时间信息的分析

1、时间信息的分析时间信息的分析 时间信息的分析时间信息的分析是核电子学的一种基本的和重要的技术。 核事件的许多信息是以时间信息的方式存在于核辐射探测器输出信号中。核激发态的寿命核激发态的寿命飞行时间法测速度飞行时间法测速度 2121xxyyxttytt延迟线阳极探测器延迟线阳极探测器的位置信息的位置信息 因此，为了研究上述这些核事件的性质，必须对探测器输出信号所携带的时间信息进行分析。 快响应性能，如有机闪烁体与快速光电倍增管；结型半导体探测器 等电流灵敏前置放大器 快放大器 快甄别器 定时道的基本组成定时道的基本组成 时间分析谱仪时间分析谱仪闪烁探测器II闪烁探测器I电压灵敏前放电压灵敏前放线

2、性脉冲放大器线性脉冲放大器定时单道分析器定时单道分析器时间幅度转换器恒比定时甄别器恒比定时甄别器纳秒延迟线慢符合电路多道脉冲分析器时间信息的甄别和分析时间信息的甄别和分析 定时或时间检出：定时或时间检出：准确确定粒子入射时间的技术 符合测量：符合测量：选择符合事件的技术 延迟器：延迟器：将微秒或纳秒的信号进行延迟的技术 时间分析器（时间信息变换）：时间分析器（时间信息变换）：处理时间信息并变换成数码或模拟信号的技术定时甄别器定时甄别器 定时甄别器：定时甄别器：即时间检出电路时间检出电路，是核电子学中检出时间信息的基本单元。 输入信号：输入信号：来自探测器或放大器的随机模拟脉冲 输出信号：输出信

3、号：前沿很快的逻辑脉冲 探测器输出信号的定时（a）（t-t0）信号（b）探测器输出电流脉冲（c）探测器输出电压脉冲（d）定时信号 由于探测器信号涨落和电子学噪声将会产生定时误差定时误差。 tttt(a)i(t)(b)v(t)(c)vo(t)(d)t0 Qt0t0 t0(t-t0)定时误差定时误差 时间游动：时间游动：由于输入信号幅度和波形的变化引起的定时误差。 时间晃动：时间晃动：由于探测器输出信号统计涨落及系统中噪声所引起的定时误差。 时间漂移：时间漂移：时间电路和探测器对温度、电源电压等敏感而容易老化的元件引起的定时误差。（可忽略）理想的定时甄别器给出的定时信号应与核事件发生时刻相对应，而

4、不应随探测器输出信号幅度等变化而变化。 定时方法定时方法 前沿触发定时（Leading Edge timing） 过零定时 恒比定时(Constant Fraction timing) 幅度和上升时间补偿定时（ARC定时，Amplitude and Rise time Compensated timing）前沿触发定时前沿触发定时 用探测器输出或放大器放大的脉冲信号的前沿，直接触发具有某一固定阈值的快甄别器快甄别器，并以输出脉冲作为定时信号输出。定时脉冲要晚于输入脉冲，即存在延迟存在延迟。+FD-vi(t) vo(t) VTVTvi(t) vo(t)前沿触发定时的定时误差前沿触发定时的定时误差

5、 达峰时间相同，由于幅度变化引起的时间游动 MINMAXMINMAXMTVVVVVtVt为了减小时间游动，信号的达峰时间信号的达峰时间tM要短要短（这决定于探测器时间特性），甄别阈要低甄别阈要低（受噪声限制），信号幅度差信号幅度差要小要小。后者可以辅以幅度选择来完成，但要牺牲计数效率。时间游动：时间游动：输入脉冲幅度引起的输入脉冲幅度引起的（不同能量）（不同能量） ta tb tc tVT c a bvi(t) 前沿触发定时的定时误差前沿触发定时的定时误差）（MMINMMAXTTttVVt同时考虑幅度变化和达峰时间变化，前沿定时的最大时间游动)(MAXMMINMINMMAXTTVtVtVt时间

