核仪器概论教学课件PPT前置放大器、谱仪放大器.ppt

1 核仪器概论 2 第三章前置放大器 第一节概述 探测器与前置放大器连接的等效电路图 若RiCi Io t 的持续时间时 V t 的幅度与Io t 的积分成正比 即与入射粒子的能量成正比 3 一 电压灵敏前置放大器 Ci CD CA CS ii vi vo 电压灵敏前置放大器电荷灵敏前置放大器 上述电路忽略了Ri 第二节谱仪前置放大器的类型 4 放大器输入电容CA可能由于输入级增益不稳定而变化 使用P N结半导体探测器时 如偏压不稳 则结电容CD将发生变化等 当Ci不稳定时 输出电压幅度VoM也不稳定 在能谱测量中 这将使系统的能量分辨率降低 所以电压灵敏前置放大器一般只适用于能量分辨率比较低的谱仪系统 例如 用闪烁探测器的幅度或能谱测量系统 电压灵敏前置放大器的问题 输入端总电容Ci可能是不稳定的 如 5 二 电荷灵敏前置放大器具有良好的低噪声性能 目前高分辨率能谱测量系统 如 各种半导体谱仪 中使用的几乎都是电荷灵敏前置放大器 1 电荷灵敏前置放大器的工作原理 6 若 AO为开环放大倍数 其中Q为输入电荷 Cifo Ci 1 Ao Cf 7 如果满足AoCf Ci Cf 则 实际上反馈电容Cf可以足够稳定 所以输出幅度VoM反映了输入电荷Q的大小且与Ci无关 鉴于这一特点 我们将这种前置放大器称为电荷灵敏前置放大器 只要Cf保持恒定不变 不论Ci Ao是否稳定 输出电压幅度对输入电荷的 放大倍数 都是稳定的 实际上Ci 几十pf 上百pfAo 几千 8 2 电荷灵敏前置放大器的实用电路电荷灵敏前放的实用电路形式有多种 阻容反馈型是最常用的一种 1 原理电路 Cf Rf构成反馈网络 Rf为Cf提供放电回路 因此称这种型式的前置放大器为阻容反馈电荷灵敏放大器 9 2 噪声简介 探测器漏电流噪声电阻RD热噪声场效应管栅极漏电流噪声场效应管沟道噪声电阻Rf热噪声 a 前置放大器的主要噪声源 10 对噪声表示方法 如 的解释 噪声的平均功率 即噪声电压或噪声电流在1 电阻上产生的平均功率 或 其中 S 称为功率谱密度 是各频率分量平均功率之和 11 上述各噪声源 场效应管沟道噪声被称为 串联噪声 又称a噪声 其余各噪声源被称为 并联噪声 又称b噪声 从上式可见 C 越小 a噪声越小 因此前放与探测器靠得越近 放大器的总噪声越小 k 波尔兹曼常数 T 绝对温度 12 3 主要性能指标 1 灵敏度 定义1 电荷灵敏前放输出电压信号VOM与输入电荷量Q的比 用符号ACQ表示 Cf小 可得到较大的变换增益 但Cf要有良好的稳定性 电荷灵敏度 13 定义2 探测器材料沉积的每MeV能量在放大器输出端可得到多少mV信号 用符号ACE表示 对硅探测器 Cf 1pf时 ACE 44mv MeVCf 0 1pf时 ACE 440mv MeV 或 室温下的硅 Si W 3 61eV低温 77K 下的锗 Ge W 2 96eV 能量灵敏度 14 a 前放的噪声通常是 将放大系统 包括 探测器 前放 主放 输出端的噪声 用Von表示 折合到前放的输入端的等效噪声 给出电荷灵敏前放的噪声指标之前几个概念应先讲述清楚 2 噪声指标 15 b 电荷灵敏前置放大器的噪声指标 通常是用等效噪声能量线宽FWHMNE的概念给出的 以上是高斯形噪声能谱曲线 图中ENE为折算到前放输入端的等效噪声能量 其半高宽被称为等效噪声能量线宽 用FWHMNE表示 16 和前置放大器的噪声源有关 与探测器所用材料有关 锗和硅的平均电离能不同 和主放大器中的滤波器形式及时间常数有关 后面讲 d FWHMNE的值主要与哪些因素有关 17 所以在具体给出某一系统的噪声线宽时 必需说明主放大器中使用什么样的滤波器和多大的时间常数 道理后面讲 同时还应注明探测器的材料是锗还是硅 例如 CR RC成形 时间常数10 s 噪声线宽为200eV Si 18 零电容噪声 表示前置放大器的固有噪声 即不带探测器 不外加电容时的噪声 噪声斜率 