时间分析课件

第五章时间分析§1概述

§2定时方法§3符合§4时间量变换方法§5脉冲波形甄别第五章时间分析§1概述1核激发态寿命测量；正电子湮没寿命测量；正电子发射断层扫描；高能粒子径迹探测；粒子鉴别；符合技术与反符合技术；中子飞行时间望远镜测量法；§1.概 述核激发态寿命测量；§1.概 述2一、时间信息分析所要解决的基本问题二、时间信号的检出一、时间信息分析所要解决的基本问题3一、时间信息分析所要解决的基本问题1、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

2、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一、时间信息分析所要解决的基本问题1、时间间隔甄别4时间间隔甄别应用实例时间间隔甄别应用实例5电子正电子对撞实验中，产生μ+和μ-的事例探测器D1和探测器D2相距有几十米以上，对称排布，用来测定子。因为+和-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，飞行速度近似相同，从对撞点飞出，应几乎同时分别击中D1和D2。随着击中D1和D2位置不同信号S1和S2产生时刻发生差别，如果最大时差值为5ns，那么S1和S2时间间隔小于5ns的事例应该是+和-事例的的一个“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，D1和D2是先后被击中，S1和S2的时间间隔将会大于5ns，不满足此“候选”条件，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。电子正电子对撞实验中，产生μ+和μ-的事例探测器D1和探测器6时间间隔甄别器的基本功能N个信号加入它的输入端为u1,u2….ui….uN-1,uN，它们分别在ti（i=1,2…N）时刻到达甄别器的输入端，其中任意一对信号间的时间差都满足：

-1

<ti－tj<2(1,2>0）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，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。二个输入信号到达的时间分别为t1和t2

，若满足-1<t1－t2<2(1,2>0）在输出端产生逻辑信号输出，否则将不产生输出。1＋2为其分辨时间。选择1=2

=

，则分辨时间为2（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，1＋2为其分辨时间。（也就是时间间隔阈值）。时间间隔甄别器的基本功能N个信号加入它的输入端为u1,u27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e+e-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。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8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－数字转换器（TDC,TimetoDigitConversion

）。输出端的数码值为

其中T0为LSB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，它的功能与多道幅度分析器中数据获取系统相同。

探测器定时电路时间-数字变换启动停止输出时间信息参考时间信号放大器定时道的组成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9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：核事件产生粒子（t1时刻)→探测器被击中（t2时刻）→探测器信号输出（t3时刻出现信号）→电子学电路信号处理（前放（t4时刻）放大、成形（t5时刻））→时检电路检出信号（t6时刻）送到时间信号分析电路或符合电路输入端（t6时刻出现信号）。

时间信号的检出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10ttttttt1t2t6t5t4t3t1：核事件发生t2：粒子进入探测器t3：产生的电流脉冲t4：前置放大器输出的电压脉冲t5：主放大器输出的电压脉冲t6：定时甄别器输出的脉冲ttttttt1t2t6t5t4t3t1：核事件发生11在讨论时间信号检出时，从探测器输出的电流信号有以下几点需要考虑：延迟。t3在t2之后一定时间之后出现展宽。实际的电流信号不是一个信号涨落。(t3-t2)是一个随机量，而且信号形状也会随机变化。定时电路的功能是使的涨落尽可能小，或者说的晃动很小。

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下几点需要考12§2定时方法一、产生时间晃动的几个主要因素二、时间晃动大小的度量三、前沿定时甄别器-固定阈值甄别器四、恒比定时甄别器（CFD）五、幅度和上升时间补偿定时（ARC）

§2定时方法一、产生时间晃动的几个主要因素13一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动主要有以下几个因素：1、探测器的固有晃动。2、噪声引起时检电路输出的时间晃动。3、幅度时间游动效应。4、上升时间游动效应。5、超阈延迟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。着重分析幅度和上升时间游动效应产生的时间晃动及其解决办法。一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14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，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。例：闪烁体和光电倍加管（PMT）组成的闪烁计数器，由于粒子击中的位置不同使光传输到PMT的时间不同，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间晃动。探测器的固有晃动不同的探测元件电流信号输出的时15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的时间晃动。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162vnoVT2σT1tTt2vnovVT2σT2tTt噪声叠加于信号的影响噪声叠加于阈值的影响2vnoVT2σT1tTt2vnovVT2σT2tTt噪声叠17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产生差异，探测器输出信号幅度的随机变化造成了时间上晃动，称为幅度时间游动效应。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产生差异18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时间上差异，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动。这称为上升时间游动效应。

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19超阈延迟任何触发器都存在超阈延迟。VTVTtL1tL2ΔVvi(t)ΔtD超阈延迟任何触发器都存在超阈延迟。VTVTtL1tL2ΔVv20二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td=（t0’-t0）是随机量，它服从一定的分布规律，td的概率密度函数为Pd（td），可以得到各级矩：由此推知td的随机变化情况，来度量的晃动大小。一般可以假设td服从高斯分布，和

是关键参量作为时间晃动的度量

二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21二个信号时间间隔及其晃动量

时间晃动大小的度量22二个信号时间间隔及其晃动量时间晃动大小的度量22时间晃动大小的度量时间晃动实验测量在实验上可以用同一瞬间产生两个粒子的放射源（60Co源，几乎是同时发射两个粒子[1和2

]）；测量计数随τ（即时间间隔）值变化曲线，图中求得和半高全宽时间FWHMtd,时间晃动为时间晃动大小的度量时间晃动实验测量23三前沿定时甄别器-固定阈值甄别器1、前沿定时特性分析2、基本电路结构触发电路VT输入信号输出信号vivovitVTvottL三前沿定时甄别器-固定阈值甄别器1、前沿定时特性分析触发电24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：

