第5-6章 谱仪放大器与多道脉冲分析系统

1、1核仪器概论2五、五、 谱仪放大器谱仪放大器 5.1 滤波和成形1、滤波和成形的必要性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 峰值衰减返回到基线的时间常数主要由CDRD决定。 下冲衰减再返回到基线的时间常数主要由前放输出脉冲的衰减时间常数决定。3前放输出信号经CRRC滤波成形后：a、保留了输入信号中的有用信息（即VOM与Q成正比）。 OMfQVe Cb、基本形状变窄了。(e2.7)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。4硅带电粒子探测器，约为0.51S。 锗和Si（Li）探测器，一般约为在620S。 这样长的时间常数对整个

2、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。可用于闪烁探测器，应被选择成至少为3倍 的闪烁体的衰减时间常数。5 下面分析，将CR-RC滤波成形用于硅或锗探测器的谱仪中时，成形时间常数如何选取？ 在硅和锗探测器中，由于探测器本身噪声很小，因此前放的电子学噪声对整个测量系统的能量分辨率有显著的影响。此时，需精心选择放大器的成形时间常数可将这种噪声最小化。下面说明在此情况下，成形时间常数的选取办法。622241()3amfkgCTdVdC2221412 () 2/bDgDffkTdVe IIdRRC ()DASfCCCCC(k：波尔兹曼常数。T

3、：绝对温度)2adV2bdVOVfRfCiCiiA主放H ()a2b27 下图中，细实线a、b和a十b分别表示前放输出（即主放输入）的a噪声、b噪声及两者之和。 经推导，后接CR-RC滤波器的频率响应H()为：2( )(1)jHj（如图中黑实线或虚线）8 分析上式：增大时，同样|H()|值对应的减少，即H()的频带变窄，曲线向低频方向压缩。此时，输出噪声中的a噪声将减小，b噪声将增大。而相反当减小时，H()的频带变宽，曲线向高频方向伸展，但形状和高度不变。此时，输出噪声中的a噪声将增加，b噪声将减小。因而滤波器的时间常数可能有最佳值opt。在opt时，总噪声可取得最小值。opt被称作为“最佳时

4、间常数”。 9 对于硅带电粒子探测器，噪声转角时间通常在0.51S范围内。 对锗和Si（Li）探测器一般在620S范围内。 理论推导可知：在CRRC滤波成形电路中，当选择 a/b 时，总噪声可取得最小值。 因此，CRRC滤波成形电路的最佳时间常数opt a/b c，c被称作为“噪声转角时间”。10极零相消 前面讲述的简单的CRRC电路中，被放大的脉冲信号有一个显著的下冲。这是因为在前放输出脉冲上有一个很长的指数衰减引起的。 当用在高计数率情况时，放大器输出脉冲的相当一部分会落在前面脉冲的下冲上。显然，这将使后面被测脉冲的峰的绝对值降低。最终会导致被测能谱的峰变宽，能量分辨率下降。因此，大部分的

5、谱仪放大器配有一个极零相消电路，以消除下冲。11 图中左侧为前放输出信号。 图（a）中微分电路的输出脉冲存在着不希望有的下冲。下冲幅度大小可由下面公式给出：下冲幅度脉冲幅度 微分时间常数前放输出脉冲的衰减时间常数“极零相消”工作原理：12 在图（b）中，与CD并联一可变电阻RPZ，调节RPZ即可消除下冲。结果可得到一个简单的指数衰减到基线，并具有理想的时间常数的输出脉冲。 这个电路被称为“极零相消网络”（因为当用数学表达式严格推导电路的输入输出关系时，其中必定包括零点与极点的相消过程）。 加入极零相消的好处是：在高计数率的情况下，可改变被测能谱的峰的形状，从而改善整个系统的能量分辨率。13 左

6、图(a)、(b)为极零相消没调好时，放大器的输出脉冲存在有明显的下冲，并且谱的分辨率变坏。 (c)、(d)为极零相消调好后，放大器的输出脉冲形状，并且谱的分辨率大大好于（b）。(a)(c)极零相消功能对能谱测量的影响14（2）半高斯脉冲成形 电路原理图如下： 15 为得到更好的信噪比性能及更好的波形形状，实际使用的滤波成形电路往往比上述的CR-RC电路要复杂的多。半高斯脉冲成形即为常用的一种。它用一个复杂的有源积分网络代替简单的RC积分，如上图所示。 上图的输出脉冲形状如右图，大概近似为高斯曲线的形状。因此这种滤波放大器被称为“半高斯成形放大器”。单极性输出16与CRRC滤波器相比，半高斯脉冲

