时间方法概述

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时间间隔甄别应用实例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。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ttttttt1t2t6t5t4t3t1：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在讨讨论论时时间间信信号号检检出出时时，，从从探探测测器器输输出出的的电电流流信信号号有有以以下下几几点点需需要要考考虑虑：：延迟迟。。t3在t2之后后一一定定时时间间之之后后出出现现展宽宽。。实实际际的的电电流流信信号号不不是是一一个个信号涨落。(t3-t2)是一个个随机量量，而且且信号形形状也会会随机变变化。定时电路路的功能能是使的的涨落尽尽可能小小，或者者说的晃晃动很小小。时间信号号的检出出§2定定时方方法一、产生生时间晃晃动的几几个主要要因素二、时间间晃动大大小的度度量三、前沿沿定时甄甄别器-固定阈阈值甄别别器四、恒比比定时甄甄别器（CFD）五、幅度度和上升升时间补补偿定时时（ARC）一产产生时间间晃动的的几个主主要因素素输入到时时间信息息分析系系统的信信号出现现时间晃晃动主要要有以下下几个因因素：1、探测测器的固固有晃动动。2、噪声声引起时时检电路路输出的的时间晃晃动。3、幅度度时间游游动效应应。4、上升升时间游游动效应应。5、超阈阈延迟以上几种种因素在在不同条条件下对对晃动所所起的影影响是不不相同的的，因而而要具体体加以分分析，分分清主次次。着重重分析幅幅度和上上升时间间游动效效应产生生的时间间晃动及及其解决决办法。。探测器的的固有晃晃动不同的探探测元件件电流信信号输出出的时间间晃动不不一样，，它的产产生原因因也不相相同，大大致因为为载流子子在探测测器内运运动途径径不同造造成的。。例：闪烁烁体和光光电倍加加管（PMT））组成的的闪烁计计数器，，由于粒粒子击中中的位置置不同使使光传输输到PMT的时时间不同同，使得得其输出出信号的的时间发发生差异异，而击击中的位位置往往往是随机机的，因因而信号号输出的的时间产产生时间间晃动。。噪声引起起时检电电路输出出的时间间晃动噪声叠加加在信号号之上将将引起时时检电路路输出的的时间晃晃动。2vnoVT2σT1tTt2vnovVT2σT2tTt噪声叠加于信号的影响噪声叠加于阈值的影响幅度时间间游动效效应不同幅度度经过时时检电路路之后在在输出时时间上产产生差异异，探探测器输输出信号号幅度的的随机变变化造成成了时间间上晃动动，称为为幅度时间间游动效效应。上升时间间游动效效应不同上升升时间的的信号经经过时检检电路之之后会产产生在输输出信号号时间上上差异，，而有有些探测测元件输输出信号号上升时时间也存存在随机机变化，，这也就就带来了了时检电电路的输输出信号号在时间间上晃动动。这称称为上升时时间游游动效效应。超阈延延迟任何触触发器器都存存在超超阈延延迟。。VTVTtL1tL2ΔVvi(t)ΔtD二时时间晃晃动大大小的的度量量时检电电路信信号输输出与与粒子子击中中探测测器之之间的的时间间差td=（t0’-t0）是随机机量，，它服服从一一定的的分布布规律律，td的概率率密度度函数数为Pd（（td），可以得得到各各级矩矩：由此推推知td的的随机机变化化情况况，来来度量量的晃晃动大大小。一般可以假假设td服从高斯分分布，和和是关键参量量作为时间晃晃动的度量量二个信号时时间间隔及及其晃动量量时间晃动大大小的度量量22时间晃动大大小的度量量时间晃动实实验测量在实验上可可以用同一瞬间产产生两个粒粒子的放射射源（60Co源，几乎是同时时发射两两个粒子[1和2]）；测量计数随随τ（即时时间间隔））值变化曲曲线，图图中求得和和半高高全宽时间间FWHMtd,时间晃动为为三前沿定定时甄别器器-固定阈阈值甄别器器1、前沿定定时特性分分析2、基本电电路结构触发电路VT输入信号输出信号vivovitVTvottL前沿定时特特性分析（（一）将输入信号号前沿近似似看成线性性上升，可可用下述关关系表示：：输出信号对对输入信号号的时间延延迟可以表表示为：其中ti为输入信号号从出现到到上升为VT所需时间，，t为渡越时间间，也就是是超阈延迟迟时间，假假定在快甄甄别器情况况下，t很小，暂不加以以考虑。。在Vi由Vi1变为Vi2时，则输出信号对对输入信号号的时间延延迟差td=(t2-t1)应为：VoΔtd随Vi变化而发生生变化称为为幅度时间游游动效应。显而可见见VT和tm越小，Δtd变化量就越越小，幅度度时间游动动效应就越越小。当Vimax>>Vimin,VT=Vimin时：Vo若输入信号号最大幅度度为Vimax，最小幅度度为Vimin则因幅度变变化引起的的前沿定时时误差为：：若达峰时间间tm发生变化（（也就是上上升时间发发生变化）），延迟时时间的变化化为：这称为上升升时间游动动效应。