输出信号对输入信号的时间延迟可以表示为：

其中ti为输入信号从出现到上升为VT所需时间，t为渡越时间，也就是超阈延迟时间，假定在快甄别器情况下，t很小，暂不加以考虑。在Vi由Vi1变为Vi2时，则输出信号对输入信号的时间延迟差td=(t2-t1)应为：Vo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25Δtd随Vi变化而发生变化称为幅度时间游动效应。显而可见VT和tm越小，Δtd变化量就越小，幅度时间游动效应就越小。当Vimax>>Vimin,VT=Vimin时：Vo若输入信号最大幅度为Vimax，最小幅度为Vimin

则因幅度变化引起的前沿定时误差为：Δtd随Vi变化而发生变化称为幅度时间游动效应。显而可见V26

若达峰时间tm发生变化（也就是上升时间发生变化），延迟时间的变化为：这称为上升时间游动效应。

前沿定时特性分析（二）若达峰时间tm发生变化（也就是上升时间发生变化），延迟时27同时考虑输入信号的幅度变化和上升时间变化，则前沿定时的时间移动为：同时考虑输入信号的幅度变化和上升时间变化，则前沿定时的时间移28前沿定时特性分析（三）VTVTtL1tL2ΔVvi(t)ΔtD超阈延迟：超阈延迟：触发器输入阻抗：Zi附加电荷：QVMtM前沿定时特性分析（三）VTVTtL1tL2ΔVvi(t)Δt29VTt2vnoVT2σT1tTt2vnov2σT2tT噪声叠加于信号的影响噪声叠加于阈值的影响噪声引起的总定时标准偏差为：VTt2vnoVT2σT1tTt2vnov2σT2tT噪声叠30触发比和噪声斜率比一般地，兼顾噪声斜率及噪声的误触发，选用：噪声斜率比触发比和噪声斜率比一般地，兼顾噪声斜率及噪声的误触发，选用：31定时甄别器实例慢前沿定时甄别器：由集成电压比较器组成交流耦合施密特甄别电路。性能：当输入信号的幅度从1.0V变化到10V时，输出信号vo(t)的时移小于输入信号上升时间的20%当输入信号上升时间为1us，输出信号vo(t)的时移小于0.2us快前沿定时甄别器：由三个快速差分放大级，加正反馈组成甄别器。性能：当输入信号的幅度从0.1V变化到5V时，输入信号上升时间为2ns,输出信号的时移小于0.5ns定时甄别器实例慢前沿定时甄别器：由集成电压比较器组成交流耦合32基本电路结构高速运算放大器（例如THS3201、OPA847等）构成的施密特甄别器；

高速比较器（例如AD96687）构成的截止式放大器型甄别器；

双阈甄别电路。基本电路结构高速运算放大器（例如THS3201、OPA84733高速比较器AD96687构成的甄别器高速比较器AD96687构成的甄别器34双阈甄别电路由于幅度效应，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甄别器需要有稳定的阈电压。阈电压的产生程控设置的DAC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DAC提供的输出电压采取了衰减和有源滤波等有效措施。双阈甄别电路由于幅度效应，前沿定时会有较大的定时误差。降低甄35过零定时为了克服前沿定时在输入信号幅度变化时引起时间移动太大的缺点。提出过零定时的基本思路：VoA：信号的幅度f(t)信号的形状函数过阈时间tT:若要求过阈时间tT为常数：f(t)为阶跃函数f(t)为任意函数过零定时为了克服前沿定时在输入信号幅度变化时引起时间移动太大36过零定时(CR)2–(RC)m

成形过零点：(DL)2

成形过零点：过零定时(CR)2–(RC)m成形过零点：(DL)237过零定时电路过零定时电路38预置甄别器VT过零甄别器Vi(t)V1(t)V2(t)V3(t)Vo(t)ttttttZtZtZ过零定时电路优点：能消除输入信号幅度变化的时间移动。缺点：不能消除输入信号上升时间变化的时间移动。预置甄别器Vi(t)V1(t)V2(t)V3(t)Vo(t)39四恒比定时甄别器（CFD）恒比定时的基本思路恒比定时甄别原理恒比定时甄别器实现四恒比定时甄别器（CFD）恒比定时的基本思路40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小。这一比值就是触发比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。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41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幅度之比为一恒值。过零甄别器起到在双极性信号的过零时刻检出信号的作用。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42用ui(t)来近似描述输入信号:

经过衰减倒相后信号（其中P为衰减因子）：

经延迟后的信号

恒比定时甄别原理用ui(t)来近似描述输入信号:经过衰减倒相后信号（其中43经过相加电路之后是一个双极性信号：

从负极性变到正极性的过零时刻：由此可知(1)过零点与信号幅度无关(2)在tz时刻，对于任何幅度都一样。因此tz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恒比定时甄别原理经过相加电路之后是一个双极性信号：从负极性变到正极性的过零44恒比定时甄别器实现门控型恒比定时甄别器双阈甄别门控型恒比定时甄别器双极性信号成形方法恒比定时甄别器实现门控型恒比定时甄别器45门控型恒比定时甄别器门控型恒比定时甄别器46第五章时间分析课件47双阈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tm，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，提出一种改进方案，即双阈甄别门控型恒比定时甄别器，它是在门控型恒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DP阈值要大。在小信号时（即输入信号幅度略大于VTP）不能触发DT，因而最后不产生输出。只有输入信号幅度大于VTT才能触发

DT，产生最后输出，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。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。为此在门Y1输出处加上一延迟线作适当延迟，以保证输出信号前沿在DT输出信号之后。双阈甄别门控型恒比定时甄别器成形电路采用恒比成48双极性信号成形方法短路延迟线成形tdtztttoootm双极性信号成形方法短路延迟线成形tdtztttoootm492、RC成形

