。 ? 167。 3 核電子學(xué)中的信號(hào)與噪聲分析基礎(chǔ) ? 167。 4 核電子學(xué)測(cè)量系統(tǒng)概述 核信息：能量（能損），粒子入射時(shí)間、強(qiáng)度、粒子類型（ ） 167。 一、核輻射探測(cè)器的要求和特點(diǎn) 探測(cè)器輸出信號(hào)為隨機(jī)脈沖（時(shí)間特性、幅度分布的非周期性或非等值性）。 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。 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（上升時(shí)間） 二、核輻射探測(cè)器的主要類別及其輸出信號(hào) ? 氣體探測(cè)器 ? 閃爍探測(cè)器 ? 半導(dǎo)體探測(cè)器 167。 氣體探測(cè)器 ? 氣體探測(cè)器有電離室 、 正比計(jì)數(shù)器 、 蓋革 彌勒 （ GM） 計(jì)數(shù)管 、 多絲正比室等 。 ? 氣體探測(cè)器的特點(diǎn)： ? 工作介質(zhì)均為單一氣體或混合氣體（ 90%Ar+10%CH4)， 當(dāng)被測(cè)粒子通過探測(cè)器的工作介質(zhì)時(shí) ， 通過庫侖散射使得工作介質(zhì)原子中的電子產(chǎn)生電離直接形成電荷 。 其中電離室對(duì)電離電子沒有放大而直接收集 ， 因而信號(hào)非常小 ， 對(duì)電子學(xué)的要求比較高 。 正比計(jì)數(shù)器 、蓋革 彌勒 （ GM） 計(jì)數(shù)管和多絲正比室由于有了氣體放大過程因而信號(hào)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(cè)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(yùn)動(dòng) E 總的電子 離子對(duì)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(cè)器中產(chǎn)生的電流脈沖信號(hào)， Rn 和 Cn 分別為探測(cè)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(gè) PF到幾十 PF。如果用一個(gè)負(fù)載電容C對(duì)電流進(jìn)行積分形成電荷 Q, 則 探測(cè)器簡(jiǎn)化等效電路 dtQt??0n (t )i一個(gè)粒子產(chǎn)生的電荷量，正比于 該粒子在探測(cè)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(nèi)，若氣體的平均電離能為33eV是，平均電離出的電子 離子對(duì)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(hào)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(shí)這兩部分電流所占的比例與粒子入射位置有關(guān)，使得電流波形發(fā)生變化，因此能量信息和時(shí)間信息的提取比較復(fù)雜而且不易準(zhǔn)確。 電離在正極板附近發(fā)生（感應(yīng)電流主要由離子漂移造成） 電離在兩極板中央發(fā)生（感應(yīng)電流主要由電子和離子感應(yīng)電流兩部分合成） V d x0 vn vp Ne iD R 電離在負(fù)極板附近 發(fā)生 （感應(yīng)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(duì)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(cè)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(yùn)動(dòng) E 粒子能量 E ∝ 探測(cè)器電荷 Q ∝ 輸出電壓 V v(t) t(s) Q/C 氣體探測(cè)器的不同工作區(qū)域 正比計(jì)數(shù)器由于氣體放大，輸出信號(hào)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(guān)。 GM計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)已和原電離失去正比關(guān)系，但靈敏度高，輸出信號(hào)幅度大，主要應(yīng)用于計(jì)數(shù)。 固體探測(cè)器 ? 固體探測(cè)器有： 半導(dǎo)體探測(cè)器 包括金硅面壘探測(cè)器， Ge(Li)和 Si(Li)漂移 探測(cè)器，高純鍺探測(cè)器等。當(dāng)被測(cè)粒子通過半導(dǎo)體的耗盡層時(shí)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，外接偏置電路對(duì)電子進(jìn)行收集形成電信號(hào)輸出。 閃爍探測(cè)器 包括 BGO,CsI,NaI等。當(dāng)被測(cè)粒子通過閃爍晶體（探測(cè)器的工作介質(zhì)）時(shí)，先使得閃爍晶體中的分子或原子激發(fā)，然后在退激時(shí)發(fā)出熒光。 閃爍體探測(cè)器的輸出為光信號(hào)，必須通過光電倍增管PMT或光電二極管 PD轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 半導(dǎo)體探測(cè)器 P N V 輻射源 E 平面 Ge(Li) 探測(cè)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(hào)來測(cè)量入射粒子的能量 半導(dǎo)體探測(cè)器 ? 