前沿定时特特性分析（（二）同时考虑输输入信号的的幅度变化化和上升时时间变化，，则前沿定定时的时间间移动为：：前沿定时特特性分析（（三）VTVTtL1tL2ΔVvi(t)ΔtD超阈延迟：超阈延迟：触发器输入入阻抗：Zi附加电荷：：QVMtMVTt2vnoVT2σT1tTt2vnov2σT2tT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的总定时标标准偏差为为：触发比和噪噪声斜率比比一般地，兼兼顾噪声斜斜率及噪声声的误触发发，选用：：噪声斜率比比定时甄别器器实例慢前沿定时时甄别器：：由集成电电压比较器器组成交流流耦合施密密特甄别电电路。性能能：：当当输输入入信信号号的的幅幅度度从从1.0V变变化化到到10V时时，，输输出出信信号号vo(t)的时移小于输入信号号上升时间的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快前沿定时甄甄别器：由三三个快速差分分放大级，加加正反馈组成成甄别器。性能：：当输输入信信号的的幅度度从0.1V变变化到到5V时，，输入入信号号上升时时间为2ns,输出出信号号的时移小于0.5ns基本电电路结结构高速运运算放放大器器（例例如THS3201、OPA847等等）构构成的的施密密特甄甄别器器；高速比比较器器（例例如AD96687）构构成的的截止止式放放大器器型甄甄别器器；双阈甄甄别电电路。。高速比比较器器AD96687构构成的的甄别别器双阈甄甄别电电路由于幅幅度效效应，，前沿沿定时时会有有较大大的定定时误误差。。降低低甄别别阈，，是减减少这这一误误差的的重要要措施施。但但甄别别阈的的减少少将会会明显显引起起噪声声误触触发，，为此此，设设计了了双阈阈甄别别电路路，采采用低低阈定定时，，高阈阈选通通的方方案，，既可可减少少噪声声影响响，又又由于于甄别别阈的的降低低，还还可减减少由由于幅幅度效效应引引起的的时间间游动动甄别别器器需需要要有有稳稳定定的的阈阈电电压压。。阈阈电电压压的的产产生生程程控控设设置置的的DAC提提供供。。为为了了减减少少噪噪声声和和外外部部干干扰扰的的影影响响，，得得到到稳稳定定的的阈阈电电压压，，对对DAC提提供供的的输输出出电电压压采采取取了了衰衰减减和和有有源源滤滤波波等等有有效效措措施施。。过零零定定时时为了了克克服服前前沿沿定定时时在在输输入入信信号号幅幅度度变变化化时时引引起起时时间间移移动动太太大大的的缺缺点点。。提出过零零定时的的基本思思路：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时(CR)2–(RC)m成形过零点：：(DL)2成形过零点：：过零定时电电路预置甄别器VT过零甄别器Vi(t)V1(t)V2(t)V3(t)Vo(t)ttttttZtZtZ过零定时电电路优点：能消除输入入信号幅度度变化的时时间移动。。缺点：不能消除输输入信号上上升时间变变化的时间间移动。四恒比定定时甄别器器（CFD））恒比定时的的基本思路路恒比定时甄甄别原理恒比定时甄甄别器实现现提出恒比定定时的基本本思路前沿定时除除了由幅度度游动效应应引起较大大晃动之外外，触发比比不恒定也也是一个缺缺点。探测器的固固有时间晃晃动往往与与外电路收收集到的电电荷量与总总电荷量比比值有关，，在某一比比值时，固固有时间晃晃动可达到到最小。这这一比值就就是触发比比PP=VT/Vi如果能对每每一个信号号作到恒定定的触发比比，就可以以选择合适适的比值，，使探测器器的固有时时间晃动最最小。同时时能克服幅幅度游动效效应。恒比定时甄甄别原理用经延迟后后的输入信信号与经过过衰减倒相相后信号相相加之后产产生一个双双极性信号号，该信号号从负极性性变到正极极性的过零零时刻与信信号幅度无无关，在此此时刻的信信号值与总总幅度之比比为一恒值值。过零甄别器器起到在双极性信号号的过零时时刻检出信号的的作用。用ui(t)来近似描述述输入信号号:经过衰减倒倒相后信号号（其中P为衰减因子子）：经延迟后的的信号恒比定时甄甄别原理经过相加电电路之后是是一个双极极性信号：：从负极性变变到正极性性的过零时时刻：由此可知(1)过零零点与信号号幅度无关关(2)在tz时刻，对于任何幅幅度都一样样。因此tz是一个理想想的时刻，，既克服了了游动效应应，又在此此时刻的信信号值与总总幅度之比比为一恒值值。在这一一时刻检出出信号可以以达到恒比比定时的目目的。图中中过零甄别别器ZCD起到在时时刻检出信信号的作用用恒比定时甄甄别原理恒比定时甄甄别器实现现门控型恒比比定时甄别别器双阈甄别门门控型恒比比定时甄别别器双极性信号号成形方法法门控型恒比比定时甄别别器双阈甄别门门控型恒比比定时甄别别器成形电路采采用恒比成成形时，常常常取其延延迟电路的的延迟时间间略大于tm，但对于小小幅度输入入信号，特特别是刚过过阈值的信信号，触发发时间已接接近而超阈阈幅度很小小，因此甄甄别器的渡渡越时间比比较长，有有可能使前前沿甄别器器输出信号号落在过零零时刻之后后，这样一一来就成为为前沿定时时了。因此此，上述电电路对小信信号（即刚刚过触发阈阈的信号））就起不到到恒比定时时作用了。。为此，提提出一种改改进方案，，即双阈甄别门门控型恒比比定时甄别别器，它是在门门控型恒比比定时甄别别器电路基基础上再加加上一个固固定阈值甄甄别器DT，其阈值比比的DP阈值要大。