输入信号Vi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Vc是Vi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：

Vr(t)=Vi(t)-Vc(t)=R

i(t)=RCdVc(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，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功能。2、RC成形50恒比定时甄别器实例恒比定时甄别器实例51五、幅度和上升时间补偿定时（ARC）提出的基本思路：恒比定时：VT=PVi=PA消除幅度A变化对定时的影响，但没有消除上升时间变化对定时的影响。为了消除上升时间变化对定时的影响，阈值VT不仅要随幅度A变化，而且要随上升时间而变化。阈值VT可以取

定时时间tA五、幅度和上升时间补偿定时（ARC）提出的基本思路：恒比定时52恒比成形过零甄别预置甄别与门衰减P输入vi延迟

tdv1v2v3v4输出vo++--VTVT恒比定时viv1v2v12v4v3vottttttttMtdtZtZVTviv1v2v12v4v3vottttttttM1tdtAtZARC定时tM2恒比定时ARC定时恒比成形预置甄别与门衰减P输入vi延迟tdv1v2v3v53第五章时间分析课件54第五章时间分析课件55六、最佳定时滤波器与定时滤波放大器最佳定时滤波器：斜率噪声比达到最大值的定时滤波器。斜率噪声比：最大噪声引起的定时标准偏差为：最小定时电路定时滤波器定时电路六、最佳定时滤波器与定时滤波放大器最佳定时滤波器：斜率噪声比56定时滤波器定时电路噪声引起的定时标准偏差为：定时滤波器定时电路噪声引起的定时标准偏差为：57第五章时间分析课件58斜率噪声比：最佳定时滤波成形电路的频率响应为：斜率噪声比：最佳定时滤波成形电路的频率响应为：59最佳定时滤波成形电路的频率响应为：输入为白噪声，输入噪声功率谱密度为常数最佳定时滤波成形电路的冲击响应为最佳定时滤波成形电路的频率响应为：输入为白噪声，输入噪声功率60定时单道脉冲幅度分析器：具有定时和单道双重功能定时单道脉冲幅度分析器：具有定时和单道双重功能61第五章时间分析课件62§3、符合电路一、符合方法二、符合电路基本结构三、符合曲线四、快-慢符合五、符合电路实例§3、符合电路一、符合方法63一、符合方法符合是指两个或两个以上的物理事件在时间上相互重合；理想符合：指的是两个时间同时发生，时间间隔为零；实际符合：在一个时间段内发生，有一定的时间间隔；符合方法方框图探测器1前置放大器定时滤波放大器定时电路固定延迟符合单元计数器探测器2前置放大器定时滤波放大器定时电路固定延迟一、符合方法符合是指两个或两个以上的物理事件在时间上相互重合64两重符合：多重符合：符合水平：ABOUT000010100111ABOUT真值表：两重符合：ABOUT000010100111ABOUT真值表65反符合ABOUT000010101110真值表：ABOUT反符合ABOUT000010101110真值表：ABOUT66第五章时间分析课件67符合电路分辨时间：=2tw2323VT理想电子学符合实际电子学符合tWtW符合电路分辨时间：=2tw2323VT理想电子学符合实68二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，使其输出信号前沿晃动很小，以宽度分别为Tw1

和Tw2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，此信号再经过甄别成形之后输出。

设二个输入信号到达时间分别为t1和t2，只有满足

符合门才有输出，其分辨时间应为：

二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69符合电路基本结构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。(2)符合门和甄别成形电路的渡越时间为零。

符合电路基本结构以上讨论是在理想条件下得到的，即70三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，常利用同一瞬间产生两个粒子的放射源、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。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。电子学瞬时符合曲线物理瞬时符合曲线三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71电子学瞬时符合曲线用一个信号源代替放射源和探测器作为二路符合的输入，测得瞬时符合曲线仅反映电路本身的特性，称为电子学瞬时符合曲线。调节相对延迟量，符合电路输出信号送入到一个计数器去，测得计数率，可以求得相对计数率与延迟量的关系曲线，此曲线即为电子学瞬时符合曲线，也就是符合电路产生输出的概率函数。

电子学瞬时符合曲线用一个信号源代替放射源和探测器作为二路符合72电子学瞬时符合曲线在理想条件下为曲线1如果考虑到：(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。(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，而且形状上偏离了矩形，为曲线2。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FWHM，从图中曲线2可以求得电子学分辨时间：电子学瞬时符合曲线在理想条件下为曲线173物理瞬时符合曲线用瞬时符合放射源和探测器系统替代信号源作为符合电路信号输入，测得的相对计数率与延迟量的关系曲线为物理瞬时符合曲线，此曲线包括了探测器和定时系统的时间晃动及偶然符合等因素。物理瞬时符合曲线用瞬时符合放射源和探测器系统替代信号源作为符74物理瞬时符合曲线真符合事件测得的物理瞬时符合曲线应为输入到符合电路二信号时差的概率密度函数与电子学瞬时符合函数的卷积

E与值相近时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

E为电子学分辨时间

物理曲线形状与电子学曲线相似

曲线高度下降，形状变窄，平顶部分消失，这是由于真符合计数被丢失了为时差涨落的方差

物理瞬时符合曲线真符合事件测得的物理瞬时符合曲线应为输入到符75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相对延迟时间无关。偶然符合计数为：随着E增加，W(td)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E，高度为1的矩形函数

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76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统计涨落，当E选得较小时真符合事件可能漏记，造成真符合计数损失。E越小，损失越多。E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。E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。分辨时间E的选择要综合加以考虑。从时间分辨和减小偶然符合角度来看，E取小些为好；从真符合计数损失来看，E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定时系统的时间涨落大小。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统计77511keV511keVe+e-正电子发射断层显像PositronEmissionTomography511keV511keVe+e-正电子发射断层显像Pos78

