核电子学及其进展

1、核电子学方法核电子学方法第五章第五章时间信息的分析时间信息的分析 第五章第五章 时间信息的分析时间信息的分析 1 概概 述述 2 定时技术定时技术3 符合电路符合电路4 时间分析器时间分析器5 脉冲形状甄别（脉冲形状甄别（PSD） 结束结束 1. 概概 述述时间信息分析所要解决的基本问题时间信息分析所要解决的基本问题 时间信号的检出时间信号的检出 返回时间信息分析所要解决的基本问题时间信息分析所要解决的基本问题时间间隔甄别 时间间隔测量 返回时间间隔甄别 时间间隔甄别应用实例 时间间隔甄别器的基本功能 返回时间间隔甄别应用实例电子正电子对撞实验中，产生电子正电子对撞实验中，产生+和和-的事例的

2、事例ee探测器探测器D1和探测器和探测器D2相距有几十米以上，相距有几十米以上，对称排布，用来测定对称排布，用来测定 子。子。因为因为 +和和 -的动量相等，且对面碰撞，的动量相等，且对面碰撞，根据动量守恒定律，和飞行方向相反，根据动量守恒定律，和飞行方向相反，飞行速度近似相同，从对撞点飞出，应飞行速度近似相同，从对撞点飞出，应几乎同时分别击中几乎同时分别击中D1和和D2 。随着击中随着击中D1和和D2 位置不同信号位置不同信号S1和和S2产生时刻发生差别，如果最大时差值为产生时刻发生差别，如果最大时差值为5ns，那么，那么S1和和S2时间间隔小于时间间隔小于5ns的事例应该是的事例应该是 +

3、和和 -事例的事例的的一个的一个“候选候选”条件，这样可以排斥掉很多本底事件。例如宇宙射线穿过探测器系统条件，这样可以排斥掉很多本底事件。例如宇宙射线穿过探测器系统 ， D1和和D2是先后被击中，是先后被击中， S1和和S2的时间间隔将会大于的时间间隔将会大于 5ns，不满足此，不满足此“候选候选”条件，条件，应该被排斥掉应该被排斥掉 。需要用一个时间间隔甄别器来作为事例的选择需要用一个时间间隔甄别器来作为事例的选择 。返回 时间间隔甄别器的基本功能N个信号加入它的输入端为个信号加入它的输入端为 u1,u2.ui. uN-1,uN，它们分别在，它们分别在 ti（i=1,2N）时刻到达甄别器的输

4、）时刻到达甄别器的输入端，其中任意一对信号间的时间差入端，其中任意一对信号间的时间差都满足：都满足： - 1 titj 0） 在输出端产生逻辑信号输出在输出端产生逻辑信号输出 ，只要有任意一对信号不满足上述条件，只要有任意一对信号不满足上述条件，将不产生输出。将不产生输出。经常遇到的情况是处理二个输入信号的符合电路，称为二重符合电路。二个输经常遇到的情况是处理二个输入信号的符合电路，称为二重符合电路。二个输入信号到达的时间分别为入信号到达的时间分别为t1和和t2 ，若满足，若满足 - 1 t1t2 0） 在输出端产生逻辑信号输出，否则将不产生输出在输出端产生逻辑信号输出，否则将不产生输出 。

5、1 2为其分辨时间。为其分辨时间。 选择选择 1 = 2 = ，则分辨时间为，则分辨时间为2 （或称为符合时间窗宽）。（或称为符合时间窗宽）。具有这种功能的电路通常称为符合电路具有这种功能的电路通常称为符合电路 ， 1 2为其分辨时间。（也就是时间为其分辨时间。（也就是时间间隔阈值）。间隔阈值）。返回时间间隔测量 时间间隔测量应用实例 时间分析器的基本功能 返回时间间隔测量应用实例飞行时间计数器是在高能物理实验中经常用到的探测器系统，用来测量带飞行时间计数器是在高能物理实验中经常用到的探测器系统，用来测量带电粒子的飞行时间，其主要功能是通过所测量粒子的飞行时间信息，结合电粒子的飞行时间，其主要

6、功能是通过所测量粒子的飞行时间信息，结合其它探测器测得粒子的动量和径迹，从而辨别粒子的种类。其它探测器测得粒子的动量和径迹，从而辨别粒子的种类。测量探测器的信号和测量探测器的信号和e+ e-的作用发生时刻之间的时间间隔，就可以测量到的作用发生时刻之间的时间间隔，就可以测量到粒子的飞行时间信息。粒子的飞行时间信息。返回时间分析器的基本功能由时间间隔编码器与数据获取系统组成的时间分析器，用来完成时间由时间间隔编码器与数据获取系统组成的时间分析器，用来完成时间间隔测量。间隔测量。时间间隔编码电路是时间间隔测量中关键部件，通常称它为时间数时间间隔编码电路是时间间隔测量中关键部件，通常称它为时间数字转换

7、器（字转换器（TDC ,TDC ,Time to Digit Conversion ）。）。输出端的数码值为输出端的数码值为 其中其中T0为为LSB所对应的时间间隔。所对应的时间间隔。TDC的输出再送到数据获取系统进行数据采集与存储，它的功能与多的输出再送到数据获取系统进行数据采集与存储，它的功能与多道幅度分析器中数据获取系统相同。道幅度分析器中数据获取系统相同。 102LiiiAm0012,TmTtt其中返回时间信号的检出时间信号的检出无论是送到符合电路还是送到无论是送到符合电路还是送到TDC的信号，要求它的出现时刻与粒子的信号，要求它的出现时刻与粒子击中探测器的时刻能精确地相对应。事件的产

