第1章信号与噪声

第一章第一章 核电子学系统中的信号与噪声核电子学系统中的信号与噪声1.核辐射探测器及其输出信号核辐射探测器及其输出信号2.核电子学中的噪声核电子学中的噪声3 核电子学中的信号与噪声分析基础核电子学中的信号与噪声分析基础4 核电子学测量系统概述核电子学测量系统概述1.核辐射探测器及其输出信号核辐射探测器及其输出信号一一.核辐射探测器的要求和特点核辐射探测器的要求和特点 探测器输出信号为随机脉冲（时间特性、幅度分布探测器输出信号为随机脉冲（时间特性、幅度分布的非周期性或非等值性）。的非周期性或非等值性）。由于信号的统计性，要求核电子学用独特方法处理由于信号的统计性，要求核电子学用独特方法处理和研究。和研究。脉冲参数：电荷量、出现时刻、单位时间脉冲数、脉冲参数：电荷量、出现时刻、单位时间脉冲数、脉冲形状（上升时间）脉冲形状（上升时间）核信息：能量（能损），粒子入射时间、强度、粒核信息：能量（能损），粒子入射时间、强度、粒子类型（子类型（.n.p.d）对信号脉冲的幅度、时间、波形和数目等参数量的获取、处理和分析，可对信号脉冲的幅度、时间、波形和数目等参数量的获取、处理和分析，可以获得粒子的动量、能量、电荷量、质量、时间和空间关系等各种性质。以获得粒子的动量、能量、电荷量、质量、时间和空间关系等各种性质。1.核辐射探测器及其输出信号核辐射探测器及其输出信号二探测器类别和输出信号二探测器类别和输出信号1.电离室电离室NF A E w()()i tQ ttQN e()1()toov tQ CCi t dtK E输出信号：图输出信号：图1.1.22.半导体探测器半导体探测器金硅面垒探测器、金硅面垒探测器、Ge(Li)和和Si(Li)探测器、探测器、HPGe探测器等。探测器等。()1()toov tQ CCi t dtk E1.核辐射探测器及其输出信号核辐射探测器及其输出信号固体电离室，与气体情况类似。平均电离能约固体电离室，与气体情况类似。平均电离能约3ev，电子空穴收集时间约为，电子空穴收集时间约为10-7s。1.核辐射探测器及其输出信号核辐射探测器及其输出信号3.闪烁探测器闪烁探测器0/0()/ti tQe电子经过光电倍增管的打拿极需要一定时间，所以电流信号i(t)和电压信号vc(t)比入射粒子产生的光脉冲要有延迟时间t1，光子在光阴极上转化成光电子的位置不同，t1有涨落，电流和电压信号有一时间分布。1.核辐射探测器及其输出信号核辐射探测器及其输出信号三核辐射探测器的基本性能（指标）三核辐射探测器的基本性能（指标）探测效率、输出幅度、分辨率、线性响应、稳定性探测效率、输出幅度、分辨率、线性响应、稳定性表表1.1 表表1.2 表表1.3 表表1.41.核辐射探测器及其输出信号核辐射探测器及其输出信号四核辐射探测器的输出电路四核辐射探测器的输出电路1.脉冲电离室脉冲电离室 图图1.1.6(a)、(b)、(c)、(d)、(e)R=RL/Ri C=CO+Cs+Ci RC T+Vm=Ne/C 1.核辐射探测器及其输出信号核辐射探测器及其输出信号2半导体探测器半导体探测器 图图1.1.7 (a)、(b)、(c)RD偏置电阻偏置电阻 Rd灵敏区电阻灵敏区电阻 R、C非灵敏区电阻电容非灵敏区电阻电容 Ri、Ci放大器输入电阻和电容、放大器输入电阻和电容、Cs 分布电容、分布电容、Cc隔直电容隔直电容 RC T输出即可达输出即可达Ne/CRD/Ri CD/Cs/Ci1.核辐射探测器及其输出信号核辐射探测器及其输出信号3.闪烁探测器闪烁探测器图图1.1.8 (a)、(b)、(c)、(d)、(e)R=Ra/Ri C=Co+Cs+Ci 五输出信号的数学模拟五输出信号的数学模拟单位冲击函数单位冲击函数0tt01lim 00ttt 00tttt0电流冲击脉冲电流冲击脉冲 00limi tQQtt 冲击序列冲击序列 iiiiiI ti tQtt2.