核仪器概论教学课件PPT多道脉冲幅度分析系统.ppt

1 核仪器概论 第五章多道脉冲分析系统 2 小测验 第二次 阻容反馈式电荷灵敏前放的原理电路如下 D为Si半导体探测器 Cf 1pf Rf 109 设射线能量为1 33Mev 且全部能量消耗在探测器中 试写出输出脉冲幅度的表达式并定量画出Vo t 的波形 几十 上百nS 3 4 第五章多道脉冲分析系统 一 幅度谱的形成过程 二 多道的构成 包括硬件及软件两大部分 5 三 谱仪ADC 谱仪ADC是测量快速随机脉冲幅度分布过程中使用的模数变换器 根据上述谱的形成过程可知 若希望幅度谱测量准确 最重要的是 道宽的一致性要非常的好 因此对谱仪ADC有一个非常重要的指标 叫做 微分非线性 也称 道宽的不一致性 一般不超过 1 100 一般市场销售的商品ADC 精度为 1 2或 1 4最低有效位 不能直接作为谱仪ADC使用 6 1 谱仪ADC的类型通用的有三种类型 线性放电法ADC 又称WilkinsonADC 逐次二进制比较法ADC一次直接比较法ADC 又称flashADC 1 1线性放电法ADC 7 工作原理如下图1 图2 8 工作过程主要分三个阶段 a 输入脉冲幅度给电容强行充电 最终使电容上的电压等于输入脉冲幅度的最大值 b 电容上的电压产生线性放电 同对时钟脉冲进行计数 当电容上的电压回到零时 计数停止 完成峰值的模数转换过程 c 存储周期 用计数结果Nc作为地址 将Nc地址中的内容加1 9 线性放电法ADC 最大优点是道宽一致性这一指标可以做得很好 典型值为 1 其缺点是需要较长的转换时间 如 一个8192道的线性放电法ADC 最大的转换时间为20 165 S 且转换时间取决于脉冲幅度 10 1 2逐次二进制比较法ADC工作原理如下图所示 当前的NC值 多位二进制数码寄存器如 8192道ADC 需要13位 212 20 11 逐次比较法谱仪ADC可具有高分辨率谱仪所需要的道数 但它们的微分非线性却不能满足要求 微分非线性的典型值为1 2最小有效位 这将带来50 的道宽不一致性 这个问题可通过加人 滑尺技术 加以解决 原理如下图 12 13 加人 滑尺技术 后 最终可使微分非线性降低到 1 带有滑尺技术的逐次二进制比较法ADC可具有较低的微分非线性及较短的转换时间 并且其转换时间与脉冲幅度无关 此类型产品典型值为 分辨率从1 000 16 000道 其转换时间可做到从2 20 S 14 另一种常用的改善ADC微分非线性的方法 降位使用法原理 若有一市场销售的商品ADC 12位 精度为 1 2最低有效位 若直接用做谱仪ADC 可做成4096道的多道 最低有效位为1时对应多道的最小道宽 设为1mV 由于ADC精度为 1 2LSB 所以会带来50 的道宽不一致性 15 若只使用此ADC的高8位 211 24 同样的ADC 只能做成256道的多道 此时24位为1时对应多道的最小道宽 为16mV 结果 平均道宽扩大的16倍 但片子本身的绝对误差是确定值 因此道宽不一致性理想情况下将改善了50 16 16 图5 3 3 原理如右图 flashADC的道数一般做得很少 如要少于8位 因此不会应用在高分辨率谱仪中 1 3flashADC 又称一次直接比较法ADC 17 a 分辨率 ADC总道数 b 变换增益 每单位幅度能变换成多少道 单位用道 伏 c 微分非线性 即道宽的不一致性 描述个别道宽与平均道宽的偏离程度的指标 对于谱仪ADC这是一项非常重要的指标 一般要 1 d 积分非线性 描述实际输入信号幅度A与被转换地址m的关系曲线与理想曲线 一条过原点直线 的偏离程度的指标称为积分非线性 一般 0 1 e 变换速度 变换一个输入信号所需要的时间 一般慢的几十微秒 快的几微秒 2 谱仪ADC的主要技术指标 18 微分非线性 19 e 计数率特性 用高计数率时的峰位mp 