8、生到信号进入时间信息击中探测器的时刻能精确地相对应。事件的产生到信号进入时间信息分析电路之间，大体上如以下过程所示：分析电路之间，大体上如以下过程所示： 核事件产生粒子核事件产生粒子探测器被击中（探测器被击中（t0时刻）时刻）探测器信号输出（探测器信号输出（t1时刻时刻出现信号）出现信号）电子学电路信号处理（放大、成形等）电子学电路信号处理（放大、成形等）时检电路检出时检电路检出信号送到时间信号分析电路或符合电路输入端（信号送到时间信号分析电路或符合电路输入端（t0时刻出现信号）。时刻出现信号）。 时间信号的检出时间信号的检出在讨论时间信号检出时，从探测器输出的电流信号有以在讨论时间信号检出时

9、，从探测器输出的电流信号有以下几点需要考虑：下几点需要考虑：延迟。延迟。t1在在t0之后一定时间之后出现之后一定时间之后出现展宽。实际的电流信号不是一个展宽。实际的电流信号不是一个 信号信号涨落。涨落。( t0- t0)是一个随机量，而且信号形状也会是一个随机量，而且信号形状也会随机变化。随机变化。 1.时检电路的功能是使的涨落尽可能小，或者说的晃动很时检电路的功能是使的涨落尽可能小，或者说的晃动很小。小。 返回2. 定时技术定时技术 产生时间晃动的几个主要因素产生时间晃动的几个主要因素 时间晃动大小的度量时间晃动大小的度量 前沿定时甄别器前沿定时甄别器-固定阈值甄别器固定阈值甄别器恒比定时甄

10、别器（恒比定时甄别器（CFD）幅度和上升时间补偿定时（幅度和上升时间补偿定时（ARC） 返回产生时间晃动的几个主要因素产生时间晃动的几个主要因素 输入到时间信息分析系统的信号出现时间晃输入到时间信息分析系统的信号出现时间晃动主要有以下几个因素：动主要有以下几个因素： 探测器的固有晃动。 噪声引起时检电路输出的时间晃动。 幅度时间游动效应。 上升时间游动效应。1.以上几种因素在不同条件下对晃动所起的影响以上几种因素在不同条件下对晃动所起的影响是不相同的，因而要具体加以分析，分清主次。是不相同的，因而要具体加以分析，分清主次。着重分析幅度和上升时间游动效应产生的时间着重分析幅度和上升时间游动效应产

11、生的时间晃动及其解决办法。晃动及其解决办法。 返回探测器的固有晃动 不同的探测元件电流信号输出的时间晃动不一样，不同的探测元件电流信号输出的时间晃动不一样，它的产生原因也不相同，大致因为载流子在探测器它的产生原因也不相同，大致因为载流子在探测器内运动途径不同造成的内运动途径不同造成的 。 例：闪烁体和光电倍加管（例：闪烁体和光电倍加管（PMT）组成的闪烁计数）组成的闪烁计数器，由于粒子击中的位置不同使光传输到器，由于粒子击中的位置不同使光传输到PMT的时的时间不同，使得其输出信号的时间发生差异，而击中间不同，使得其输出信号的时间发生差异，而击中的位置往往是随机的，因而信号输出的时间产生时的位置

12、往往是随机的，因而信号输出的时间产生时间晃动。间晃动。返回噪声引起时检电路输出的时间晃动 噪声叠加在信号之上将引起时检电路输出噪声叠加在信号之上将引起时检电路输出的时间晃动。的时间晃动。 返回幅度时间游动效应 不同幅度经过时检电路之后在输出时间上不同幅度经过时检电路之后在输出时间上产生差异产生差异 ，探测器输出信号幅度的随机变，探测器输出信号幅度的随机变化造成了时间上晃动，称为化造成了时间上晃动，称为幅度时间游动幅度时间游动效应。效应。返回上升时间游动效应 不同上升时间的信号经过时检电路之后会产生在输出信号不同上升时间的信号经过时检电路之后会产生在输出信号时间上差异时间上差异 ，而有些探测元件

13、输出信号上升时间也存在，而有些探测元件输出信号上升时间也存在随机变化，这也就带来了时检电路的输出信号在时间上晃随机变化，这也就带来了时检电路的输出信号在时间上晃动。这称为动。这称为上升时间游动效应上升时间游动效应。 返回时间晃动大小的度量时间晃动大小的度量 时检电路信号输出与粒子击中探测器之间的时间差时检电路信号输出与粒子击中探测器之间的时间差 td=（t0-t0）是随机量，它服从一定的分布规律，是随机量，它服从一定的分布规律， td的概率的概率密度函数为密度函数为 PdPd（td），可以得到各级矩：），可以得到各级矩：级矩二级矩一级矩ndttPtttdttPtttdttPtttdddndnd

14、nddddddddddddd002220)()()(由此推知由此推知tdtd的随机变化情况，来度量的晃动大小的随机变化情况，来度量的晃动大小 。一般可以假设一般可以假设td服从高斯分布，服从高斯分布， 和和 是关键是关键参量参量dt2)(ddtt作为时间晃动的度量作为时间晃动的度量 dddddddtddttPtttt)()()(2022时间晃动大小的度量时间晃动大小的度量 二个信号时间间隔及其晃动量二个信号时间间隔及其晃动量 )()(1201020102ddtttttt)()(120102ddtttt2221212122)()(tdtdddddtttt0101102022ttttttdd时间晃

15、动大小的度量时间晃动大小的度量 时间晃动实验测量时间晃动实验测量 在实验上可以用在实验上可以用同一瞬间产生两个粒子的放射源（如同一瞬间产生两个粒子的放射源（如60Co 源源 ，几乎是同时发射几乎是同时发射 两个两个 粒子粒子 1 1和和 2 ）；）； 测量计数随测量计数随（即时间间隔）值变化曲线（即时间间隔）值变化曲线 ，图中求得，图中求得 和半高全宽时间和半高全宽时间FWHMFWHMt td d , ,时间晃动为时间晃动为dttdtdFWHM35. 21返回前沿定时甄别器前沿定时甄别器-固定阈值甄别器固定阈值甄别器 前沿定时特性分析前沿定时特性分析 基本电路构型基本电路构型返回前沿定时特性分