定义为前置放大器输入端对地之间每外加1pF电容时噪声增加多少 噪声斜率用来估计在接上探测器时 它的极间电容对噪声的影响 产品说明中给出的噪声指标 由于探测器 前置放大器系统的噪声与C 有关 即与探测器电容CD有关 所以电荷灵敏前置放大器的噪声指标往往分两项给出 19 右图给出一个典型的电荷灵敏前放其噪声与输入端外加电容的关系 对于半导体能谱仪用的放大器 零电容噪声 约几百eV 对 阻容反馈 的电荷灵敏前放 噪声斜率 十几至几十eV pF 20 3 最大的能量平方与计数率的乘积 E2CRP 或最大的能量与计数率的乘积 ECRP 阻容反馈的电荷灵敏前放输出信号的后沿衰减很慢 其衰减时间常数为 f CfRf 通常为数百 S或更大 因此 即使计数率不高 信号也会产生明显的 堆积 堆积后的输出电压瞬时值Vo如下图 不难理解 被测射线能量越高 计数率越高 Vo越大 当Vo达到一定值时 前置放大器将会过载 21 因此 电荷灵敏前放指标中会给出E2CRP或ECRP这一指标 如果 产品说明书给出E2CRP的指标 则在给定被测信号能量的情况下 用E2CRP E2即可得到此系统能测信号的最高计数率 如果 产品说明书给出ECRP的指标 则在给定被测信号能量的情况下 用ECRP E即可得到此系统能测信号的最高计数率 22 ORTECModel142A 142B 142C具有低噪声 快上升时间的电荷灵敏前置放大器 适用于测量带电粒子或重离子的半导体探测器 外接电缆插座有五个 探测器信号输入 测试信号输入 两个放大器信号输出 用于能量测量的慢信号及用于时间测量的快信号 探测器使用的高压偏置电源 最大可加1000V 23 性能指标 142A为例 变换增益 45mv MeV 对Si探测器 噪声特性 探测器电容为0pf时 前放等效输入噪声为1 6keV 探测器电容为100pf时 前放等效输入噪声为3 4keV 放大器 ORTEC572 时间常数 2 S 最大的能量平方与计数率的乘积 E2CRP 1 5X107MeV2 S 24 适用的能量范围 0 200MeV 推荐的输入电容的范围 0 100Pf 输出信号的上升时间 终端带有93 负载 输出电压信号0 5V 探测器电容为0pf时 5ns 探测器电容为100pf时 12ns 输出信号的衰减时间 一般为500 S 积分非线性 0 03 输出端开路 输出电压信号0 7V 或终端带有93 负载 输出电压信号0 3 5V 探测器偏置电压 最大为 1000V 25 第四节能谱测量时 前置放大器的选取原则 闪烁探测器 一般选用电压灵敏放大器 因闪烁探测器本身输出信号幅度大 通常可达几百mV或伏的量级 能量分辨率较低 最好为6 7 因此对前放的噪声性能一般无特殊要求 且不需要放大器有高的电压增益 如上述ORTECModel113就是性能价格比较好的选择 1 首先 看前面已选用了什么类型的探测器 一般来讲 26 因为这些探测器输出信号小 如mV 或0 几mV 且本身具有很好的能量分辨率 因此要求放大器输入等效噪声要小 增益稳定性要好 如上述ORTECModel142系列的前放 半导体探测器 包括Si Li 探测器 锗探测器 硅带电粒子探测器 气体正比计数器通常要选用低噪声及增益稳定性优良的电荷灵敏放大器 27 2 选择前置放大器时要考虑的其它因素 探测器输出信号的大小提出对放大器增益要求 探测器分辨率特性提出对放大器的噪声要求 探测器的结电容大小 影响对放大器噪声斜率的要求 根据被测信号的能量范围 被测信号的计数率 对前放的计数率特性提出要求 是否需要通过前放给探测器加入偏压 加入多大的偏压 实用中对放大器的线性 稳定性要求 价格等因素 等 28 对前放输出的电压信号进一步放大 用多种方法对信号进行处理 几种常用的处理方法如下 第四章谱仪放大器 谱仪放大器又称主放大器 主要任务为 滤波与成形 基线恢复 堆积判弃 目标 使谱仪有尽量好的能量分辨率 29 第一节滤波和成形 1 滤波和成形的必要性 谱仪放大器必须接收来自前置放大器的信号 