分辨率R 和低计数率时的峰位mp 分辨率R的差别来衡量 两者的差别允许多大 高 低计数率各取多少 由产品说明书规定 g 每道最大计数 h 稳定性 包括温度稳定性 电源电压变化的稳定性及长时间工作稳定性 在选用谱仪ADC产品时 一定要注意以上指标要满足实际应用的要求 20 能谱测量时 道宽的选取要视具体情况而定 道宽小 对脉冲幅度分类细 但对同样的输入信号计数率 分到每一道的计数率就低 为使各道积累到足够的计数而减小统计误差 需要的测量时间就长 因此不必要的用过多的道数来测谱 在存储空间及测量时间上都有所浪费 3 谱仪ADC使用中的几个问题3 1道宽 或道数 的选择 21 实际测谱时 应在满足分辨率的要求下 尽量使用大道宽 一般说来 在峰的半高宽内 有5 10道就够了 例如使用闪烁探测器时 由于它的分辨率在10 上下 用几十道到几百道就够了 使用Ge Li 探测器时 由于它的能量分辨率可达0 1 量级 就要几千道才能分析一个完整的谱 22 3 2关于死时间校正 几个定义 实时间 realtime 实际测量时间 符号为Tr 死时间 deadtime ADC每转换一个脉冲信号所占用的时间 符号为Td 活时间 livetime 实时间扣除死时间后的时间 符号为Tl 三个时间关系 活时间 实时间 死时间 因死时间内 ADC拒绝信号输入 因此在计算计数率时应将死时间从实时间中扣除 这种数据的处理方法 称之为死时间校正 23 进行死时间校正的办法有多种 百分死时间表校正 如实际测量时间Tr 10秒 百分死时间电表指示P 20 则活时间为Tl 1 P Tr 1 0 2 10秒 8秒 计算计数率时就要按有效测量时间8秒来计算 a b 活时间测量 在测量过程中不以实时间计时 而用活时间计时 这需要将ADC的死时间信号输出到多道分析器或计算机的定时电路 使计时器在死时间内停止计时就可以了 实际使用时采用何种方法进行死时间校正 可视具体情况而定 24 由谱仪ADC将输入脉冲的幅度转换而成的数字量 以一定的格式存入多道缓冲器中 再通过接口电路将数据传给计算机 四 多道缓冲器 MCB 25 1 MCB与计算机的连接方式MCB产品与PC机的连接有多种方式 例如 ISA插卡式的连接方式 PCI插卡式的连接方式 利用RS 232 或USB 串联接口 将MCB与PC机相连 通过计算机的并行接口 实现MCB与PC机相连 对于安装有双口存储器的MCB 可利用双口连接器将MCB与PC机相连 在此情况下PC机可直接访问MCB中的存储器 通过以太网接口 将MCB与服务器相连 在此情况下可通过网络实现对MCB的遥控功能 26 2 多道缓冲器产品实例ORTEC926多道缓冲器 MCB ORTEC926多道缓冲器 MCB 是多道脉冲幅度分析系统中使用的一个专用的硬件部件 在实时数据获取方面具有非常优良的性能 它与PC机相连 配上基于PC机的专用软件 即可实现数据获取 存储 显示及各种数据的处理及分析功能 27 28 前面板上的GATE端 可输入相关信号实现符合或反符合测量 后面板上的PUR端 可输入堆积判弃信号 使得发生峰堆积时 不再对堆积后的信号进行AD转换 后面板上的BUSY输入端 可接收来自谱仪放大器BUSY输出端的信号 用于进行死时间校正 面板说明 29 a ADC带有滑尺技术的逐次二进制比较法ADC b 最大分辨率8192道 通过软件操作可选择为8192 4096 2048 1024及512道 c 分析一个脉冲占用的死时间 8 S d 积分非线性 0 025 e 微分非线性 1 f 增益稳定性 50ppm OC 926性能如下 30 h 数据存储器8192道具有掉电保护的数据存储器 每道计数为231 1 i 可预置停机条件 满足条件后自动停机 1 预置测量时间 实时或活时 2 预置计数 预置感兴趣区的峰计数或面积计数 3 溢出停机 