16、析（一）前沿定时特性分析（一）将输入信号前沿近似看成线性上升，可用下述关系表示：将输入信号前沿近似看成线性上升，可用下述关系表示： ttVtVmii)(mtt 0输出信号对输入信号的时间延迟可以表示为：输出信号对输入信号的时间延迟可以表示为： ttttd其中其中t ti i为输入信号从出现到上升为为输入信号从出现到上升为V VT T所需时所需时间，间，t t 为渡越时间，假定在快甄别器情况为渡越时间，假定在快甄别器情况下，下， t t 很小很小 ，暂不加以考虑，暂不加以考虑 。miTtdtVVtt在在Vi由由Vi1变为变为Vi2时，时， Vi= (Vi1 -Vi2)，如果，如果 Vi很小，则很

17、小，则输出信号对输入信号的输出信号对输入信号的时间延迟差时间延迟差 td=(t2-t1)应为：应为：imiTdVtVVt2td随随Vi变化而发生变化称为幅度时间游动效应。显而可见变化而发生变化称为幅度时间游动效应。显而可见 VT和和tm越小，越小， td变化变化量就越小，量就越小，幅度时间游动效应就越小幅度时间游动效应就越小前沿定时特性分析（二）前沿定时特性分析（二） 上述讨论在上述讨论在 Vi很小情况下，如果很小情况下，如果Vi变化很大时，服从某变化很大时，服从某一种分布规律，要得到一种分布规律，要得到 td必须必须Vi的概率密度函数求得的概率密度函数求得td的概率密度函数，的概率密度函数，

18、得到得到 td。 若达峰时间若达峰时间 tmtm发生变化（也就是上发生变化（也就是上升时间发生变化），延迟时间的变化升时间发生变化），延迟时间的变化为为 ：miTdtVVt这称为上升时间游动效应。这称为上升时间游动效应。 返回基本电路构型基本电路构型 高速运算放大器（例如高速运算放大器（例如THS3201、OPA847等）构成的施等）构成的施米特甄别器；米特甄别器； 高速比较器（例如高速比较器（例如AD96687）构成的截止式放大器型甄）构成的截止式放大器型甄别器；别器； 双阈甄别电路。双阈甄别电路。高速比较器高速比较器AD96687AD96687构成的甄别器构成的甄别器双阈甄别电路双阈甄别电

19、路由于幅度效应，前沿定时会有较大的定时误差。降低甄别阈，是减由于幅度效应，前沿定时会有较大的定时误差。降低甄别阈，是减少这一误差的重要措施。但甄别阈的减少将会明显引起噪声误触发，少这一误差的重要措施。但甄别阈的减少将会明显引起噪声误触发，为此，设计了双阈甄别电路，采用低阈定时，高阈选通的方案，既为此，设计了双阈甄别电路，采用低阈定时，高阈选通的方案，既可减少噪声影响，又由于甄别阈的降低，还可减少由于幅度效应引可减少噪声影响，又由于甄别阈的降低，还可减少由于幅度效应引起的时间游动起的时间游动甄别器需要有稳定的阈电压。甄别器需要有稳定的阈电压。 阈电压的产生程控设置的阈电压的产生程控设置的 DAC

20、 提供。提供。为了减少噪声和外部干扰的影响，得到稳定的阈电压，对为了减少噪声和外部干扰的影响，得到稳定的阈电压，对DAC提供提供的输出电压采取了衰减和有源滤波等有效措施。的输出电压采取了衰减和有源滤波等有效措施。返回恒比定时甄别器（恒比定时甄别器（CFD） 提出恒比定时的基本思路提出恒比定时的基本思路 恒比定时甄别原理恒比定时甄别原理 恒比定时甄别器实现恒比定时甄别器实现返回提出恒比定时的基本思路提出恒比定时的基本思路 前沿定时除了由幅度游动效应引起较大晃动之外，触发比前沿定时除了由幅度游动效应引起较大晃动之外，触发比不恒定也是一个缺点。不恒定也是一个缺点。 探测器的固有时间晃动往往与外电路收

21、集到的电荷量与总探测器的固有时间晃动往往与外电路收集到的电荷量与总电荷量比值有关，在某一比值时，固有时间晃动可达到最电荷量比值有关，在某一比值时，固有时间晃动可达到最小。这一比值却好就是触发比小。这一比值却好就是触发比 P: P=VT/Vi 如果能对每一个信号作到恒定的触发比，就可以选择如果能对每一个信号作到恒定的触发比，就可以选择合适的比值，使探测器的固有时间晃动最小。同时能克服合适的比值，使探测器的固有时间晃动最小。同时能克服幅度游动效应。幅度游动效应。 返回恒比定时甄别原理恒比定时甄别原理用经延迟后的输入信号与经过衰减倒相后信号相加之用经延迟后的输入信号与经过衰减倒相后信号相加之后产生一

22、个双极性信号，该信号从负极性变到正极性后产生一个双极性信号，该信号从负极性变到正极性的过零时刻与信号幅度无关，在此时刻的信号值与总的过零时刻与信号幅度无关，在此时刻的信号值与总幅度之比为一恒值。幅度之比为一恒值。过零甄别器起到在过零甄别器起到在双极性信号的双极性信号的过零时刻过零时刻检出信号的作用。检出信号的作用。 恒比定时甄别原理恒比定时甄别原理 用用 ui(t)来近似描述输入信号来近似描述输入信号: 经过衰减倒相后信号（其中为衰减因子）：经过衰减倒相后信号（其中为衰减因子）： mimmiittPUttttPUtu0)(经延迟后的信号经延迟后的信号 didmdmdidittUtttttttU