在小信号时时（即输入入信号幅度度略大于VTP）不能触发发DT，因而最后后不产生输输出。只有有输入信号号幅度大于于VTT才能触发DT，产生最后后输出，这这时DP的输出信号号不会落在在过零时刻刻之后，保保证了恒比比定时。但是这样也也会带来一一个问题，，输出信号号前沿时刻刻在略超过过情况下亦亦会落在之之后，又将将造成输出出信号对应应的前沿定定时时刻。。为此在门门Y1输出处加上上一延迟线线作适当延延迟，以保保证输出信信号前沿在在DT输出信号之之后。双极性信号号成形方法法短路延迟线线成形tdtztttoootm2、RC成成形输入信号Vi直接连到比比较器的同同相输入端端，比较器器的反相输输入端的信信号Vc是Vi的低通滤波波输出，它它在时间上上比输入信信号滞后。。比较器的的同相、反反相输入端端之间的电电压差为：：Vr(t)=Vi(t)-Vc(t)=Ri(t)=RCdVc(t)/dt在电容器上上电压达到到峰值之后后，积分电电阻上的电电流方向改改变，引起起比较器输输出的翻转转。由于电电阻电容组组成的是一一个线性网网络，Vr(t)的过零点点与输入信信号的幅度度无关，从从而实现了了恒比定时时功能。恒比定时甄甄别器实例例五、幅度和和上升时间间补偿定时时（ARC）提出的基本本思路：恒比定时：：VT=PVi=PA消消除幅幅度A变化化对定时的的影响，但但没有消除除上升时间间变化对定定时的影响响。为了消除上上升时间变变化对定时时的影响，，阈值VT不仅要随幅幅度A变化化，而且要要随上上升时间间而变化。。阈值VT可以取

定时时间tA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定时六、最佳定定时滤波器器与定时滤滤波放大器器最佳定时滤滤波器：斜斜率噪声比比达到最大大值的定时时滤波器。。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定时滤波器定时电路噪声引起的定时标准偏差为：斜率噪声比：最佳定时滤波成形电路的频率响应为：最佳定时滤波成形电路的频率响应为：输入为白噪声，输入噪声功率谱密度为常数最佳定时滤波成形电路的冲击响应为定时单道脉脉冲幅度分分析器：具有定时和和单道双重重功能§3、符合合电路一、符合方方法二、符合电电路基本结结构三、符合曲曲线四、快-慢慢符合五、符合电电路实例一、符合方方法符合是指两两个或两个个以上的物物理事件在在时间上相相互重合；；理想符合：：指的是两两个时间同同时发生，，时间间隔隔为零；实际符合：：在一个时时间段内发发生，有一一定的时间间间隔；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两重符合：：多重符合：：符合水平：：ABOUT000010100111ABOUT真值表：反符合ABOUT000010101110真值表：ABOUT符合电路分分辨时间：：=2tw2323VT理想电子学符合实际电子学符合tWtW二符合电电路基本结结构二个输入信信号分别经经过定时成成形电路之之后，使其其输出信号号前沿晃动动很小，以以宽度分别别为Tw1和Tw2信号加入符符合门电路路，只有当当二个信号号发生重叠叠时符合门门才有信号号输出，此此信号再经经过甄别成成形之后输输出。设二个输入信信号到达时间间分别为t1和t2，只有满足符合门才有输输出，其分辨辨时间应为：：符合电路基本本结构以上讨论是在在理想条件下下得到的，即即(1)输到到符合门的信信号是理想矩矩形脉冲。(2)符合合门和甄别成成形电路的渡渡越时间为零零。三符合曲线线为了测定符合合系统（包括括探测器在内内）的时间分分辨能力，常常利用同一瞬瞬间产生两个个粒子的放射射源、或用激激发态寿命远远小于系统定定时误差的放放射源来测定定系统的瞬时时符合曲线。。在两路信号号通道中，用用可变延迟线线引入它们之之间时间上相相对延迟，测测定符合系统统的输出信号号计数率和相相对延迟量的的关系曲线，，此曲线就是是瞬间符合曲曲线。从瞬时时符合曲线，，可以求得符符合系统的分分辨时间和效效率。电子学瞬时符符合曲线物理瞬时符合合曲线电子学瞬时符符合曲线用一个信号源源代替放射源源和探测器作作为二路符合合的输入，测测得瞬时符合合曲线仅反映映电路本身的的特性，称为为电子学瞬时时符合曲线。。调节相对延迟迟量，符合电电路输出信号号送入到一个个计数器去，，测得计数率率，可以求得得相对计数率率与延迟量的的关系曲线，，此曲线即为为电子学瞬时时符合曲线，，也就是符合合电路产生输输出的概率函函数。电子学瞬时符符合曲线在理想条件下下为曲线1如果考虑到：：(1)输入信信号有一定上上升和下降时时间，而符合合门有一定门门槛电平，因因而对符合门门输入来说，，有效宽度变变小了。(2)二个信信号重合时间间减小到一定定宽度时，由由于符合门和和其后继甄别别电路有一定定渡越时间，，当重合时间间太窄时，不不能响应，这这相当于减小小了有效宽度度。(3)考虑到到噪声叠加在在信号、符合合门的门槛电电平和后继电电路阈值偏置置电路上，使使有效宽度发发生涨落。