发射型断层成像。所谓发射型成像就是把放射源放在病人身体的内部，放射线从病人身体内部射出，最后被探测器接收。具有短半衰期的放射性的原子可以由回旋加速器或核反应堆生产出来。这些放射性元素再用来制造放射性药物。通常放射性药物是通过手臂静脉血管注射而进入体内的。放射性药物进入人体后会跟踪病理过程。放射性药物也可以通过病人的呼吸道或消化道进入人体。放射性药物实际上是个分子载体，它依附于特定的生理组织或病理过程。放射性物质在药物的带领下在人体内做有目的的分布。发射型断层成像的目的就是要得到一个放射性物质在人体内部的分布图。发射型断层成像。所谓发射型成像就是把放射源放在79有一些放射性元素，如O-15，C-11，N-13，和F-18，在放射性衰退时会释放出正电子(即带一个正电荷的电子)。正电子在自然界中生存的时间十分短暂，因为在自然界中正电子很快就会遇到一个(带负电的)电子。当正电子与电子发生作用时，它们的质量会湮灭(即完全消失)，它们的质量完全转换为能量而产生出两个能量为511keV的伽玛光子。这两个光子沿着相隔180º角的方向传播。有一些放射性元素，如O-15，C-11，N-13，和F-80ScintillationCrystalPMTPre-Amplifier+ElectronicsGammaphotonconvertstoopticalphotons(proportionaltogammaenergy)photonsarecollectedattheendofthecrystallightisconvertedtoanelectricalsignal&lifiedFront-endelectronicsconditionthesignalforfurtherprocessingGammaRayOpticalreflectorPET是先进的核医学三维成像技术,围绕着被测体四周的圆柱形位置灵敏探测器探测被测体发出的γ光子,使用时间符合、电子准直和能量甄别等技术从复杂噪声背景中筛选出有用事例,使用大量的有用事例数据可以重建放射性物质分布的三维图像。ScintillationPMTPre-AmplifierG81第五章时间分析课件82SET-3000G/XschematicdesignSET-3000G/Xschematicdesign83第五章时间分析课件84四快-慢符合时间上相关的事件本身还存在一些特点，例如粒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。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符合增加。为了解决这个矛盾，常采用快慢符合技术。四快-慢符合时间上相关的事件本身还存在一些特点，例如粒子85快-慢符合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，三重慢符合电路才产生输出。其中延迟线td是为了补偿单道分析器产生的时延。快-慢符合探测器信号经过时检电路后进入快符合86符合电路实例四路输入信号先经MC10E1651比较器甄别输出，然后用MC10EL01D进行“与”或者“或”逻辑，再通过单稳态芯片MC10198调节输出脉冲宽度，最后分别转换成快NIM和TTL输出。最小时间窗可达到2ns。符合电路实例四路输入信号先经MC10E1651比较器甄别输出87NIM在核仪器领域中NIM标准是一个公认的标准，由（EIA电子工业联合会）提出。NIM逻辑信号定义：快NIM逻辑信号标准为（负载为50Ω阻抗，负逻辑。适用于上升时间在ns量级，信号宽度小于1us的快信号。NIM在核仪器领域中NIM标准是一个公认的标准，由（EIA电88TTL电平

规定：输出高电平>2.4V,输出低电平<0.4V。在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平是0.2V。最小输入高电平和低电平：输入高电平>=2.0V，输入低电<=0.8V，噪声容限是0.4V。

TTL电平规定：输出高电平>2.4V,输出低电平<0.489实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入电平UI偏离规定值。为了保证电路可靠工作，应对干扰的幅度有一定限制，称为噪声容限。输入噪声容限

高电平噪声容限是指在保证输出低电平的前提下，允许叠加在输入高电平上的最大噪声电压(负向干扰)，用UNH表示：低电平噪声容限是指在保证输出高电平的前提下，允许叠加在输入低电平上的最大噪声电压(正向干扰)，用UNL表示：UNL=UIL,max－UILUNH=UIH－UIH,min实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入901输出0输出1输入0输入UOH,minUIH,minUNHUIL,maxUOL,maxUNL11uIuO输入低电平噪声容限：UNL=UIL,max－UOL,max输入高电平噪声容限：UNH=UOH,min－UIH,min74LS系列门电路前后级联时的输入噪声容限为：UNL=0.8V－0.5V=0.3VUNH=2.7V－2.0V=0.7V5V2.7V0.5V0V5V2V0.8V0V1输出0输出1输入0输入UOH,minUIH,minUNHU91射极耦合逻辑门电路(ECL)

ECL门的基本结构

由于TTL门中BJT工作在饱和状态，BJT存储电荷，电荷的存储和消散需要一定的时间,开关速度受到了限制。只有改变电路的工作方式，从饱和型变为非饱和型，才能从根本上提高速度。ECL门就是一种非饱和型高速数字集成电路，它的平均传输延迟时间可在2ns以下，是目前双极型电路中速度最快的。

T1、T2、T3组成发射极耦合电路。T3的基极接一个固定的参考电压VREF，输入信号接到T1、T2的基极。输出信号由T1、T2或T3的集电极取得。RC1RC3T2T3ReVREF-VEEC1C3VEIE射极耦合逻辑门电路(ECL)ECL门的基本结构

T1、T92IE=[VE-(-VEE)]/Re=(0.3V+12V)/1.2KΩ≈10mA1.当输入端A、B都接低电平0（设VA=VB=0.5V）时由于VREF=1V，因此T3优先导通，这就使发射极e的电位VE=VREF-VBE3=0.3V对于T1、T2来说，由于VE=0.3V,而VA=VB=0.5VRC1RC3T2T3ReVREF-VEEC1C3VEIE虽然基极电位比发射极电位高0.2V，但由于是硅管，仍可保证截止。这时流过Re的电流将全部由T3提供，且有VC3=VCC-IERc3=6V-10mA×0.1KΩ=5V