23、tttu0)(恒比定时甄别原理恒比定时甄别原理经过相加电路之后是一个双极性信号：经过相加电路之后是一个双极性信号： mdimddmdidmimmitttPUttttPtttUtttPUttttPUtu10)(1从负极性变到正极性的过零时刻从负极性变到正极性的过零时刻 ：由此可知由此可知 (1)过零点与信号幅度无关过零点与信号幅度无关 (2)在在tz时刻，时刻，对于任何幅度都一样。对于任何幅度都一样。因此因此tz是一个理想的时刻，既克服了游动效应，又在此是一个理想的时刻，既克服了游动效应，又在此时刻的信号值与总幅度之比为一恒值。在这一时刻检时刻的信号值与总幅度之比为一恒值。在这一时刻检出信号可以

24、达到恒比定时的目的。图中过零甄别器出信号可以达到恒比定时的目的。图中过零甄别器ZCD起到在时刻检出信号的作用起到在时刻检出信号的作用 mdzPtttiziPVttu )(返回恒比定时甄别器实现恒比定时甄别器实现 门控型恒比定时甄别器门控型恒比定时甄别器 双予甄别门控型恒比定时甄别器双予甄别门控型恒比定时甄别器 双极性信号成形方法双极性信号成形方法返回门控型恒比定时甄别器门控型恒比定时甄别器返回双予甄别门控型恒比定时甄别器双予甄别门控型恒比定时甄别器 成形电路采用恒比成形时，常常取其延迟电路的延迟时间略大于成形电路采用恒比成形时，常常取其延迟电路的延迟时间略大于tm，但对于小幅度输入信号，特别是

25、刚过阈值的信号，触发时间已接近而超但对于小幅度输入信号，特别是刚过阈值的信号，触发时间已接近而超阈幅度很小，因此甄别器的渡越时间比较长，有可能使前沿甄别器输出阈幅度很小，因此甄别器的渡越时间比较长，有可能使前沿甄别器输出信号落在过零时刻之后，这样一来就成为前沿定时了。因此，上述电路信号落在过零时刻之后，这样一来就成为前沿定时了。因此，上述电路对小信号（即刚过触发阈的信号）就起不到恒比定时作用了。为此，提对小信号（即刚过触发阈的信号）就起不到恒比定时作用了。为此，提出一种改进方案，即出一种改进方案，即双予甄别门控型恒比定时甄别器双予甄别门控型恒比定时甄别器，它是在门控型恒，它是在门控型恒比定时甄

26、别器电路基础上再加上一个固定阈值甄别器比定时甄别器电路基础上再加上一个固定阈值甄别器DT，其阈值比的阈，其阈值比的阈值要大值要大 。在小信号时（即输入信号幅度略大于在小信号时（即输入信号幅度略大于 VTP）不能触发）不能触发 DT，因而，因而最后不产生输出。只有输入信号幅度大于最后不产生输出。只有输入信号幅度大于 VTT才能触发才能触发 DT，产生最后输，产生最后输出，这时出，这时DP的输出信号不会落在过零时刻之后，保证了恒比定时。的输出信号不会落在过零时刻之后，保证了恒比定时。 但是这样也会带来一个问题，但是这样也会带来一个问题，输出信号前沿时刻在略超过情况输出信号前沿时刻在略超过情况下亦会

27、落在之后，又将造成输出下亦会落在之后，又将造成输出信号对应的前沿定时时刻。为此信号对应的前沿定时时刻。为此在门在门Y1输出处加上一延迟线作适输出处加上一延迟线作适当延迟，以保证输出信号前沿在当延迟，以保证输出信号前沿在DT输出信号之后输出信号之后。 返回双极性信号成形方法双极性信号成形方法 延迟线成形延迟线成形 RCRC成形成形 输入信号输入信号Vi直接连到比较器的同相输入端，比较器的反相直接连到比较器的同相输入端，比较器的反相输入端的信号输入端的信号Vc是是Vi的低通滤波输出，它在时间上比输入信号滞的低通滤波输出，它在时间上比输入信号滞后。比较器的同相、反相输入端之间的电压差为：后。比较器的

28、同相、反相输入端之间的电压差为： Vr(t)=Vi(t)-Vc(t)=R i(t)=RC dVc(t)/dt 在电容器上电压达到峰值之后，积分电阻上的电流方向改在电容器上电压达到峰值之后，积分电阻上的电流方向改变，引起比较器输出的翻转。由于电阻电容组成的是一个线性网变，引起比较器输出的翻转。由于电阻电容组成的是一个线性网络，络，Vr(t)的过零点与输入信号的幅度无关，从而实现了恒比定时的过零点与输入信号的幅度无关，从而实现了恒比定时功能。功能。 返回幅度和上升时间补偿定时（幅度和上升时间补偿定时（ARC） 恒比定时仅仅解决了幅度游动效应，未曾解决上升时间游恒比定时仅仅解决了幅度游动效应，未曾解

29、决上升时间游动效应。动效应。ARC定时可同时解决幅度和上升时间游动效应。定时可同时解决幅度和上升时间游动效应。它的电路结构完全与恒比定时相同。但延迟时间它的电路结构完全与恒比定时相同。但延迟时间td应满足：应满足： mdtPt)1 ( 相加后输出信号应为相加后输出信号应为 mdimdmmdimddmidmitttPUttttPtttUtttPtttUttttUPtu10)(11解得解得 Pttdz1在ARC定时中 mdiittPPUtu 1)(mdizittPUtu11)(对于延迟信号的触发比 mdttPPf1对于衰减倒相信号的触发比 在tm不是常数时， 和 也就不是常数，因而不是真正恒比 。

30、 f f 返回3. 符合电路符合电路 符合电路基本结构符合电路基本结构 符合曲线符合曲线 快快- -慢符合慢符合符合电路实例符合电路实例 返回符合电路基本结构符合电路基本结构 二个输入信号分别经过定时成形电路之后，使其输出信号二个输入信号分别经过定时成形电路之后，使其输出信号前沿晃动很小，以宽度分别为前沿晃动很小，以宽度分别为 Tw1和和Tw2信号加入符合门电信号加入符合门电路，只有当二个信号发生重叠时符合门才有信号输出，此路，只有当二个信号发生重叠时符合门才有信号输出，此信号再经过甄别成形之后输出。信号再经过甄别成形之后输出。 设二个输入信号到达时间设二个输入信号到达时间 分别为分别为t1和