由于以上原因因，瞬时符合合曲线不仅宽宽度减小，而而且形状上偏偏离了矩形，，为曲线2。这就是实际际电子学瞬时时符合曲线。。符合分辨时时间定义为瞬瞬时符合曲线线的半高全宽宽FWHM，从图中曲线2可以求得电子子学分辨时间间：物理瞬时符合合曲线用瞬时符合放放射源和探测测器系统替代代信号源作为为符合电路信信号输入，测测得的相对计计数率与延迟迟量的关系曲曲线为物理瞬瞬时符合曲线线，此曲线包包括了探测器器和定时系统统的时间晃动动及偶然符合合等因素。物理瞬时符合合曲线真符合事件测测得的物理瞬瞬时符合曲线线应为输入到到符合电路二二信号时差的的概率密度函函数与电子学学瞬时符合函函数的卷积E与值相近时真符合事件最最大输入计数数率偶然符合计数数率真符合事件计计数率E为电子学分辨辨时间物理曲线形状状与电子学曲曲线相似曲线高度下降降，形状变窄窄，平顶部分分消失，这是是由于真符合合计数被丢失失了为时差涨落的方方差在实际测量中中，除了真符符合事例外，，还有大量不不属于同一核核事件互不相相关的粒子进进入二个探测测器，它们有有可能在分辨辨时间之内随随机地进入符符合电路各输输入端而产生生输出，称这这种符合为偶偶然符合。显显而易见，偶偶然符合应与与二个电路相相对延迟时间间无关。偶然符合计数数为：随着E增加，W(td)曲线高度平移移地升高。这这正是偶然符符合所造成的的。WE(td)把看成宽度为为E，高度为1的矩矩形函数由于时间涨落落的影响，一一对真符合信信号到达符合合电路的时差差出现统计涨涨落，当E选得较小时真真符合事件可可能漏记，造造成真符合计计数损失。E越小，损失越越多。E取得较大时符符合曲线出现现平顶，其符符合事件可被被全部记录下下来。时差的的涨落对计数数率的影响可可以忽略。E增大，偶然符符合计数也正正比地增大，，偶然符合与与真符合计数数之比随之增增大。从符合合曲线中求得得偶然符合计计数虽然可以以再从实际曲曲线中扣除偶偶然符合计数数而得到真符符合计数，但但这样会使统统计误差增大大。分辨时间E的选择要综合合加以考虑。。从时间分辨和和减小偶然符符合角度来看看，E取小些为好；；从真符合计数数损失来看，，E不能取得太小小。符合系统所能能达到的最小小分辨时间，，根本上取决决于探测器和和定时系统的的时间涨落大大小。511keV511keVe+e-正电子子发射射断层层显像像PositronEmissionTomography发射型型断层层成像像。所所谓发发射型型成像像就是是把放放射源源放在在病人人身体体的内内部，，放射射线从从病人人身体体内部部射出出，最最后被被探测测器接接收。。具具有短短半衰衰期的的放射射性的的原子子可以以由回回旋加加速器器或核核反应应堆生生产出出来。。这些些放射射性元元素再再用来来制造造放射射性药药物。。通通常放放射性性药物物是通通过手手臂静静脉血血管注注射而而进入入体内内的。。放射射性药药物进进入人人体后后会跟跟踪病病理过过程。。放射射性药药物也也可以以通过过病人人的呼呼吸道道或消消化道道进入入人体体。放放射性性药物物实际际上是是个分分子载载体，，它依依附于于特定定的生生理组组织或或病理理过程程。放放射性性物质质在药药物的的带领领下在在人体体内做做有目目的的的分布布。发发射型型断层层成像像的目目的就就是要要得到到一个个放射射性物物质在在人体体内部部的分分布图图。有一一些些放放射射性性元元素素，，如如O-15，，C-11，，N-13，，和和F-18，，在在放放射射性性衰衰退退时时会会释释放放出出正正电电子子(即即带带一一个个正正电电荷荷的的电电子子)。。正正电电子子在在自自然然界界中中生生存存的的时时间间十十分分短短暂暂，，因因为为在在自自然然界界中中正正电电子子很很快快就就会会遇遇到到一一个个(带带负负电电的的)电电子子。。当当正正电电子子与与电电子子发发生生作作用用时时，，它它们们的的质质量量会会湮湮灭灭(即即完完全全消消失失)，，它它们们的的质质量量完完全全转转换换为为能能量量而而产产生生出出两两个个能能量量为为511keV的的伽伽玛玛光光子子。。这这两两个个光光子子沿沿着着相相隔隔180ºº角角的的方方向向传传播播。。ScintillationCrystalPMTPre-Amplifier+ElectronicsGammaphotonconvertstoopticalphotons(proportionaltogammaenergy)photonsarecollectedattheendofthecrystallightisconvertedtoanelectricalsignal&lifiedFront-endelectronicsconditionthesignalforfurtherprocessingGammaRayOpticalreflectorPET是是先进的的核医学学三维成成像技术术,围绕绕着被测测体四周周的圆柱柱形位置置灵敏探探测器探探测被测测体发出出的γ光光子,使使用时间间符合、、电子准准直和能能量甄别别等技术术从复杂杂噪声背背景中筛筛选出有有用事例例,使用用大量的的有用事事例数据据可以重重建放射射性物质质分布的的三维图图像。