左图 a 画出了从阻容反馈型前放来的典型的输出脉冲形状 30 分析此信号 迅速上升的跳变前沿 其跳变幅度代表被探测射线的能量 此信息通过主放大器后必须完整的保留 a 慢的指数衰减 可能有50 S或更大 的后沿 不利于信号的进一步放大 也不能满足后续的模数转换电路对输入信号形状的要求 因此主放必须对其形状进行改造 如上图 b b 从时域看 主放接收前放的信号并将其成形以满足后续电路的要求 此功能被称之为 成形 31 从频域看 要求谱仪放大器要具有合适的频率响应 以使得带有噪声的前放输出信号经主放后 尽量滤去噪声的各频率成分 而保留有用信号的各频率成分 最终提高信噪比 此功能可被称之为 滤波 32 2 介绍几种常用的滤波成形电路原理 1 CR RC脉冲成形 成形原理 如上图 前放输出信号首先通过CR高通滤波 又称 CR微分器 这将通过衰减低频成分 其中包括许多噪声和非常小部分的信号 而改善信噪比 脉冲的衰减时间通过这个滤波器也变短了 33 脉冲到达放大器输出端之前 它要通过RC低通滤波 又称 RC积分器 如下图 通过它可衰减高频成分 其中包括很多的噪声 而改善信噪比 34 下图表示在放大器中 将高通与低通滤波器结合在一起使用的情况 设高通滤波器中的微分时间常数为 D D CDRD 低通滤波器中的积分时间常数为 i i CiRi 通常令 D i 35 上图中 放大器接收前放来的信号后 最终得到一个如图所示的输出脉冲 脉冲的上升沿变慢并在1 时达到它的最大幅度 衰减返回到基线的时间主要由CR微分电路的时间常数决定 由于前放输出信号本身有一长的衰减时间 因此会有一个小的幅度下冲 下冲的起始点大约在7 这个下冲衰减再返回到基线用一个很长的时间常数 由前放输出脉冲的衰减时间常数决定 36 前放的输出信号经过如此处理后 a 经推导 成形后脉冲峰值如下式 与输入电荷量Q成正比 保留了输入信号中的有用信息 b 基本形状变窄了 前放输出信号的衰减时间常数为CfRf 成形后脉冲的衰减时间常数为CR 前者50 S或更大 后者一般为几 S量级 e 2 7 c 电路有高低通的滤波作用 可有效的抑制来自前放的信号中的噪声 提高信噪比 37 可用于闪烁探测器谱仪 应被选择成至少为3倍的闪烁体的衰减时间常数 CR RC滤波成形的应用 用于半导体探测器的谱仪 硅带电粒子探测器 约为0 5 1 S 锗和Si Li 探测器 一般约为在6 20 S 这样长的时间常数对整个谱仪允许接受的最高计数率下降 因此有时会采用小一些的时间常数 牺牲信噪比性能以适应更高的计数率要求 38 FH1047A型电荷灵敏前置放大器 北京核仪器厂生产 主要用途本仪器配合金硅面垒半导体探测器在室温条件下可与有关插件配成 谱仪 它用N沟道场效应管作为输入管 主要技术性能1 灵敏度 1 1012V 库仑或40mV MeV Si 2 噪声特性 A型 2 2keV 0 05keV pF半宽度 Si 典型值 1 5keV 0 04keV pF 3 输出脉冲上升时间 30ns 外接电容为零 4 最大线性幅度输出范围 2V 负载为1k 使用环境温度范围 0 50 相对湿度 90 课堂讨论 39 FH1048A型电压灵敏前置放大器 北京核仪器厂生产 主要用途本仪器与有关插件配合 用于光电倍增管 正比计数管等探测器的输出 作前级放大使用 主要技术性能1 放大倍数 5倍 2 稳定性 连续工作八小时 放大倍数变化 0 03 3 非线性失真系数 积分非线性 0 5 外接负载1k 输出幅度3V 4 输入阻抗 500k 5 上升时间 30ns 使用环境温度范围 0 50 相对湿度 90 40 作业 回答 第三章习题第3 8 10 11题 3 谱仪中的前放分成哪两类 简述各自的工作原理 8 电荷灵敏前放的 能量灵敏度 与 电荷灵敏度 的含意各是什么 哪项指标与探测器的材料有关 10 噪声指标分哪两项给出 各自的含意是什么 这种描述噪声的办法对使用者有什么方便之处 11 定性说明在前放使用过程中信号的堆积程度与哪些因素有关