31、和t2，只有满足，只有满足 2211wwtttt符合门才有输出，其分辨时间应为：符合门才有输出，其分辨时间应为： 12wwttwwwttt21wt 2符合电路基本结构符合电路基本结构 以上讨论是在理想条件下得到的，即以上讨论是在理想条件下得到的，即(1)输到符合门的信号是理想矩形脉冲。输到符合门的信号是理想矩形脉冲。(2)符合门和甄别成形电路的渡越时间为零。符合门和甄别成形电路的渡越时间为零。 返回符合曲线符合曲线 为了测定符合系统（包括探测器在内）的时间分辨能力，为了测定符合系统（包括探测器在内）的时间分辨能力，常利用同一瞬间产生两个粒子的放射源、或用激发态寿命常利用同一瞬间产生两个粒子的放

32、射源、或用激发态寿命远小于系统定时误差的放射源来测定系统的瞬时符合曲线。远小于系统定时误差的放射源来测定系统的瞬时符合曲线。在两路信号通道中，用可变延迟线引入它们之间时间上相在两路信号通道中，用可变延迟线引入它们之间时间上相对延迟，测定符合系统的输出信号计数率和相对延迟量的对延迟，测定符合系统的输出信号计数率和相对延迟量的关系曲线，此曲线就是瞬间符合曲线。从瞬时符合曲线，关系曲线，此曲线就是瞬间符合曲线。从瞬时符合曲线，可以求得符合系统的分辨时间和效率。可以求得符合系统的分辨时间和效率。 电子学瞬时符合曲线 物理瞬时符合曲线 返回电子学瞬时符合曲线 用一个信号源代替放射源用一个信号源代替放射源

33、和探测器作为二路符合的和探测器作为二路符合的输入，测得瞬时符合曲线输入，测得瞬时符合曲线仅反映电路本身的特性，仅反映电路本身的特性，称为电子学瞬时符合曲线。称为电子学瞬时符合曲线。 调节相对延迟量，符调节相对延迟量，符合电路输出信号送入到一合电路输出信号送入到一个计数器去，测得计数率，个计数器去，测得计数率，可以求得相对计数率与延可以求得相对计数率与延迟量的关系曲线，此曲线迟量的关系曲线，此曲线即为电子学瞬时符合曲线，即为电子学瞬时符合曲线，也就是符合电路产生输出也就是符合电路产生输出的概率函数。的概率函数。 电子学瞬时符合曲线 在理想条件下为在理想条件下为曲线曲线 1 如果考虑到：如果考虑到

34、：(1)输入信号有一定上升和下降时间，而符合门有一定门槛电平，因输入信号有一定上升和下降时间，而符合门有一定门槛电平，因而对符合门输入来说，有效宽度变小了。而对符合门输入来说，有效宽度变小了。(2)二个信号重合时间减小到一定宽度时，由于符合门和其后继甄别二个信号重合时间减小到一定宽度时，由于符合门和其后继甄别电路有一定渡越时间，当重合时间太窄时，不能响应，这相当于电路有一定渡越时间，当重合时间太窄时，不能响应，这相当于减小了有效宽度。减小了有效宽度。(3)考虑到噪声叠加在信号、符合门的门槛电平和后继电路阈值偏置考虑到噪声叠加在信号、符合门的门槛电平和后继电路阈值偏置电路上，使有效宽度发生涨落。

35、电路上，使有效宽度发生涨落。 由于以上原因，瞬时符合曲线不仅宽度减小，而且形由于以上原因，瞬时符合曲线不仅宽度减小，而且形状上偏离了矩形，为状上偏离了矩形，为曲线曲线2。这就是实际电子学瞬时符合。这就是实际电子学瞬时符合曲线。符合分辨时间定义为瞬时符合曲线的半高全宽曲线。符合分辨时间定义为瞬时符合曲线的半高全宽 FWHM，从图中，从图中曲线曲线 2可以求得电子学分辨时间可以求得电子学分辨时间 FWHME返回物理瞬时符合曲线 用瞬时符合放射源和探测用瞬时符合放射源和探测器系统替代信号源作为符器系统替代信号源作为符合电路信号输入，测得的合电路信号输入，测得的相对计数率与延迟量的关相对计数率与延迟量

36、的关系曲线为物理瞬时符合曲系曲线为物理瞬时符合曲线，此曲线包括了探测器线，此曲线包括了探测器和定时系统的时间晃动及和定时系统的时间晃动及偶然符合等因素。偶然符合等因素。 物理瞬时符合曲线 真符合事件测得的物理真符合事件测得的物理瞬时符合曲线应为输入瞬时符合曲线应为输入到符合电路二信号时差到符合电路二信号时差的概率密度函数与电子的概率密度函数与电子学瞬时符合函数的卷积学瞬时符合函数的卷积 )()()(dEdddPtWtPtWE与值相近时00)()()(padppadpdnntWnntntW真符合事件最大输入计数率 偶然符合计数率 真符合事件计数率 为时差涨落的方差 E为电子学分辨时间 物理曲线形

37、状与电物理曲线形状与电子学曲线相似子学曲线相似 E曲线高度下降，形状变曲线高度下降，形状变窄，平顶部分消失，这窄，平顶部分消失，这是由于真符合计数被丢是由于真符合计数被丢失了失了 物理瞬时符合曲线 在实际测量中，除了真符合事例外，还有大量不属于同一在实际测量中，除了真符合事例外，还有大量不属于同一核事件互不相关的粒子进入二个探测器，它们有可能在分核事件互不相关的粒子进入二个探测器，它们有可能在分辨时间之内随机地进入符合电路各输入端而产生输出，称辨时间之内随机地进入符合电路各输入端而产生输出，称这种符合为偶然符合。显而易见，偶然符合应与二个电路这种符合为偶然符合。显而易见，偶然符合应与二个电路相