SET-3000G/Xschematicdesign四快-慢符合合时间上相相关的事事件本身身还存在在一些特特点，，例如粒粒子的能能量有一一定范围围，也就就是说信信号的幅幅度落在在一定范范围之内内。在时时间符合合作为基基本条件件之下用用幅度选选择作为为辅助措措施来减减小偶然然符合。。事例的的候选条条件除了了时间甄甄别之外外，再加加上幅度度甄别。。但是，经经过幅度度甄别之之后的信信号往往往时间晃晃动都很很大，因因此在幅幅度甄别别之后再再进行符符合，其其分辨时时间不能能取得很很小，否否则会降降低效率率（真符符合计数数损失增增加），，但增大大分辨时时间又会会使偶然然符合增增加。为为了解决决这个矛矛盾，常常采用快快慢符合合技术。。快-慢符合合探测器信号号经过时检检电路后进进入快符合合电路，因因而时间晃晃动很小，，可选取很很小的分辨辨时间。同同时，这一一对探测器器信号又分分别经过单单道分析器器进行幅度度选择。只只有在时间间和幅度上上都满足给给定条件时时，三重慢慢符合电路路才产生输输出。其中中延迟线td是为了补偿偿单道分析析器产生的的时延。符合电路实实例四路输入信信号先经MC10E1651比较器甄甄别输出，，然后用MC10EL01D进行“与与”或者““或”逻辑辑，再通过过单稳态芯芯片MC10198调节输出出脉冲宽度度，最后分分别转换成成快NIM和TTL输出。。最小时间间窗可达到到2ns。。NIM在核仪器领领域中NIM标准是是一个公认认的标准，，由（EIA电子工工业联合会会）提出。NIM逻逻辑信号定定义：快NIM逻逻辑信号标标准为（负负载为50Ω阻抗，负逻逻辑。适用用于上升时时间在ns量级，信号号宽度小于于1us的的快信号。。TTL电平平规定：输出出高电平>2.4V,输出出低电平<0.4V。在室温下，，一般输出出高电平是是3.5V，输出低低电平是0.2V。。最小输入高高电平和低低电平：输输入高电平平>=2.0V，输输入低电<=0.8V，噪声声容容限限是是0.4V。。实实际际应应用用中中，，由由于于外外界界输入入噪声声容容限限高电电平平噪噪声声容容限限是指指在在保保证证输输出出低低电电平平的的前前提提下下，，允允许许叠叠加加在在输输入入高高电电平平上上的的最最大大噪噪声声电电压压(负负向向干干扰扰)，，用用UNH表示示：：低电电平平噪噪声声容容限限是指在保证输输出高电平的的前提下，允允许叠加在输输入低电平上上的最大噪声声电压(正向向干扰)，用用UNL表示：UNL=UIL,max－UILUNH=UIH－UIH,min1输出0输出1输入0输入UOH,minUIH,minUNHUIL,maxUOL,maxUNL11uIuO输入低电平噪噪声容限：UNL=UIL,max－UOL,max输入高电平噪噪声容限：UNH=UOH,min－UIH,min74LS系列列门电路前后后级联时的输入噪噪声容限为：：UNL=0.8V－－0.5V=0.3VUNH=2.7V－－2.0V=0.7V5V2.7V0.5V0V5V2V0.8V0V射极耦合逻辑辑门电路(ECL)ECL门的基基本结构由于TTL门门中BJT工工作在饱和状状态，BJT存储电荷，，电荷的存储储和消散需要要一定的时间间,开关速速度受到了限限制。只有改改变电路的工工作方式，从从饱和型变为为非饱和型，，才能从根本本上提高速度度。ECL门门就是一种非非饱和型高速速数字集成电电路，它的平平均传输延迟迟时间可在2ns以下，，是目前双极极型电路中速速度最快的。。T1、T2、、T3组成发发射极耦合电电路。T3的的基极接一个个固定的参考考电压VREF，输入信号接接到T1、T2的基极。。输出信号由由T1、T2或T3的集集电极取得。。RC1RC3T2T3ReVREF-VEEC1C3VEIEIE=[VE-(-VEE)]/Re=(0.3V+12V)/1.2KΩ≈10mA1.当输入端端A、B都接接低电平0（（设VA=VB=0.5V））时由于VREF=1V，因此此T3优先导导通，这就使使发射极e的的电位VE=VREF-VBE3=0.3V对于T1、T2来说，由由于VE=0.3V,而VA=VB=0.5VRC1RC3T2T3ReVREF-VEEC1C3VEIE虽然基极电位位比发射极电电位高0.2V，但由于于是硅管，仍仍可保证截止止。这时流过Re的电流将全全部由T3提提供，且有VC3=VCC-IERc3=6V-10mA×0.1KΩ=5VVC1=VCC=6V由此可可见，，当输输入为为0时时，T1、T2截止，，输出出端c1为高电电平1（＋＋6V）；；T3导通，，输出出端c3为低电电平0(＋＋5V）。。而且且由于于VB3=VREF=1V，而而VC3=5V，所所以T3处于放放大状状态而而未达达到饱饱和。。RC1RC3T2T3ReVREF-VEEC1C3VEIE2.当当输入入端A、B中有有一个个接高高电平平1（（设A接高高电平平，VA=1.5V）时时由由于VA＞VREF，所以以T1优先导导通，，这就使使VE=1.5V-0.7V=0.8V，对对T3来说，，这时时基极极电位位比发发射极极电位位仅高高0.2V，可可以保保证T3截止。。流过Re的电流流由T1提供，，且有有IE=(0.8V+12V)/1.2KΩ=10.6mAVC1=VCC-IERc1=6V-10.6mA×0.1KΩ≈5VVC3=VCC=6V此时T1处于放大状状态。