6、游动：时间游动：输入脉冲波形的变化引起输入脉冲波形的变化引起（核辐射入射地点不同）（核辐射入射地点不同）信号幅度相同，达峰时间的变化引起的时间游动 ta tb tc tVT c a bvi(t) 前沿触发定时的定时误差前沿触发定时的定时误差时间晃动：时间晃动：噪声引起的。噪声引起的时间晃动与输入信号的斜率有关。如果斜率越大，则时间晃动越小。因此，为了减小噪声引起的时间晃动，应将阈电平选在斜率最大处。阈电平选在斜率最大处。 td1 td2 td3 tVT vi(t) td1 td2 td3 tVT vi(t) 前沿触发定时的定时误差前沿触发定时的定时误差如果时间检出电路能够消除由于幅度和波形变化

7、引起的时间游动，就可以消除由于幅度和波形统计涨落产生的时间晃动。但探测器输出信号产生时间相对于输入时刻的涨落引起的时间晃动还是不能消除的。时间晃动：时间晃动：探测器输出信号的产生时间、幅度和波形的涨落等时间晃动探测器输出信号的时间涨落引起的前沿触发定时的定时误差前沿触发定时的定时误差 存在由于输入脉冲幅度和波形变化引起的时间游动和噪声、统计涨落产生的时间晃动触发比触发比 探测器输出电流脉冲使时间电路触发时的输出电荷量QT与电流脉冲总电荷量Q之比 f=QT/Q。在探测器的输出电流信号被积分为电压信号时，对于前沿触发时间电路f=VT/V，其中VT为触发阈，V为信号幅度。 为了减小时间游动和时间晃动

8、，信号触发时间检出电路要有一个合适的触发比f： 为了减小为了减小信号幅度和上升时间变化引起的时间游动时间游动，f应尽量应尽量小小；但是为了保证时检电路不被噪声噪声乱触发，又要求阈电平VT不能太小不能太小。 为了减小为了减小噪声引起的时间晃动时间晃动，触发比应选在输入信号上升斜率最大处斜率最大处。前沿触发定时中的触发比前沿触发定时中的触发比对于一定的探测器，可能存在着一个最佳触发比，使探测器输出信号的时间涨落引起的时间晃动最小。因此对于一个实际的时检电路，常常在实验中需要调节触发比，以获得最好定时精度。采用塑料闪烁探测器测量单能电子时的定时误差 前沿触发定时的优缺点前沿触发定时的优缺点优点：电路

9、简单，噪声引起的时间晃动较小缺点：时间游动大，触发比f不能恒为最佳值 在保持小的定时误差的条件下，脉冲幅度的动态范围太小。动态范围为100：1时，定时误差约10ns。 需要消除信号幅度与波形变化引起的时间游动过零定时过零定时为了消除信号幅度变化幅度变化引起的时间游动而设计的。希望有触发比可调并恒为最佳值的时间检出电路。希望有触发比可调并恒为最佳值的时间检出电路。 无法消除信号波形变化波形变化引起的时间游动，且触发比恒为1。+DZ-vi(t) vo(t) vp(t)VTvi(t)VT vo(t)+DP-恒比定时恒比定时具有可调恒定触发比可调恒定触发比的定时方法，又称恒比甄别（Constant Fraction Discrimation）。 +DZ- td v+(t) vo(t) vd(t) vp(t)vi(t) v-(t) VT+DP-0Pt(m-1) T1 tK t t重点：起停式重点：起停式TAC；计数式；计数式TDC（基于时间内插技术）（基于时间内插技术） 时间-数码变换的新方法不断涌现，时间-数码的变换方法在不断发展中。时间分析谱仪时间分析谱仪闪烁探测器II闪烁探测器I前置放大器前置放大器线性脉冲放大器线性脉冲放大器定时单道分析器