38、对延迟时间无关。相对延迟时间无关。 偶然符合计数为偶然符合计数为 ：ddEadtnntWn21)(21nnnEa随着随着 E增加，增加，W(td)曲线高度平移地升高。这正是偶然符合所造成的。曲线高度平移地升高。这正是偶然符合所造成的。 WE(td)把看成宽度为把看成宽度为 E，高度为高度为1的矩形函数的矩形函数 物理瞬时符合曲线由于时间涨落的影响，一对真符合信号到达符合电路的由于时间涨落的影响，一对真符合信号到达符合电路的时差出现晃动，当时差出现晃动，当 E选得较小时真符合事件可能漏记，造选得较小时真符合事件可能漏记，造成真符合计数损失。成真符合计数损失。 E越小，损失越多。越小，损失越多。

39、E取得较大时符合曲线出现平顶，其符合事件可被全部记取得较大时符合曲线出现平顶，其符合事件可被全部记录下来。时差的涨落对计数率的影响可以忽略。录下来。时差的涨落对计数率的影响可以忽略。 E增大，偶然符合计数也正比地增大，偶然符合与真符合增大，偶然符合计数也正比地增大，偶然符合与真符合计数之比随之增大。从符合曲线中求得偶然符合计数虽计数之比随之增大。从符合曲线中求得偶然符合计数虽然可以再从实际曲线中扣除偶然符合计数而得到真符合然可以再从实际曲线中扣除偶然符合计数而得到真符合计数，但这样会使统计误差增大。计数，但这样会使统计误差增大。 分辨时间分辨时间 E的选择要综合加以考虑。的选择要综合加以考虑。

40、从时间分辨和减小偶然符合角度来看，从时间分辨和减小偶然符合角度来看， E取小些为好；取小些为好；从真符合计数损失来看，从真符合计数损失来看， E不能取得太小。不能取得太小。符合系统所能达到的最小分辨时间，根本上取决于探测器和符合系统所能达到的最小分辨时间，根本上取决于探测器和定时系统的时间涨落大小。定时系统的时间涨落大小。 返回快快- -慢符合慢符合 时间上相关的事件本身还存在一些特点时间上相关的事件本身还存在一些特点 ，例如粒，例如粒子的能量有一定范围，也就是说信号的幅度落在子的能量有一定范围，也就是说信号的幅度落在一定范围之内。在时间符合作为基本条件之下用一定范围之内。在时间符合作为基本条

41、件之下用幅度选择作为辅助措施来减小偶然符合。事例的幅度选择作为辅助措施来减小偶然符合。事例的候选条件除了时间甄别之外，再加上幅度甄别。候选条件除了时间甄别之外，再加上幅度甄别。 但是，经过幅度甄别之后的信号往往时间晃但是，经过幅度甄别之后的信号往往时间晃动都很大，因此在幅度甄别之后再进行符合，其动都很大，因此在幅度甄别之后再进行符合，其分辨时间不能取得很小，否则会降低效率（真符分辨时间不能取得很小，否则会降低效率（真符合计数损失增加），但增大分辨时间又会使偶然合计数损失增加），但增大分辨时间又会使偶然符合增加。为了解决这个矛盾，常采用快慢符合符合增加。为了解决这个矛盾，常采用快慢符合技术。技术

42、。 快快- -慢符合慢符合 探测器信号经过时检电路后进入快符合电路，因而探测器信号经过时检电路后进入快符合电路，因而时间晃动很小，可选取很小的分辨时间。同时，这一对时间晃动很小，可选取很小的分辨时间。同时，这一对探测器信号又分别经过单道分析器进行幅度选择。只有探测器信号又分别经过单道分析器进行幅度选择。只有在时间和幅度上都满足给定条件时，三重慢符合电路才在时间和幅度上都满足给定条件时，三重慢符合电路才产生输出。其中延迟线产生输出。其中延迟线td是为了补偿单道分析器产生的是为了补偿单道分析器产生的时延时延。 返回符合电路实例符合电路实例四路输入信号先经四路输入信号先经MC10E1651比较器甄别

43、输出，然后用比较器甄别输出，然后用MC10EL01D进行进行“与与”或者或者“或或”逻辑，再通过单稳态芯逻辑，再通过单稳态芯片片MC10198调节输出脉冲宽度，最后分别转换成快调节输出脉冲宽度，最后分别转换成快NIM和和TTL输出输出 。最小时间窗可达到。最小时间窗可达到2ns。返回4. 时间分析器时间分析器 时间分析器的构成时间分析器的构成时间数字变换时间数字变换 TDCTDC 时间时间- -幅度变换器（幅度变换器（TACTAC）基于幅度基于幅度-时间修正的时间间隔测量时间修正的时间间隔测量返回时间分析器的构成时间分析器的构成 常用的有两类时间分析器常用的有两类时间分析器 二个信号加入到时间

44、间隔编码电路即二个信号加入到时间间隔编码电路即 TDC， TDC输出的数码正输出的数码正比于信号间的时间间隔，再将其送入数据获取和处理系统；比于信号间的时间间隔，再将其送入数据获取和处理系统；a.二个信号输入到时间间隔幅度变换电路即二个信号输入到时间间隔幅度变换电路即 TAC， TAC的输出幅的输出幅度正比于信号间的时间间隔，然后送到度正比于信号间的时间间隔，然后送到 ADC，进行幅度，进行幅度-数字数字变换，再送入数据获取与处理系统。变换，再送入数据获取与处理系统。 时间分析器的构成时间分析器的构成 时间分析器用来测量时间谱，即计数随时时间分析器用来测量时间谱，即计数随时间间隔分布曲线。它的