7、成形的优点是：a、信噪比性能被提高了 脉冲成形放大器的信噪比性能被改善约17%19%。这一点对于半导体探测器是非常重要的。因为半导体探测器本身具有很高的能量分辨特性，因此对滤波成形部分的要求也更高。 半高斯成形能使输出脉冲宽度与CRRC滤波器相比减少22%52%，这相当于每个脉冲被放大时占用的死时间大大减少。因此整个谱仪可输入信号的计数率性能会得到很大改善。b、在脉冲幅度的0.1%处的宽度减小了。17（3）双极性成形 当系统级间存在隔直流电路时，计数率较高的单极性随机信号通过后将产生明显的基线偏移和涨落。而双极性信号，通过后可以不产生、或产生比单极性信号要小得多的基线偏移和涨落。所以在高计数率

8、下，有时把信号成形为双极性的。 上图中在CR-RC成形电路之后再接入第二级微分即可得到双极性输出脉冲。1819 这种成形办法，可减小由于计数率变化带来的基线偏移。因此提高谱仪的能量分辨率特性。双微分相对于单CR微分来说，其缺点是有较长的脉冲宽度，并且信噪比较差。右图为半高斯脉冲成形的双极性输出脉冲。205.2 基线恢复器 对交流耦合电路，输入信号的频率变化，会引起输出信号的基线发生偏移。这将会引起谱仪放大器能量分辨率变坏。因此，高性能的谱仪放大器完全都是直流耦合。但由此可能导致，放大器前面各级的直流偏移被放大器放大，而使其输出一个大的不稳定的直流偏移。 因此需要基线恢复器以消除这种直流偏移，以

9、确保放大器输出脉冲基线得以恢复。21 下图为“门控基线恢复器”的原理图。控制电路使S1开关在信号间隔时间闭合，在信号持续时间内打开。S1闭合时，由于CBLRRBLR微分功能的作用，CBLR上的电压基本上等于基线电平uB。信号到来时，S1断开时，CBLR上的电压不变，输出信号等于输入信号与uB的差值，基线得以恢复。22 上图是在一个高性能的基线恢复器上得到的测试结果，在一个非常宽的计数率范围内峰偏移和分辨率展宽都是可忽略的。235.3 堆积判弃 如果两个射线间隔时间在谱仪放大器输出脉冲的宽度之内到达探测器，它们各自被放大的脉冲将被堆积到一起，而产生一个幅度失真的输出脉冲如右图（a）。 此时可采用

10、堆积判弃的办法，放弃对这些被堆积的输出脉冲进行分析。24 办法如下：用一个快脉冲成形放大器与慢谱仪放大器并联。快放大器的输出信号如上图（b）。再用一快甄别器将此模拟脉冲转换成数字脉冲，如上图（c）。快甄别器输出的下降沿触发一个“检查间隔电路”，此电路输出脉冲宽度T1NS与慢放大器输出脉冲的宽度TW相等，如上图（d） 。如果在“检查间隔”期间，探测器又测到第二个信号，则此时肯定发生了脉冲堆积。利用快甄别器输出的第二个脉冲再触发一个“抑制脉冲发生电路”，产生一个抑制脉冲T1NHS，如上图（e）。这个抑制脉冲被送入后续的谱仪ADC或多道分析器，以阻止堆积事件被分析与记录。最终实现“堆积判弃”功能。2

11、5 下图给出用锗探测器测60CO源（计数率为5万/秒时），有堆积判弃功能与无堆积判弃功能时，测出的两个能谱图。从图中可见，无堆积判弃时，由于信号堆积，大幅度信号的计数大大增加，最终使得能谱图发生畸变。能量（Kev） 计数无堆积判弃 有堆积判弃265.4 数字信号处理系统（DSP）（Digital Signal Processor) 性能优越的能谱测量数字信号处理系统（DSP）是近年来在谱仪制造方面发展起来的新技术。ORTEC、DSPEC的框图如下：27基本原理为： 前放输出的模拟信号直接用一个闪电ADC对其进行快速采样并将其转换成数字量。采样频率要选择合适，以便使数字量代表的脉冲外轮廓具有合理