由于于T1和T2的发射极和和集电极是是分别连在在一起的，，所以只要要A、B中中有一个接接高电平，，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或输出由于集成成电路特特点，电电路只用用一种负负电源-VEE=-5.2V，，而VCC=0V。。图中T1—T4组成多端端输入，，并与T5组成射极极耦合电电路。T6组成一个个简单的的电压跟跟随器，，它为T5提供一个个参考电电压VREF。为了补补偿温度度漂移，，在T6的基极回回路接入入了两个个二极管管。图图中T7和T8组成电压压跟随器器，起电电平移动动作用，，VC4和VC5通过电压压跟随器器后，使使输出变变为标准准的ECL电平平。其典典型值是是：高低低电平的的电压分分别为-0.9V和-1.75V。。同时由由于有了了这两个个电压跟跟随器作作为输出出级，也也有效地地提高了了ECL门的带带负载能能力。ECL门门的电路路实例输出快符合电电路1、隧道道二极管管符合电电路输入1输入2R1R2E输出WRR4T.D.适当选择择隧道二二极管单单稳态的的阈值，，使它在在两路输输入电流流信号相相加时翻翻转，从从而产生生符合输输出。当当只有一一路信号号输入时时，输入入信号不不够大，，不能使使隧道二二极管翻翻转，电电路没有有输出。。优点：电路动作作速度快快，分辨辨时间可可达几纳纳秒。缺点：温度稳定定性差。。快符合电电路1、相加加型共基基极符合合电路静态时：：输入1、、输入2为零电电平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有信号号，电位位降为-0.7V时时：D1截止，D2导通。ie=10mA当输入1和2都都有信号号，电位位分别降降为-0.7V时：：ie=15mAD1、D3截止，D2、D4导通。VT输入1输入2输出VCie00快信号的的传输与与纳秒延延时器信号传输输电缆的的参数：：特性阻抗抗：50欧姆姆，75欧姆，，100欧姆等等单位长度电容容：几十pF每米米衰减系数：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，产生负反反射;ZL<Rt<，产生正反反射。聚乙烯绝缘介介质传输速度：阻抗匹配串联匹配；并并联匹配；单端匹配；双双端匹配;始端匹配；终终端匹配.始端匹配终端匹配始端匹配终端匹配匹配电缆阻抗ZL纳秒延时器采用电缆延时时构成的延时时器特性：延时范围:2.5ns到到66ns可可变延时精度:0.5ns到到4ns：小小于60ps;8ns至至32ns:小于100ps.时间移动：1.4ns输入输出延迟迟：8～9ns信号衰减：小小于10%特性阻抗：50§4.时时间量变换方方法时间分析时间－幅度变换（TAC）时间-数字变换器（TDC）基于幅度-时时间修正的时时间间隔测量量分析一个核态态与另一个核核态之间的时时间关系，也也就是测量核核事件的时间间间隔概率密密度分布。符合方法测量量时间间隔分分布，类似于于用单道测量量能谱。多重重符合电路型型多道时间分分析器。一时间分析析常用的有两类类时间分析器器二个信号加入入到时间间隔隔编码电路即即TDC，，TDC输输出的数码正正比于信号间间的时间间隔隔，再将其送送入数据获取取和处理系统统；二个个信信号号输输入入到到时时间间间间隔隔幅幅度度变变换换电电路路即即TAC，，TAC的的输输出出幅幅度度正正比比于于信信号号间间的的时时间间间间隔隔，，然然后后送送到到ADC，，进进行行幅幅度度-数数字字变变换换，，再再送送入入数数据据获获取取与与处处理理系系统统。。时间分析析器的构构成时间分析析器用来来测量时时间谱，，即计数数随时间间间隔分分布曲线线。它的的作用与与幅度分分析中多多道脉冲冲幅度分分析器相相当。关键部分分是TDC和TAC。二、时时间幅度度变换器器（TAC）TAC基基本原理理TAC实实例TAC基基本原理理时间-幅幅度变换换是把两两个信号号之间的的时间间间隔长短短转换成成一个幅幅度与其其间隔成成正比的的输出信信号最方便的的办法是是在此间间隔内对对电容器器进行恒恒流充电电,静态态时S1和S2闭合，C上电压压为零，，起始信信号将S1断开，恒恒流源对对C充电电，C上上电压线线性上升升，停止止信号将将S2断开，C上的电电压正比比于两个个信号之之间的时时间间隔隔。电容器上上保持住住的电压压为Vc=I··tx/C，tx为二个输输入信号号的时间间间隔。限幅放大双稳态电流开关起始电流开关真起始输输出变换钳位位缓冲放大大线性门跟随器放大器变换输出出起始信号号限幅放大起始门门控输入入限幅放大双稳态电流开关停止电流开关停止信号号复位开关关停止门超量程触触发器读出时间间开门选通输入入电流源延时内外内外起停型时时幅变换换器电路路方框图图C脉冲重叠叠型时幅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)三、时时间－数数字变换换TDC起始停止止计数器器型TDC基于时间间内插技技术（TimeInterpolating））的TDC基于时间间邮戳（（TimeStamp）技技术的TDC基于时间间放大技技术的TDC起始停止止计数器器型TDC待测的起起始（start）和和停止（（stop）二二个信号号分别输输入到触触发器（（FF））S和R二端，，FF输输出信号号T的宽宽度应为为二个输输入信号号的时间间间隔,用来控控制时钟钟门And，时时钟振荡荡器的时时钟脉冲冲加到时时钟门输输入端，，因此通通过时钟钟门的脉脉冲个数数m将正正比于信信号T的的宽度，，即正比比于二个个输入信信号的时时间间隔隔tm=tstop-tstartm=[(tstop-tstart)/T0]取整数T0为时钟脉脉冲的周周期。