45、作用与幅度分析中间间隔分布曲线。它的作用与幅度分析中多道脉冲幅度分析器相当。多道脉冲幅度分析器相当。 关键部分是关键部分是 TDC和和TAC返回时间数字变换时间数字变换 TDCTDC 起始停止计数器型TDC 基于时间内插技术（Time Interpolating）的TDC 基于时间邮戳（Time Stamp）技术的TDC 基于时间放大技术的TDC 返回起始停止计数器型起始停止计数器型TDC 待测的起始（待测的起始（start）和停止（）和停止（stop）二个信号分别输入）二个信号分别输入到触发触复器（到触发触复器（FF）S和和R二端，二端，FF输出信号输出信号T的宽度应的宽度应为二个输入信号的

46、时间间隔为二个输入信号的时间间隔,用来控制时钟门用来控制时钟门And，时钟，时钟振荡器的时钟脉冲加到时钟门输入端，因此通过时钟门的振荡器的时钟脉冲加到时钟门输入端，因此通过时钟门的脉冲个数脉冲个数m将正比于信号将正比于信号T的宽度，即正比于二个输入信的宽度，即正比于二个输入信号的时间间隔号的时间间隔tm=tstop-tstart m= (tstop-tstart)/T0取整数取整数 T0为时钟脉冲的周期。再将此系列脉冲输入到计数器，为时钟脉冲的周期。再将此系列脉冲输入到计数器，进行串行进行串行-并行变换，经过译码后以二进制数码并行输出。并行变换，经过译码后以二进制数码并行输出。计数器目前多采用

47、计数器目前多采用Gray码计数器。码计数器。起始停止计数器型起始停止计数器型TDC 直接计数器型直接计数器型TDC的优点是电路简单，大尺度时的优点是电路简单，大尺度时间测量范围，且全数字化，易于集成。间测量范围，且全数字化，易于集成。 时间精度（一个时间精度（一个LSB代表的时间间隔量）受到时代表的时间间隔量）受到时钟频率以及它的稳定性限制钟频率以及它的稳定性限制 ，因为高时钟频率，因为高时钟频率（1GHz以上）在工艺和电路结构上要付出很高代以上）在工艺和电路结构上要付出很高代价。这种价。这种TDC的时间精度在的时间精度在ns量级。量级。 采用自激时钟振荡器会造成采用自激时钟振荡器会造成2 T

48、0的误差，采用它的误差，采用它激时钟振荡器误差可以减小到激时钟振荡器误差可以减小到1 T0，但是在一般，但是在一般情况下，振荡器起振阶段，频率和幅度不稳定，情况下，振荡器起振阶段，频率和幅度不稳定，也会带来误差。也会带来误差。返回自然二进制码可以直接由数自然二进制码可以直接由数/模转换器转换成模拟信号，但模转换器转换成模拟信号，但在某些情况，例如从十进制的在某些情况，例如从十进制的3转换为转换为4时二进制码的每一时二进制码的每一位都要变，能使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲。而格位都要变，能使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲。而格雷码则没有这一缺点，它在相邻位间转换时，只有一位产雷码则没有这一缺点

49、，它在相邻位间转换时，只有一位产生变化。它大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑生变化。它大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。格雷码仅改变一位，这样与其它编码同时改变两的混淆。格雷码仅改变一位，这样与其它编码同时改变两位或多位的情况相比更为可靠，即可减少出错的可能性。位或多位的情况相比更为可靠，即可减少出错的可能性。 返回基于时间内插技术（基于时间内插技术（Time Interpolating）的）的TDC 要满足高时间精度和大尺度测量范围的要满足高时间精度和大尺度测量范围的TDC 目前采目前采用所谓的用所谓的“粗粗”计数（计数（Coarse Counting）和）和“细细”时间

50、测量（时间测量（Fine Measurement）相结合的方法。）相结合的方法。 这种方法中，这种方法中，“粗粗”计数一般由高性能的直接计数计数一般由高性能的直接计数器型器型TDC。使用的参考时钟频率一般在数百。使用的参考时钟频率一般在数百MHz，达到几个达到几个ns的时间精度；而的时间精度；而“细细”时间测量的实现时间测量的实现则依靠时间内插技术（则依靠时间内插技术（Time Interpolation），在一），在一个时钟周期内进行时间内插，达到亚纳秒（个时钟周期内进行时间内插，达到亚纳秒（100 ps 10ps）的时间分辨。）的时间分辨。 时间内插技术的基本思想是采用适当的方法将时间内插

51、技术的基本思想是采用适当的方法将“粗粗”计数使用的参考时钟的周期细分为计数使用的参考时钟的周期细分为M个等分，并利用个等分，并利用其将被测时间间隔与其将被测时间间隔与“粗粗”计数器记录的时间计数器记录的时间(nT0)之差记录下来，等效于将时钟信号的频率提高了之差记录下来，等效于将时钟信号的频率提高了M倍。倍。一个直接的方法就是利用若干个等分的一个直接的方法就是利用若干个等分的时间延迟单时间延迟单元元，如，如M个抽头个抽头“延迟线延迟线”来实现时间内插。来实现时间内插。基于时间内插技术（基于时间内插技术（Time Interpolating）的）的TDC 受受Start和和Stop控制的控制的2

52、50MHz频率的时钟信号对频率的时钟信号对n位计数器计位计数器计数，产生数，产生4ns时间分辨的时间分辨的“粗粗”计数。同时在时钟通道中插入一计数。同时在时钟通道中插入一个个8抽头抽头“延迟线延迟线”，各抽头组，各抽头组成成0.5ns的延迟单元，其输出被的延迟单元，其输出被送入各送入各符合电路符合电路的相应输入端，的相应输入端，Stop信号则作为一个公共信号信号则作为一个公共信号送入各符合电路的另一输入端，送入各符合电路的另一输入端，与延迟线上传输的信号做与延迟线上传输的信号做符合符合，记录下当记录下当Stop信号到来时，时信号到来时，时钟信号在钟信号在“延迟线延迟线”上传输的位上传输的位置，