金硅面壘探測(cè)器 高純鍺半導(dǎo)體探測(cè)器 閃爍探測(cè)器 ?光電倍增管 0?00)( ??teQti???光脈沖的衰減時(shí)間常數(shù) 核輻射探測(cè)器輸出信號(hào)的特點(diǎn) ? 核輻射探測(cè)器都能產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電流 i(t)，在電路分析時(shí)，可以等效為電流源。 ? 核輻射探測(cè)器的輸出電流 i(t)具有一定的形狀，即具有一定的時(shí)間特性，可用于時(shí)間分析（對(duì)閃爍探測(cè)器可作為能量分析）。 ? 如在輸出電容上取積分電壓信號(hào) Vc(t),則 Vc(t)正比于E，可做射線能量測(cè)量。 三、核輻射探測(cè)器的基本性能 探測(cè)效率 探測(cè)效率定義為探測(cè)器測(cè)量到的粒子數(shù)目與實(shí)際入射到探測(cè)器中的粒子總數(shù)的比值，在粒子物理實(shí)驗(yàn)中也稱為幾何接收度。它是與探測(cè)器的尺寸，幾何形狀，特別是對(duì)入射粒子的靈敏度、能區(qū)有關(guān) 。通常希望探測(cè)器具有較高的探測(cè)效率。 表中給出了 1MeV 能量的粒子的能量全部沉積在探測(cè)器中時(shí)，產(chǎn)生的平均電荷對(duì)數(shù)及相應(yīng)的輸出電壓幅度?？梢钥闯龀碎W爍體探測(cè)器和正比計(jì)數(shù)器以外，放大器是必須的。 各種探測(cè)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(shí)間分辨和空間分辨等，指探測(cè)器在識(shí)別兩個(gè)相鄰的能量、時(shí)間、位置之間的最小差值的能力。對(duì)這些量的測(cè)量，由于探測(cè)器的探測(cè)過程，即電離、激發(fā)退激發(fā)、光電轉(zhuǎn)換以及光電倍增管的倍增過程都是隨機(jī)的，在后續(xù)的電子學(xué)處理過程中噪聲的貢獻(xiàn)，使得測(cè)量值 N圍繞其平均值有統(tǒng)計(jì)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(biāo)志漲落大小的標(biāo)準(zhǔn)偏差， )(N?0N NFWHMN?2FWTM分辨率的表示除了用標(biāo)準(zhǔn)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(cè)器固有分辨率RD %%100)( ???? EEF WH MR E?探測(cè)器固有能量分辨率 RD 來表征一個(gè)系統(tǒng)的分辨能力，定義為由探測(cè)器的探測(cè)過程，即電離、激發(fā)退激發(fā)、光電轉(zhuǎn)換等過程的隨機(jī)性引起的分辨能力： 常見的幾種探測(cè)器的分辨率 ? 從表中可以看出，能量分辨率是半導(dǎo)體最好，氣體探測(cè)器次之，而閃爍體比較差，而時(shí)間分辨率則是閃爍體探測(cè)器為最好，因此根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)的需要選擇合適的探測(cè)器非常重要，而且要搭配合適的電子學(xué)系統(tǒng)。 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關(guān)系。上表列出了各種探測(cè)器的線性指標(biāo)。 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。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(cè)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(yùn)動(dòng) 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(dá)式，式中 RC為電路的時(shí)間常數(shù)，其大小直接 影響輸出脈沖的幅度和波形。按時(shí)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(shí)間（約為 10 3 秒 ）。 ?? ?? TRCT ,電子脈沖電離室： 為電子的收集時(shí)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(gè)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(gè)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(dāng) 時(shí) ： tT??01( ) ( )T Nev t i t d tCC????其中： N 為總電子 離子對(duì)數(shù)，此時(shí)電壓升至最大值。 (3)、當(dāng) 時(shí) ： tT?? ( ) 0it?只有當(dāng)正離子在漂移過程中，外回路中才有電流信號(hào)存在。一旦正離子到達(dá)負(fù)極板電流立即為零。 (3)、 當(dāng) 時(shí) ： 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(shí)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(shí)間常數(shù)為 RC的指數(shù)率下降。 (1)、當(dāng) 時(shí) ： tT??(2)、當(dāng) 時(shí) ： tT??(3)、當(dāng) 時(shí) ： tT??脈沖上升階段。 脈沖達(dá)到最大值。 電子脈沖電離室 當(dāng) 時(shí) ： 輸出電壓脈沖不能達(dá)到最大值