VC1=VCC=6V

由此可见，当输入为0时，T1、T2截止，输出端c1为高电平1（＋6V）；T3导通，输出端c3为低电平0(＋5V）。而且由于VB3=VREF=1V，而VC3=5V，所以T3处于放大状态而未达到饱和。

IE=[VE-(-VEE)]/Re=(0.3V+12V)/193RC1RC3T2T3ReVREF-VEEC1C3VEIE

2.当输入端A、B中有一个接高电平1（设A接高电平，VA=1.5V）时

由于VA＞VREF，所以T1优先导通，这就使VE=1.5V-0.7V=0.8V，对T3来说，这时基极电位比发射极电位仅高0.2V，可以保证T3截止。流过Re的电流由T1提供，且有IE=(0.8V+12V)/1.2KΩ=10.6mAVC1=VCC-IERc1=6V-10.6mA×0.1KΩ≈5VVC3=VCC=6V此时T1处于放大状态。由于T1和T2的发射极和集电极是分别连在一起的，所以只要A、B中有一个接高电平，都会使c1为低电平0（＋5V），而c3为高电平1（＋6V）。

c1=A+B或非输出c3=A+B或输出RC1RC3T2T3ReVREF-VEEC1C3VEIE

294由于集成电路特点，电路只用一种负电源-VEE=-5.2V，而VCC=0V。图中T1—T4组成多端输入，并与T5组成射极耦合电路。T6组成一个简单的电压跟随器，它为T5提供一个参考电压VREF。为了补偿温度漂移，在T6的基极回路接入了两个二极管。图中T7和T8组成电压跟随器，起电平移动作用，VC4和VC5通过电压跟随器后，使输出变为标准的ECL电平。其典型值是：高低电平的电压分别为-0.9V和-1.75V。同时由于有了这两个电压跟随器作为输出级，也有效地提高了ECL门的带负载能力。ECL门的电路实例由于集成电路特点，电路只用一种负电源-VEE=-5.2V，而95输出输出96第五章时间分析课件97快符合电路1、隧道二极管符合电路输入1输入2R1R2E输出WRR4T.D.适当选择隧道二极管单稳态的阈值，使它在两路输入电流信号相加时翻转，从而产生符合输出。当只有一路信号输入时，输入信号不够大，不能使隧道二极管翻转，电路没有输出。优点：电路动作速度快，分辨时间可达几纳秒。缺点：温度稳定性差。快符合电路1、隧道二极管符合电路输入1输入2R1R2E输出W98快符合电路1、相加型共基极符合电路静态时：输入1、输入2为零电平D1、D3导通，D2、D4截止。输入1输入2D2D1-10V输出甄别器VTD4D3-10V-10V+5VieVCT00三极管T导通ie=5mA当输入1有信号，电位降为-0.7V时：D1截止，D2导通。ie=10mA当输入1和2都有信号，电位分别降为-0.7V时：ie=15mAD1、D3截止，D2、D4导通。VT输入1输入2输出VCie00快符合电路1、相加型共基极符合电路静态时：输入1、输入2为零99快信号的传输与纳秒延时器信号传输电缆的参数：特性阻抗：50欧姆，75欧姆，100欧姆等单位长度电容：几十pF每米衰减系数：0.336dB/m耐压大小：0.5～5kV延迟电缆绝缘套管层网状屏蔽线绝缘介质中心导线单屏蔽电缆双屏蔽电缆快信号的传输与纳秒延时器信号传输电缆的参数：绝缘套管层网状屏100第五章时间分析课件101第五章时间分析课件102信号传输传输时间：传输速度：快脉冲：tr<t;慢脉冲：tr>t;信号反射0<Rt<ZL时，产生负反射;ZL<Rt<，产生正反射。聚乙烯绝缘介质传输速度：信号传输传输时间：传输速度：快脉冲：tr<t;信号反射聚乙103阻抗匹配串联匹配；并联匹配；单端匹配；双端匹配;始端匹配；终端匹配.阻抗匹配104始端匹配终端匹配始端匹配终端匹配匹配电缆阻抗ZL始端匹配终端匹配始端匹配终端匹配匹配电缆阻抗ZL105第五章时间分析课件106纳秒延时器采用电缆延时构成的延时器特性：延时范围:2.5ns到66ns可变延时精度:0.5ns到4ns：小于60ps;8ns至32ns:小于100ps.时间移动：1.4ns输入输出延迟：8～9ns信号衰减：小于10%特性阻抗：50纳秒延时器采用电缆延时构成的延时器特性：107§4.时间量变换方法时间分析时间－幅度变换（TAC）时间-数字变换器（TDC）基于幅度-时间修正的时间间隔测量§4.时间量变换方法时间分析108分析一个核态与另一个核态之间的时间关系，也就是测量核事件的时间间隔概率密度分布。符合方法测量时间间隔分布，类似于用单道测量能谱。多重符合电路型多道时间分析器。一时间分析