12、的精度。然后将这数字量进行一系列的数字信号处理。其中包括低通、高通滤波、自动极零调整、基线恢复、增益细调、数字化稳谱等。前面讲述的线性脉冲成形放大器中的各种用模拟信号处理方法实现的功能，如今大部分都能借助于数字信号处理的办法来实现。 以上所有对信号的数字处理过程不是利用软件通过计算机完成，因这样做速度太慢。而是在被称为DSP（数字信号处理）的硬件电路中来实现。28分辨率特性、计数率特性、温度稳定性等可以做 得比模拟系统要好。计算机可对DSP多道分析器进行100的控制。当用户选用不同探测器或改变测试条件时，可自动选择成形滤波器有关参数以获得最佳的能量分辨率。等。数字化谱仪与传统谱仪相比有着优越的

13、性能：如：295.5 谱仪放大器的实例ORTEC 672谱仪放大器 672是高性能的谱仪放大器，非常适用于锗、 Si(Li)、硅带电粒子探测器，也可用于闪烁探测器和正比计数管。30672的前、后面板图31 5.6 简述谱仪放大器的主要性能及技术指标 （为对这些指标有定量的了解，下面在讲述指标物理概念的 同时，以 ORTEC 672为例，给出了672指标的具体数据） 增益：即电压放大倍数。 672：增益范围从2.51500连续可调。 噪声：谱仪放大器是一种电压放大器，其噪声指标 用折合到输入端的等效噪声电压表示。设谱 仪放大器的增益为A，在输入端不接前放时测 得输出噪声电压有效值为Vno，则等效

14、输入噪 声电压有效值为： 672：增益100时，等效输入噪声电压有效值 5.0 V 。VniVno A32线性：一般给出的是积分非线性。 672：当输出信号（单极性）从0 到 +10 V范围内， 积分非线性0.025%。计数率特性:包括计数率变化引起的峰展宽及峰偏移。 672：计数率达到100KHZ时，FWHM 展宽 8 %。峰 偏移0.018%。 计数率达到200KHZ时，FWHM 展宽 15 %。峰 偏移0.05%。过载特性：从过载脉冲输入（要规定过载脉冲幅度为最大线性输入幅度的多少倍）起到大信号增益恢复正常（即信号输出幅度达到额定动态范围）的时间为放大器的过载恢复时间。过载恢复时间经常用

15、过载情况下的输出信号的宽度是不过载时输出信号宽度的多少倍来表示。 33 672：当过载脉冲幅度为最大线性输入幅度的1000 倍时，过载恢复时间是不过载时输出信号宽 度的2.5倍。增益的稳定性：包括电网电压变化对增益的影 响、温度系数及长期稳定性。34六、多道脉冲分析系统六、多道脉冲分析系统 简称多道。 多道的功能是：接收来自主放的、其幅度值代表着被测射线粒子能量的脉冲信号，并测量出信号幅度的概率分布即幅度谱。经能量刻度后，幅度谱可转换成被测信号的能量谱。356.1 幅度谱的形成过程将被分析信号的幅度范围分成若干相等的小的幅度间隔（称为道宽）。将输入信号按幅度进行分类。并转换成与之成正比的数字量

16、。按数字量的值确定存储地址，将该地址内容加1（寻址加1）。a、b、c、36系统的框图： 该系统由MCB及PC机构成。这种结构的好处是可通过接入最好的计算机与最新的软件将整个系统不断的更新，而MCB的硬件电路部分却不必经常改变，甚至可连续使用多年。ADC数据存储器微处理器程序存储器多道缓冲器其它的多道缓冲器输入信号 6.2 多道的构成，包括硬件及软件两大部分：37硬件：硬件：计算机： 完成谱的显示、数据处理、系统控制等功能。软件：软件： 系统的显示、数据的处理及控制功能可通过 在计算机上运行其专用的仿真软件完成。多道缓冲器（MCB）：multichannel buffer (MCB).谱仪ADC：将主放输出的脉冲信号转换为数字量。数据存储器：对转换成的数字量进行存储。 微处理器：接口电路： MCB通过接口电路与计算机相连。386.3 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。39作作 业：业：回答：第四章习题第四章习题 第 2、7、11、12 题 2、谱仪放大器中为什么