当任意一道的计数超过231 1时 自动停止数据获取 g 死时间校正有两重方法供选择 1 Gedcke Halemethod 2 活时间测量法 31 926的并行接口可连接到计算机的打印机接口 以实现926与计算机之间的数据通讯 而926后面板上的打印机接口可直接接到打印机或接到另一个926插件的并行口上 以此种方法最多可接入8个926插件 最后一个926再接入打印机 k j 微处理器intel80C188 具有32K的程序存储器 及带有掉电保护的32K的数据存储器和16K的中间结果暂存器 32 2 2 1 用于NaI探测器的插卡 ISA 式的多道分析器 其中包括 放大器 稳峰器 ADC 存储器及仿真软件 2 2MCB的其它产品实例 33 2 2 2 插卡 PCI总线 式的多道分析器 34 2 2 3 ORTEC生产的CAMACFERABUSADCS是标准化的产品与IBMPC机及SPARROWKmax软件结合 可构成一个功能强大的多参数数据获取系统 35 关于CAMAC标准 CAMAC标准是核物理 高能物理中使用的另一种仪器的制作标准 前面讲过的NIM标准是在计算机大量使用之前制定的 没有考虑插件之间的大量数字信息的传递问题 因此一般只适用于模拟信号处理系统 随着计算机的发展和大量使用 核测量系统的构成规模在不断加大 各插件之间 插件与计算机之间有大量的数字信息需要传递 CAMAC标准被提出 1975年国际电工委员会通过并推荐CAMAC标准为一种国际仪器标准 CAMAC标准不仅在机箱及插件的机械结构 电源标准 信号电平等方面做了规定 而且在信息的传输方式 信号传送的硬件及软件方面也规定了标准 因此使用CAMAC标准的机箱 插件可以方便的组成大规模的以计算机为核心的在线系统 36 若将多道脉冲幅度分析器测出的幅度谱转换为被测射线的能量谱必须首先进行系统刻度 系统刻度就是由已知的放射源 刻度源 获取谱数据 然后对谱数据进行处理 求出 五 系统的刻度 能量刻度曲线 能量和道址关系曲线 能量分辨率刻度曲线 FWTM和道址关系曲线 效率刻度曲线 探测效率和能量的关系曲线 在通用 谱获取和处理系统中 一般都配备有系统刻度程序 37 能量刻度 刻度源 多种已知放射性核素混合而成 核素名称 活度 半衰期 产额 各峰能量 能量分布均匀 38 谱的常规数据处理包括 谱的平滑化处理 寻峰 求峰的净面积 零点和增益漂移的校正 谱曲线的拟合 核素识别和定量分析等 下面我们以 谱数据处理为例 对谱数据处理方法做一些简单介绍 六 谱的数据处理 对不同的应用场合 谱的数据处理方法可能不同 但对于一些通用的而且处理方法比较成熟的系统 如 谱仪 在仪器系统建造的同时就配备有数据处理软件 39 1 谱的平滑化处理 谱数据中的统计涨落 往往给数据分析带来困难 例如在寻峰时 计数的统计涨落可能被误认为是一个假峰 因此常常需要对谱进行平滑化处理 如右图 其中分散的点为原始数据 圆滑的曲线为经平滑后的谱曲线 一个谱可能需要平滑多次 平滑的次数越多 平滑后的谱数据的统计涨落越小 但可能使峰的能量分辨率变坏 弱峰消失 因此实际需要平滑的次数要根据具体情况设定 用二阶多项式拟合谱数据进行谱平滑化处理 40 2 自动寻峰自动寻峰就是用计算机程序在谱数据中寻找峰并准确地定出峰位 对于通用的 谱数据获取和处理系统 要求自动寻峰能够在较高的康普顿坪或自然本底上寻找弱峰 同时不能把本底的统计涨落误认为峰 在多个峰重叠在一起的情况下 能够定出其中每个峰的峰位 3 求峰的净面积 如右图 峰区内 各道的计数和称为该峰区的总面积 如图中mL与mh中各道的计数之和 41 峰的总面积减去本底面积称为峰的净面积 如图中的斜线部分 通过峰的净面积 可求出核素的放射性活度 知道主峰的净面积之后 可利用下式定出该核素的放射性活度 4 核素放射性活度的计算 说明 式中EFF为该能量 射线的光子的探测效率