常用的有两类时间分析器二个信号加入到时间间隔编码电路即TDC，TDC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；二个信号输入到时间间隔幅度变换电路即TAC，TAC的输出幅度正比于信号间的时间间隔，然后送到ADC，进行幅度-数字变换，再送入数据获取与处理系统。分析一个核态与另一个核态之间的时间关系，也就是测量核事件的时109第五章时间分析课件110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。关键部分是TDC和TAC。时间分析器的构成时间分析器用来测量时间谱，即计数随时间间隔分111二、时间幅度变换器（TAC）TAC基本原理TAC实例二、时间幅度变换器（TAC）TAC基本原理112TAC基本原理时间-幅度变换是把两个信号之间的时间间隔长短转换成一个幅度与其间隔成正比的输出信号最方便的办法是在此间隔内对电容器进行恒流充电,静态时S1和S2闭合，C上电压为零，起始信号将S1断开，恒流源对C充电，C上电压线性上升，停止信号将S2断开，C上的电压正比于两个信号之间的时间间隔。电容器上保持住的电压为Vc=I·tx/C，tx为二个输入信号的时间间隔。TAC基本原理时间-幅度变换是把两个信号之间的时间间隔长短转113第五章时间分析课件114限幅放大双稳态电流开关起始电流开关真起始输出变换钳位缓冲放大线性门跟随器放大器变换输出起始信号限幅放大起始门门控输入限幅放大双稳态电流开关停止电流开关停止信号复位开关停止门超量程触发器读出时间开门选通输入电流源延时内外内外起停型时幅变换器电路方框图C限双电起始真起始输出变换钳位缓冲放大线跟随器放大器变换输出起115脉冲重叠型时幅变换混合器积分器V1(t)V2(t)V3(t)VC(t)T起始信号V1(t)停止信号V1(t)V3(t)VC(t)脉冲重叠型时幅变换混合器积分器V1(t)V2(t)V3(t)116第五章时间分析课件117三、时间－数字变换TDC起始停止计数器型TDC基于时间内插技术（TimeInterpolating）的TDC基于时间邮戳（TimeStamp）技术的TDC基于时间放大技术的TDC三、时间－数字变换TDC起始停止计数器型TDC118起始停止计数器型TDC待测的起始（start）和停止（stop）二个信号分别输入到触发器（FF）S和R二端，FF输出信号T的宽度应为二个输入信号的时间间隔,用来控制时钟门And，时钟振荡器的时钟脉冲加到时钟门输入端，因此通过时钟门的脉冲个数m将正比于信号T的宽度，即正比于二个输入信号的时间间隔tm=tstop-tstart

m=[(tstop-tstart)/T0]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，进行串行-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Gray码计数器。起始停止计数器型TDC待测的起始（start）和停止（sto119计数器十进制计数器同步十进制加法计数器分析：①驱动方程和输出方程计数器十进制计数器同步十进制加法计数器分析：①驱动方程和输120②状态方程②状态方程121③状态表000000010010001101000101011001111000100110101011110011011110111100011110000111100000000110101010101010101010101001100110001000100000000010101010③状态表00012274160－－同步十进制加法计数器3Q2QETCP0D1D2D3DC1Q0Q74160∧EPRDDL74160－－同步十进制加法计数器3Q2QETCP0D1D2123直接计数器型TDC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。时间精度（一个LSB代表的时间间隔量）受到时钟频率以及它的稳定性限制，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价。这种TDC的时间精度在ns量级。采用自激时钟振荡器会造成2T0的误差，采用它激时钟振荡器误差可以减小到1T0，但是在一般情况下，振荡器起振阶段，频率和幅度不稳定，也会带来误差。直接计数器型TDC的优点是电路简单，大尺度时间测量范围，且全124自然二进制码可以直接由数/模转换器转换成模拟信号，但在某些情况，例如从十进制的7转换为8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。而格雷码则没有这一缺点，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。自然二进制码可以直接由数/模转换器转换成模拟信号，但在某些情125基于时间内插技术（TimeInterpolating）的TDC要满足高时间精度和大尺度测量范围的TDC目前采用所谓的“粗”计数（CoarseCounting）和“细”时间测量（FineMeasurement）相结合的方法。这种方法中，“粗”计数一般由高性能的直接计数器型TDC。使用的参考时钟频率一般在数百MHz，达到几个ns的时间精度；而“细”时间测量的实现则依靠时间内插技术（TimeInterpolation），在一个时钟周期内进行时间内插，达到亚纳秒（100ps~10ps）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“粗”计数使用的参考时钟的周期细分为M个等分，并利用其将被测时间间隔与“粗”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M倍。一个直接的方法就是利用若干个等分的时间延迟单元，如M个抽头“延迟线”来实现时间内插。基于时间内插技术（TimeInterpolating）的T126基于时间内插技术（TimeInterpolating）的TDC受Start和Stop控制的250MHz频率的时钟信号对n位计数器计数，产生4ns时间分辨的“粗”计数。同时在时钟通道中插入一个8抽头“延迟线”，各抽头组成0.5ns的延迟单元，其输出被送入各符合电路的相应输入端，Stop信号则作为一个公共信号送入各符合电路的另一输入端，与延迟线上传输的信号做符合，记录下当Stop信号到来时，时钟信号在“延迟线”上传输的位置，即延迟的时间量。该信息经译码电路给出时间数据的最低的3位数据，相当于将“粗”时间计数的时钟周期细分了8个等分，实现了0.5ns的时间分辨。

基于时间内插技术（TimeInterpolating）的T127几种“延迟线”技术

门电路组成的延迟电路锁相环（PhaseLockedLoop，简称为：PLL）技术延迟锁定环（DelayLockedLoop，简称为：DLL）技术无源RC延迟线几种“延迟线”技术门电路组成的延迟电路128门电路组成的延迟电路通常是由两个CMOS反向器门电路构成一个延迟单元。时间分辨则由一个延迟单元的延迟时间所决定。这种方法电路简单，占用较少的资源，易于与其它电路部分集成为单片的TDC集成芯片。缺点是门电路的延迟时间容易受到供电电压波动和温度变化的影响而产生变化，需要经常进行刻度。门电路组成的延迟电路通常是由两个CMOS反向器门电路构成一个129CMOS门电路MOS管的开关特性输入低电平，NMOS管截止；输入高电平，NMOS管导通。输入低电平，PMOS管导通；输入高电平，PMOS管截止。CMOS门电路MOS管的开关特性输入低电平，NMOS管截止；130CMOS门电路CMOS非门CMOS门电路CMOS非门131CMOS门电路CMOS非门电压传输特性CMOS非门电流传输特性CMOS反相器的传输特性接近理想开关特性，因而其噪声容限大，抗干扰能力强。CMOS门电路CMOS非门电压传输特性CMOS非门电流传输特132锁相环技术在时间内插电路应用中，门电路延迟线是作为VCO（VoltageControlledOscillator）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的延迟时间，稳定VCO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，这种电路还具有易于集成，功耗小的优点。