53、即延迟的时间量。置，即延迟的时间量。 该信息经译码电路给出时间数据该信息经译码电路给出时间数据的最低的的最低的3位数据，相当于将位数据，相当于将“粗粗”时间计数的时钟周期细分时间计数的时钟周期细分了了8个等分，实现了个等分，实现了0.5ns的时的时间分辨。间分辨。 几种几种“延迟线延迟线”技术技术 门电路组成的延迟电路门电路组成的延迟电路 锁相环（锁相环（Phase Locked Loop，简称为：，简称为：PLL）技术技术 延迟锁定环（延迟锁定环（Delay Locked Loop，简称为：，简称为：DLL）技术）技术 无源无源RC延迟线延迟线 返回门电路组成的延迟电路门电路组成的延迟电路

54、通常是由两个通常是由两个CMOS反向器反向器门电路构成一个延迟单元。门电路构成一个延迟单元。时间分辨则由一个延迟单元时间分辨则由一个延迟单元的延迟时间所决定。这种方的延迟时间所决定。这种方法电路简单，占用较少的资法电路简单，占用较少的资源，易于与其它电路部分集源，易于与其它电路部分集成为单片的成为单片的TDC集成芯片。集成芯片。缺点是门电路的延迟时间容缺点是门电路的延迟时间容易受到供电电压波动和温度易受到供电电压波动和温度变化的影响而产生变化，需变化的影响而产生变化，需要经常进行刻度。要经常进行刻度。返回锁相环技术锁相环技术 在时间内插电路应用中，门电路延迟线是作为在时间内插电路应用中，门电路

55、延迟线是作为VCO（Voltage Controlled Oscillator）的一部分放在环中，）的一部分放在环中，构成一个环形振荡器，振荡周期由门电路的延迟时间所决构成一个环形振荡器，振荡周期由门电路的延迟时间所决定。当供电电压变化或者是温度变化时，利用负反馈机制，定。当供电电压变化或者是温度变化时，利用负反馈机制，改变各门电路单元的供电电流，调整和稳定各门电路单元改变各门电路单元的供电电流，调整和稳定各门电路单元的延迟时间，稳定的延迟时间，稳定VCO的输出频率。因此消除了由于供的输出频率。因此消除了由于供电电压变化和温度变化带来的延迟时间变化。另外，这种电电压变化和温度变化带来的延迟时间

56、变化。另外，这种电路还具有易于集成，功耗小的优点。电路还具有易于集成，功耗小的优点。 返回延迟锁定环技术延迟锁定环技术 DLL技术与技术与PLL技术很类似，也是将门电路延迟线放在反技术很类似，也是将门电路延迟线放在反馈环中，通过相位检测，调整各门电路单元的供电电压，馈环中，通过相位检测，调整各门电路单元的供电电压，调整和稳定各门电路单元的延迟时间。在调整和稳定各门电路单元的延迟时间。在DLL电路中，输电路中，输入参考时钟直接与其通过门电路延迟线后的信号进行相位入参考时钟直接与其通过门电路延迟线后的信号进行相位检测。门电路延迟线并不形成闭环结构，检测。门电路延迟线并不形成闭环结构， 所以不存在所

57、以不存在VCO电路，而是形成一个所谓的电路，而是形成一个所谓的VCDL（Voltage Controlled Delay Line）电路。）电路。返回无源无源RC延迟线延迟线 DLL电路的每个延迟单元输出都同时送入各电路的每个延迟单元输出都同时送入各Hit寄存器的寄存器的相应相应D输入端，当一个物理事例信号产生时，输入端，当一个物理事例信号产生时，Hit信号经一信号经一个个RC延迟线，产生延迟线，产生M个不同相位延迟的信号将当前个不同相位延迟的信号将当前DLL的时钟沿状态记录下来。设的时钟沿状态记录下来。设RC延迟线的单元延迟时间等延迟线的单元延迟时间等于于tN/M，则所得到时间精度为：，则所

58、得到时间精度为：Tbin = TRef / N.M，其中，其中，N为为DLL的延迟单元个数，的延迟单元个数，M为为RC延迟线的延迟单元个数。延迟线的延迟单元个数。 返回基于时间邮戳（基于时间邮戳（Time Stamp）技术的）技术的TDC 传统的传统的TDC测量时间间隔采用所谓的测量时间间隔采用所谓的“Start-Stop”技术，即用技术，即用Start信号启动信号启动TDC计数，用计数，用Stop信号停止计数。信号停止计数。 把把Start和和Stop都作为一个击中（都作为一个击中（HIT），时间邮），时间邮戳（戳（Time Stamp，或称为时间标记）技术是通，或称为时间标记）技术是通过记

59、录每个过记录每个HIT发生的时刻，再由数据处理电路发生的时刻，再由数据处理电路（如（如DSP）计算得到）计算得到 HIT 之间的时间间隔，这已之间的时间间隔，这已成为比较通用的方法。成为比较通用的方法。 HIT发生的时刻的记录是采用发生的时刻的记录是采用“粗粗”计数和计数和“细细”时间测量相结合方法，时间测量相结合方法， “细细”时间测量采用时间测量采用“延延迟线迟线”时间内插和符合方法。时间内插和符合方法。基于时间邮戳（基于时间邮戳（Time Stamp）技术的）技术的TDC 欧洲粒子物理实验室推出的通用性极强的高集成欧洲粒子物理实验室推出的通用性极强的高集成度度TDC芯片芯片HPTDC基于

60、时间邮戳技术的基于时间邮戳技术的TDC，时，时间精度为间精度为25ps 。 ACAM公司的公司的GPX和和GP2是基于时间邮戳技术的是基于时间邮戳技术的TDC商业产品。时间精度也在几十商业产品。时间精度也在几十ps。返回基于时间放大技术的基于时间放大技术的TDC Wilkinson型型TDC 游标尺（游标尺（Vernier）计时器）计时器返回Wilkinson型型TDCWilkinson型型TDC是上世纪是上世纪50年代提出的，其基本思想是基于所谓的年代提出的，其基本思想是基于所谓的时间放大（时间放大（Time Stretch）原理，人们也常称其为双斜率型）原理，人们也常称其为双斜率型TDC。