核电子学中的噪声核电子学中的噪声一一.噪声噪声干扰和噪声干扰和噪声均方值均方值信噪比信噪比 =Vo/Vno等效噪声电压等效噪声电压(ENV)等效噪声电荷等效噪声电荷(ENC)等效噪声电荷数等效噪声电荷数(ENN)等效噪声射线能量等效噪声射线能量(ENE)分辨展宽分辨展宽 噪声半高全宽噪声半高全宽(FWHM)NE=2.36（ENE）探测器固有能量分辨半高全宽探测器固有能量分辨半高全宽(FWHM)DE一、噪声对核测量的影响一、噪声对核测量的影响 TnTndtVTV0221lim22)()()(DENEEFWHMFWHMFWHM (1.2.2)2.核电子学中的噪声核电子学中的噪声二、噪声的分类和噪声源二、噪声的分类和噪声源1.散粒噪声散粒噪声产生原因：载流子产生和消失的随机涨落产生原因：载流子产生和消失的随机涨落表现形式：电流的瞬时波动（输出电压的波动）表现形式：电流的瞬时波动（输出电压的波动）22diIe df 22DDdiIe df 22ggdiIe df 2.核电子学中的噪声核电子学中的噪声2.热噪声热噪声导体或电阻中载流子的热运动，与外加电压和平均导体或电阻中载流子的热运动，与外加电压和平均电流无关，主要与温度有关。电流无关，主要与温度有关。df4kT/R 2 di图图1.2.3场效应管多子在沟道中场效应管多子在沟道中作热运动产生的沟道热作热运动产生的沟道热噪声电压如噪声电压如1.2.12式式3.低频噪声低频噪声一种随频率降低而增大的噪声一种随频率降低而增大的噪声df/fAf2 fdv场效应管的低频噪声（闪场效应管的低频噪声（闪烁噪声）电压如烁噪声）电压如1.2.14式式除上述三类噪声外，由于系统安装位置的机械振动或冲击，也会造成颤除上述三类噪声外，由于系统安装位置的机械振动或冲击，也会造成颤噪声，故需尽量减少测量现场的振动和冲击。噪声，故需尽量减少测量现场的振动和冲击。3.核电子学中的信号与噪声分析基础核电子学中的信号与噪声分析基础一、时域和频域分析一、时域和频域分析网络网络(电路或系统电路或系统)分分 线性网络（描述线性网络（描述方程为线性微分方方程为线性微分方程程)、非线性网络、非线性网络（数学分析方法处（数学分析方法处理）。理）。图图1.3.1核脉冲通核脉冲通过线性网络过线性网络3.核电子学中的信号与噪声分析基础核电子学中的信号与噪声分析基础 G SF SH Sg tf th t傅氏变换与拉氏变换的应用过程傅氏变换与拉氏变换的应用过程3.核电子学中的信号与噪声分析基础核电子学中的信号与噪声分析基础3.核电子学中的信号与噪声分析基础核电子学中的信号与噪声分析基础二、核电子学中常见的基本电路分析二、核电子学中常见的基本电路分析1.探测器的输出电路探测器的输出电路冲击响应冲击响应 (t)=h(t)=频率响应频率响应 H()=R/(1+jRC)振幅频谱振幅频谱 H()=R/相位角相位角 ()=-arctg(RC)=-tg-1(RC)11()tRCetC2221CR 高频半功率点高频半功率点3.核电子学中的信号与噪声分析基础核电子学中的信号与噪声分析基础2.RC积分电路（低通滤波器）积分电路（低通滤波器）冲击响应冲击响应频率响应频率响应 11()tRCh tetRCH()=1/(1+jRC)222111HR CtgRC 振幅频谱和相位角振幅频谱和相位角)(1.1-(t)(teRCthRCt 3.核电子学中的信号与噪声分析基础核电子学中的信号与噪声分析基础3.CR微分电路（高通滤波器）微分电路（高通滤波器）H()=jRC/(1+jRC)|H()|=()=tg-1 1/(RC)2)(1RCRC 3.核电子学中的信号与噪声分析基础核电子学中的信号与噪声分析基础h(t)=1/2(t)-1/2(t-d)|H()|=|sin|4.