锁相环技术在时间内插电路应用中，门电路延迟线是作为VCO（V133延迟锁定环技术

DLL技术与PLL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，调整和稳定各门电路单元的延迟时间。在DLL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检测。门电路延迟线并不形成闭环结构，所以不存在VCO电路，而是形成一个所谓的VCDL（VoltageControlledDelayLine）电路。延迟锁定环技术DLL技术与PLL技术很类似，也是将门电路延134无源RC延迟线DLL电路的每个延迟单元输出都同时送入各Hit寄存器的相应D输入端，当一个物理事例信号产生时，Hit信号经一个RC延迟线，产生M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RC延迟线的单元延迟时间等于tN/M，则所得到时间精度为：Tbin=TRef/N.M，其中，N为DLL的延迟单元个数，M为RC延迟线的延迟单元个数。无源RC延迟线DLL电路的每个延迟单元输出都同时送入各Hit135基于时间邮戳（TimeStamp）技术的TDC传统的TDC测量时间间隔采用所谓的“Start-Stop”技术，即用Start信号启动TDC计数，用Stop信号停止计数。把Start和Stop都作为一个击中（HIT），时间邮戳（TimeStamp，或称为时间标记）技术是通过记录每个HIT发生的时刻，再由数据处理电路（如DSP）计算得到HIT之间的时间间隔，这已成为比较通用的方法。HIT发生的时刻的记录是采用“粗”计数和“细”时间测量相结合方法，“细”时间测量采用“延迟线”时间内插和符合方法。基于时间邮戳（TimeStamp）技术的TDC传统的TDC136基于时间邮戳（TimeStamp）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度TDC芯片HPTDC基于时间邮戳技术的TDC，时间精度为~25ps。德国ACAM公司的GPX和GP2是基于时间邮戳技术的TDC商业产品。时间精度也在几十ps。基于时间邮戳（TimeStamp）技术的TDC欧洲粒子物理137第五章时间分析课件138时间数字转换芯片TDC-GPX提供最高10ps精度时间间隔测量，在德国acam公司引入了TDC-GPX芯片之后将时间数字转换芯器TDC带入了一个新的纪元。德国acam公司为高精度时间数字转换集成芯片制造专家，引入了革命性的测量新技术。TDC-GPX这个芯片以最低10ps(10×10-12秒)的精度和40微秒的测量范围，成为医学上呈像扫描，导航系统，导弹防御系统，测距仪，速度测量，频率相位测量仪器等等应用中一个强有力的测量工具。当芯片工作在M-模式下，GPX的10ps精度将1500m的距离测量量化到了±1mm距离精度,峰峰值为70ps(±5mm).GPX的最高脉冲频率182Mhz是这款芯片成为需要高采样频率和高时间分辨率的3维激光扫描的理想选择。四种不同的可选模式使TDC-GPX有非常广泛的测量应用。在I-模式下，GPX芯片提供了8个LVTTL输入通道，测量精度可达81ps,无限的测量范围，5.5ns的输入脉冲最小间隔。

G-,R-和M-模式全部提供了两个LVTTL或者两个LVPECL输入通道.在G-模式下,精度为40ps,测量范围为65us,可测脉冲间的最低时间间隔为1.5ns.在R模式下,测量精度达到27ps,测量范围为40us脉冲对精度为5.5ns.在M-模式下,精度可达到10psrms峰峰值精度为70ps测量范围为10us。GPX的典型功耗从39到45mA,使其非常适合电池驱动仪器。为了协助产品开发和开始高精度时间间隔的测量，ATMD-GPX测量评估系统可以使设计工程师们通过电脑对GPX芯片的强大性能进行测量和评估。ATMD-GPX的硬件设备可以连接到个人电脑上从而使用户可以通过电脑软件轻松设置TDC-GPX的相关寄存器。电脑则已一定的通信速度与GPX芯片直接通信，系统使GPX采集测量数据最高可达200MHz。测量数据可以直接显示在电脑上或者以histogram形式显示，同时用户可将数据导出。时间数字转换芯片TDC-GPX提供最高10ps精度时间间139第五章时间分析课件140基于时间放大技术的TDCWilkinson型TDC游标尺（Vernier）计时器基于时间放大技术的TDCWilkinson型TDC141Wilkinson型TDCWilkinson型TDC是上世纪50年代提出的，其基本思想是基于所谓的时间放大（TimeStretch）原理，人们也常称其为双斜率型TDC，也就是时间扩展内插时数变换。这种TDC是电路中采用两个不同的恒流源I1和I2。采用大电流I1对电容快速充电，充电时间T1正比于输入信号Start和Stop的时间差。而在数字化时，采用小电流I2放电，同时用一个高速计数器在充电时间T1和放电时间T2内进行时钟计数。很显然，计数器中的计数N正比于输入的Start和Stop信号的时间差。而时间放大因子K则由两个恒流源电流的比值K=T2/T1=I1/I2确定。这种TDC有较大的变换（死）时间，约等于（K+1）T1，不适合高计数率应用。