再再将此系系列脉冲冲输入到到计数器器，进行行串行-并行变变换，经经过译码码后以二二进制数数码并行行输出。。计数器器目前多多采用Gray码计数器。。计数器十进制计计数器同步十进进制加法法计数器器分析：①驱动方方程和输输出方程程②状态方方程③状态表表00000001001000110100010101100111100010011010101111001101111011110000000110101010000000001010101074160－－－同步步十进进制加加法计计数器器3Q2QETCP0D1D2D3DC1Q0Q74160∧EPRDDL直接计计数器器型TDC的优优点是是电路路简单单，大大尺度度时间间测量量范围围，且且全数数字化化，易易于集集成。。时间精精度（（一个个LSB代代表的的时间间间隔隔量））受到到时钟钟频率率以及及它的的稳定定性限限制，，因因为高高时钟钟频率率（1GHz以以上））在工工艺和和电路路结构构上要要付出出很高高代价价。这这种TDC的时时间精精度在在ns量级级。采用自自激时时钟振振荡器器会造造成2T0的误差差，采采用它它激时时钟振振荡器器误差差可以以减小小到1T0，但是是在一一般情情况下下，振振荡器器起振振阶段段，频频率和和幅度度不稳稳定，，也会会带来来误差差。自然二二进制制码可可以直直接由由数/模转转换器器转换换成模模拟信信号，，但在在某些些情况况，例例如从从十进进制的的7转转换为为8时时二进进制码码的每每一位位都要要变，，能使使数字字电路路产生生很大大的尖尖峰电电流脉脉冲。。而格格雷码码则没没有这这一缺缺点，，它在在相邻邻位间间转换换时，，只有有一位位产生生变化化。它它大大大地减减少了了由一一个状状态到到下一一个状状态时时逻辑辑的混混淆。。格雷雷码仅仅改变变一位位，这这样与与其它它编码码同时时改变变两位位或多多位的的情况况相比比更为为可靠靠，即即可减减少出出错的的可能能性。。基于时时间内内插技技术（（TimeInterpolating）的的TDC要满足足高时时间精精度和和大尺尺度测测量范范围的的TDC目目前前采用用所谓谓的““粗””计数数（CoarseCounting）和和“细细”时时间测测量（（FineMeasurement）相相结合合的方方法。。这种方方法中中，““粗””计数数一般般由高高性能能的直直接计计数器器型TDC。使使用的的参考考时钟钟频率率一般般在数数百MHz，达达到几几个ns的的时间间精度度；而而“细细”时时间测测量的的实现现则依依靠时时间内内插技技术（（TimeInterpolation），，在一一个时时钟周周期内内进行行时间间内插插，达达到亚亚纳秒秒（100ps~10ps）的的时间间分辨辨。时间内插插技术的的基本思思想是采采用适当当的方法法将“粗粗”计数数使用的的参考时时钟的周周期细分分为M个个等分，，并利用用其将被被测时间间间隔与与“粗””计数器器记录的的时间(nT0)之差差记录下下来，等等效于将将时钟信信号的频频率提高高了M倍倍。一个个直接的的方法就就是利用用若干个个等分的的时间延迟迟单元，如M个个抽头“延迟线”来实现时时间内插插。基于时间间内插技技术（TimeInterpolating））的TDC受Start和和Stop控制制的250MHz频率率的时钟钟信号对对n位计计数器计计数，产产生4ns时间间分辨的的“粗””计数。。同时在在时钟通通道中插插入一个个8抽头头“延迟迟线”，，各抽头头组成0.5ns的延延迟单元元，其输输出被送送入各符合电路路的相应输输入端，，Stop信号号则作为为一个公公共信号号送入各各符合电电路的另另一输入入端，与与延迟线线上传输输的信号号做符合，记录下下当Stop信信号到来来时，时时钟信号号在“延延迟线””上传输输的位置置，即延延迟的时时间量。。该信息经经译码电电路给出出时间数数据的最最低的3位数据据，相当当于将““粗”时时间计数数的时钟钟周期细细分了8个等分分，实现现了0.5ns的时间间分辨。。几种“延延迟线””技术门电路组组成的延延迟电路路锁相环（（PhaseLockedLoop，，简称为为：PLL）技技术延迟锁定定环（DelayLockedLoop，简简称为：：DLL）技术术无源RC延迟线线门电路组组成的延延迟电路路通常是由由两个CMOS反向器器门电路路构成一一个延迟迟单元。。时间分分辨则由由一个延延迟单元元的延迟迟时间所所决定。。这种方方法电路路简单，，占用较较少的资资源，易易于与其其它电路路部分集集成为单单片的TDC集集成芯片片。缺点点是门电电路的延延迟时间间容易受受到供电电电压波波动和温温度变化化的影响响而产生生变化，，需要经经常进行行刻度。。