短路延迟线短路延迟线H()=)1(21dje 2d 3.核电子学中的信号与噪核电子学中的信号与噪声分析基础声分析基础三、核随机信号通过线性网络三、核随机信号通过线性网络1.核电子学中的随机信号及其表现形式核电子学中的随机信号及其表现形式（1）噪声（随机信号）噪声（随机信号）22()/21()2v vP ve 221limTTTvv t dtT 22221limTTTvvt dtT概率密度概率密度函数函数-高斯高斯分布分布3.核电子学中的信号与噪声分析基础核电子学中的信号与噪声分析基础平均功率平均功率自相关函数、功率谱密度自相关函数、功率谱密度噪声的随机过程是平稳随机过程，自相关函数是时间差的函数与时间无关。噪声的随机过程是平稳随机过程，自相关函数是时间差的函数与时间无关。20,0,1RvP噪声电压在电阻上产生的平均功率 2PSdfSf df 20PvSdfsds/S000 ,SR组成傅氏变换对。3.核电子学中的信号与噪声分析基础核电子学中的信号与噪声分析基础白噪声白噪声白谱白谱 SR 图图1.3.11有限宽的白噪声谱密度与自相关函数有限宽的白噪声谱密度与自相关函数噪声频带比欲噪声频带比欲测电路的频带测电路的频带大得多时，即大得多时，即可近似认为是可近似认为是白噪声。白噪声。3.核电子学中的信号与噪声分析基础核电子学中的信号与噪声分析基础（2）核辐射随机信号）核辐射随机信号()().()iiiiiI ti ttt 222().()Rnnt 222()2()nSn 220,RnnS 时3.核电子学中的信号与噪声分析基础核电子学中的信号与噪声分析基础 dSHdffSfHVii)(.|)(|21)2(.|)2(|2220V0()=H()Vi()S0()=|H()|2Si()R0()=Rh()*Ri()2.核随机信号通过线性网络核随机信号通过线性网络图图1.3.133.随机信号通过常见线性电路的实例随机信号通过常见线性电路的实例图图1.3.14白噪声通过白噪声通过RC低通滤波器低通滤波器白噪声通过白噪声通过CR高通滤波器高通滤波器图图1.3.154.核电子学测量系统概述核电子学测量系统概述一、基本组成一、基本组成4.核电子学测量系统概述核电子学测量系统概述4.核电子学测量系统概述核电子学测量系统概述二二 核电子学常用的信号处理系统核电子学常用的信号处理系统 前置放大器前置放大器初步放大（以降低输出信号在传递过程中受噪初步放大（以降低输出信号在传递过程中受噪声和干扰影响）声和干扰影响）主放大器主放大器放大（便于测量，信号成形），有其他功能放大（便于测量，信号成形），有其他功能（滤波形式，基线恢复，堆积拒绝等）（滤波形式，基线恢复，堆积拒绝等）甄别（幅度，时间）甄别（幅度，时间）模数变换模数变换模数变换模数变换(幅度数字变换，时间数字变换幅度数字变换，时间数字变换)数据获取分析，处理数据获取分析，处理计数分类统计，谱数据得到（计算机应用）计数分类统计，谱数据得到（计算机应用）4.核电子学测量系统概述核电子学测量系统概述三三处理单元插件标准化处理单元插件标准化NIM标准标准:1英寸宽英寸宽;12单位宽度单位宽度(34.4mm);42芯插件芯插件;电源标准电源标准(6V12V24V);适用于模拟信号处理及模数变换和计数电路。适用于模拟信号处理及模数变换和计数电路。NIM标准机柜、机箱及插件标准机柜、机箱及插件CAMAC标准：机械和供电同标准：机械和供电同NIM;一半宽且更深一半宽且更深;信息传输方式信息传输方式;信号传送硬信号传送硬件与软件件与软件;适用于数据收集和处理系统。适用于数据收集和处理系统。快总线（快总线（TASTBUS）附录：常用的几项附录：常用的几项NIM标准标准NIM标准机箱及插件标准机箱及插件NIM标准机柜标准机柜