Wilkinson型TDCWilkinson型TDC是上世纪142游标尺（Vernier）计时器

二个信号分别加入到起始端和停止端，触发T1和T2两个振荡器后加入符合门，用符合输出作为二个关闭振荡器的关门信号用振荡器T1输出的信号作为地址寄存器（计数器）的输入，作串行-并行变换后输出数码。游标尺（Vernier）计时器二个信号分别加143第五章时间分析课件144基于幅度-时间修正的时间间隔测量在当代大型物理实验中，由于通道数很多，恒比定时的电路相对比较复杂，造价高，用于时间测量，通常采用简单的前沿定时方法，并且利用同一信号的幅度（电荷）测量对幅度-时间游动带来的定时误差进行修正（一般是离线修正），这已成为一种基本的方法。

基于幅度-时间修正的时间间隔测量在当代大型物理实验中，由于通145基于幅度-时间修正的时间间隔测量的原理图基于幅度-时间修正的时间间隔测量的原理图146波形甄别电路前沿时检电路的阈值调节很低，它的输出信号vL在输入信号起始时刻t0出现；过零时检电路的输出信号vz在信号过零时刻tz产生，而tz与探测器输出的电流脉冲形状和宽度有关。调节延迟时间td(tz-t0)使输入到符合电路的信号重叠符合电路产生输出（图b中vi1的情况）。若(tz-t0)不等于td的情况，符合电路不产生输出。这类输入信号就被剔除了（图中vi2情况）。(a)波形甄别电路前沿时检电路的阈值调节很低，它的输出信号vL在输147波形甄别电路改进用TAC来替代符合电路，使不同波形的输入信号产生不同幅度的信号输出，再用幅度选择器作幅度选择，用此方法作波形甄别更为方便。二个时检电路可用二个不同比值的恒比定时电路替代，同样可以得到波形甄别的结果。基于高速数字技术的波形甄别。对信号进行高速采样，再用硬件或软件算法进行甄别。如反卷积算法。波形甄别电路改进用TAC来替代符合电路，使不同波形的输入信号148作业：5.45.75.85.95.12作业：5.4149第五章时间分析§1概述

§2定时方法§3符合§4时间量变换方法§5脉冲波形甄别第五章时间分析§1概述150核激发态寿命测量；正电子湮没寿命测量；正电子发射断层扫描；高能粒子径迹探测；粒子鉴别；符合技术与反符合技术；中子飞行时间望远镜测量法；§1.概 述核激发态寿命测量；§1.概 述151一、时间信息分析所要解决的基本问题二、时间信号的检出一、时间信息分析所要解决的基本问题152一、时间信息分析所要解决的基本问题1、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

2、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一、时间信息分析所要解决的基本问题1、时间间隔甄别153时间间隔甄别应用实例时间间隔甄别应用实例154电子正电子对撞实验中，产生μ+和μ-的事例探测器D1和探测器D2相距有几十米以上，对称排布，用来测定子。因为+和-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，飞行速度近似相同，从对撞点飞出，应几乎同时分别击中D1和D2。随着击中D1和D2位置不同信号S1和S2产生时刻发生差别，如果最大时差值为5ns，那么S1和S2时间间隔小于5ns的事例应该是+和-事例的的一个“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，D1和D2是先后被击中，S1和S2的时间间隔将会大于5ns，不满足此“候选”条件，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。电子正电子对撞实验中，产生μ+和μ-的事例探测器D1和探测器155时间间隔甄别器的基本功能N个信号加入它的输入端为u1,u2….ui….uN-1,uN，它们分别在ti（i=1,2…N）时刻到达甄别器的输入端，其中任意一对信号间的时间差都满足：

-1

<ti－tj<2(1,2>0）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，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。二个输入信号到达的时间分别为t1和t2

，若满足-1<t1－t2<2(1,2>0）在输出端产生逻辑信号输出，否则将不产生输出。1＋2为其分辨时间。选择1=2

=

，则分辨时间为2（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，1＋2为其分辨时间。（也就是时间间隔阈值）。时间间隔甄别器的基本功能N个信号加入它的输入端为u1,u2156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e+e-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。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157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－数字转换器（TDC,TimetoDigitConversion

）。输出端的数码值为

其中T0为LSB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，它的功能与多道幅度分析器中数据获取系统相同。

探测器定时电路时间-数字变换启动停止输出时间信息参考时间信号放大器定时道的组成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158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：核事件产生粒子（t1时刻)→探测器被击中（t2时刻）→探测器信号输出（t3时刻出现信号）→电子学电路信号处理（前放（t4时刻）放大、成形（t5时刻））→时检电路检出信号（t6时刻）送到时间信号分析电路或符合电路输入端（t6时刻出现信号）。

时间信号的检出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159ttttttt1t2t6t5t4t3t1：核事件发生t2：粒子进入探测器t3：产生的电流脉冲t4：前置放大器输出的电压脉冲t5：主放大器输出的电压脉冲t6：定时甄别器输出的脉冲ttttttt1t2t6t5t4t3t1：核事件发生160在讨论时间信号检出时，从探测器输出的电流信号有以下几点需要考虑：延迟。t3在t2之后一定时间之后出现展宽。实际的电流信号不是一个信号涨落。(t3-t2)是一个随机量，而且信号形状也会随机变化。定时电路的功能是使的涨落尽可能小，或者说的晃动很小。

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下几点需要考161§2定时方法一、产生时间晃动的几个主要因素二、时间晃动大小的度量三、前沿定时甄别器-固定阈值甄别器四、恒比定时甄别器（CFD）五、幅度和上升时间补偿定时（ARC）

§2定时方法一、产生时间晃动的几个主要因素162一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动主要有以下几个因素：1、探测器的固有晃动。2、噪声引起时检电路输出的时间晃动。3、幅度时间游动效应。4