CMOS门电路路MOS管管的开关关特性输入低电电平，NMOS管截止止；输入高电电平，NMOS管导通通。输入低电电平，PMOS管导通通；输入高电电平，PMOS管截止止。CMOS门电路路CMOS非门CMOS门电路路CMOS非门电压传输特性CMOS非门电流传输特性CMOS反相器器的传输输特性接接近理想想开关特特性，因因而其其噪声容容限大，，抗干扰扰能力强强。锁相环技技术在时间内内插电路路应用中中，门电电路延迟迟线是作作为VCO（VoltageControlledOscillator）的的一部分分放在环环中，构构成一个个环形振振荡器，，振荡周周期由门门电路的的延迟时时间所决决定。当当供电电电压变化化或者是是温度变变化时，，利用负负反馈机机制，改改变各门门电路单单元的供供电电流流，调整整和稳定定各门电电路单元元的延迟迟时间，，稳定VCO的的输出频频率。因因此消除除了由于于供电电电压变化化和温度度变化带带来的延延迟时间间变化。。另外，，这种电电路还具具有易于于集成，，功耗小小的优点点。延迟锁定环技技术DLL技术与与PLL技术术很类似，也也是将门电路路延迟线放在在反馈环中，，通过相位检检测，调整各各门电路单元元的供电电压压，调整和稳稳定各门电路路单元的延迟迟时间。在DLL电路中中，输入参考考时钟直接与与其通过门电电路延迟线后后的信号进行行相位检测。。门电路延迟迟线并不形成成闭环结构，，所以不存存在VCO电电路，而是形形成一个所谓谓的VCDL（VoltageControlledDelayLine）电路。无源RC延延迟线DLL电路路的每个延延迟单元输输出都同时时送入各Hit寄存存器的相应应D输入端端，当一个个物理事例例信号产生生时，Hit信号经经一个RC延迟线，，产生M个个不同相位位延迟的信信号将当前前DLL的的时钟沿状状态记录下下来。设RC延迟线线的单元延延迟时间等等于tN/M，则所所得到时间间精度为：：Tbin=TRef/N.M，，其其中中，，N为为DLL的的延延迟迟单单元元个个数数，，M为为RC延延迟迟线线的的延延迟迟单单元元个个数数。。基于时间邮戳戳（TimeStamp）技术的的TDC传统的TDC测量时间间间隔采用所谓谓的“Start-Stop”技术术，即用Start信号号启动TDC计数，用Stop信号号停止计数。。把Start和Stop都作为一个个击中（HIT），时间间邮戳（TimeStamp，或或称为时间标标记）技术是是通过记录每每个HIT发发生的时刻，，再由数据处处理电路（如如DSP）计计算得到HIT之间间的时间间隔隔，这已成为为比较通用的的方法。HIT发生的的时刻的记录录是采用“粗粗”计数和““细”时间测测量相结合方方法，“细细”时间测量量采用“延迟迟线”时间内内插和符合方方法。基于时间邮戳戳（TimeStamp）技术的的TDC欧洲粒子物理理实验室推出出的通用性极极强的高集成成度TDC芯芯片HPTDC基于时间间邮戳技术的的TDC，时时间精度为~25ps。。德国ACAM公司的GPX和GP2是基于时间间邮戳技术的的TDC商业业产品。时间间精度也在几几十ps。时间数字转换换芯片TDC-GPX提供最高高10ps精精度时间间隔隔测量，在德德国acam公司引入了了TDC-GPX芯片之之后将时间数数字转换芯器器TDC带入入了一个新的的纪元。德国国acam公公司为高精度度时间数字转转换集成芯片片制造专家，，引入了革命命性的测量新新技术。TDC-GPX这个芯片以以最低10ps(10××10-12秒)的精度和40微秒的测测量范围，成成为医学上呈呈像扫描，导导航系统，导导弹防御系统统，测距仪，，速度测量，，频率相位测测量仪器等等等应用中一个个强有力的测测量工具。当芯片工作在在M-模式下下，GPX的的10ps精精度将1500m的距离离测量量化到到了±1mm距离精度度,峰峰值值为70ps(±5mm).GPX的的最高脉冲频频率182Mhz是这款款芯片成为需需要高采样频频率和高时间间分辨率的3维激光扫描描的理想选择择。四种不同的可可选模式使TDC-GPX有非常广广泛的测量应应用。在I-模式下，GPX芯片提提供了8个LVTTL输输入通道，测测量精度可达达81ps,无限的测量量范围，5.5ns的输输入脉冲最小小间隔。G-,R-和M-模式全部部提供了两两个LVTTL或者两两个LVPECL输入入通道.在在G-模式下下,精度为为40ps,测量量范围为65us,可可测脉冲间间的最低时间间间隔为1.5ns.在在R模式式下,测量量精度达到27ps,测量范围围为40us脉冲对对精度为5.5ns.在M-模式下,精精度可达到到10psrms峰峰峰值精度度为70ps测量范范围为10us。GPX的典型型功耗从39到45mA,使其其非常适合电电池驱动仪器器。为了协助助产品开发和和开始高精度度时间间隔的的测量，ATMD-GPX测量评估估系统可以使使设计工程师师们通过电脑脑对GPX芯芯片的强大性性能进行测量量和评估。ATMD-GPX的硬件件设备可以连连接到个人电电脑上从而使使用户可以通通过电脑软件件轻松设置TDC-GPX的相关寄寄存器。电脑脑则已一定的的通信速度与与GPX芯片片直接通信，，系统使GPX采集测