核电子学与核仪器

核电子学与核仪器覃国秀qinguoxiu198201@163:07947408核技术教研室2021/04/16上次课关键点探测器等效电路核电子学的噪声噪声的衡量：等效噪声电压〔ENV〕等效噪声电荷〔ENC〕等效噪声能量〔ENE〕核电子学中的主要噪声有三类：散粒噪声热噪声低频噪声引入信号的时域分解引入为了求线性系统的零形状呼应，常用的方法是将鼓励信号分解为冲激函数的组合，根据跌加原理，将冲激函数的呼应取和即可得到原鼓励信号引起的呼应。引入卷积的概念对于实践存在的线性系统，当信号在t=0时输入RC电路由科希霍夫定律得出的电路方程传输系数〔1〕RC电路积分电路当输入的是阶跃电压时当由电容端输出，且RC>t时，可以忽略式〔1〕的第二项，此时电容上的电压为：RC电路微分电路当从电阻两端输出，且RC很小时，〔1〕式中的第一项可忽略，此时电阻两端的输出电压为：输入阶跃电压对RC电路充电，经过无限长时间，电容C上曾经充上了电压。某一时辰输入端短路，结果将会怎样？RC电路对指数上升电压的呼应当RC网络输入的是矩形脉冲时，同一RC网络对不同宽度的脉冲，其影响不同。输入：输出：本堂课主要内容：三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.1时域和频域分析3.2核电子学中常见的根本电路分析3.3随机信号经过线性网络四、核电子学丈量系统概述4.1系统的根本组成4.2核电子学常用的信号处置系统4.3核电子学信号处置单元插件规范化三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.1时域和频域分析核辐射探测器的输出信号要经过电子学系统进展处置，才干得到所需求的信息，给出相应的结果。包含一定数量的电子元器件，按照某种方式衔接起来的集合体，称之为电路〔网络、系统〕。线性网络〔由线性元件组成；线性微分方程描画〕非线性网络〔由非线性元件组成；数学分析方法处置〕三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.1时域和频域分析在时域中，一个单位冲激信号δ(t)加到一个线性网络上，所得到的输出信号为h(t)，称为该网络的冲激呼应。在频域中，通常采用傅里叶变换将信号的时域分析转换为频域分析，而H(ω)表示网络对不同频率分量的呼应特性，称为频率呼应。时域频域三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.1时域和频域分析从复频域思索，也可以采用拉普拉斯变换H(s)为线性网络的传输函数，普通一样的传输函数可由不同的网络来实现。三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.1时域和频域分析对于多级串联网络，其总的网络呼应为：富氏变换与拉氏变换过程：三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.1时域和频域分析常用脉冲信号的富氏变换和拉氏变换：单位阶跃脉冲冲激脉冲11单位矩形脉冲指数衰减脉冲三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.2核电子学中常见的根本电路分析探测器的输出电路探测器输出电路等效电路：时域三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.2核电子学中常见的根本电路分析探测器的输出电路探测器输出电路等效电路：频域三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.2核电子学中常见的根本电路分析RC积分电路δ(t)h(t)三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.2核电子学中常见的根本电路分析RC积分电路冲击呼应：频率呼应：三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.2核电子学中常见的根本电路分析CR微分电路时域三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.2核电子学中常见的根本电路分析CR微分电路频域三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.2核电子学中常见的根本电路分析短路延迟线输入输出短路延迟线延迟线又名传输线或仿真线，在核电子仪器中主要用于不失真地延迟信号。延迟线可以看成由很多数值较小的电感和电容组成。它的任务原理可以由两根真实的长导线来模拟。在电压的传输过程中，要思索长线的固有分布参量，令L为单位长度电感，C为单位长度电容，并忽略长线本身的电阻。这样就可以以为两根长导线是由无穷多个电感L和电容C组成。当在长导线始端加上电压V，电压就要依次对电容和电感充电，因此电压由始端传到终端就需求一定的时间。短路延迟线令t为电压传播经过单位长度所需求的时间。在t内电压对电容充电，那么电容得到的电荷为：Q=I×t=C×V当电流流经电感L时，产生感应电动势V，其绝对值为：V=L×I/t那么最后解出当电压加到长线后，在长线中有一定的电流，由欧姆定律来看似乎电压是加到一定的阻抗Z(特性阻抗)上。短路延迟线传播时间(也称延迟时间)和特性阻抗Z是长线特性的两个根本参量。特别是特性阻抗，不能简单的看做是一个阻抗，由于电压V和电流I是在长线上传播的，特性阻抗也随着入射电压而传播。假设RL不等于特性阻抗会怎样？短路延迟线反射电流当RL不等于特性阻抗的时候，假设RL大于Z，那么流过负载的电流就小于入射电流，于是就有多余的电流往始端反射。反射系数由下面的关系可得反射电压和入射电压的关系。三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.2核电子学中常见的根本电路分析短路延迟线冲击呼应：频率呼应：三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.3随机信号经过线性网络核电子学中的随机信号及其表现方式在核电子学中有两类随机信号，即核辐射信号与噪声信号，它与确定信号不同，对确定信号，它可用明确的数学关系式来描画。确定信号三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.3随机信号经过线性网络核电子学中的随机信号及其表现方式由探测器输出的核辐射信号或噪声，由于出现的时辰和幅度大小都是随机的，这种信号只能用统计法处置。随机信号三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.3随机信号经过线性网络核电子学中的随机信号及其表现方式核电子学中的噪声主要是散粒噪声和热噪声，其概率密度函数呈高斯正态分布：三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.3随机信号经过线性网络核电子学中的随机信号及其表现方式噪声电压的平均值和均方值分别为：三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.3随机信号经过线性网络核电子学中的随机信号及其表现方式噪声的平均功率常可用自相关函数和功率谱密度来求得，自相关函数为：平均功率由各频率分量功率之和来求得三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.3随机信号经过线性网络核电子学中的随机信号及其表现方式由于自相关函数表示噪声在时域中的特性，而功率谱密度表示噪声在频域中的特性，这两者是等效的。可以证明自相关函数与功率谱密度函数是一对富氏变换对。白噪声的频域与时域变换三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.3随机信号经过线性网络核电子学中的随机信号及其表现方式在随机信号分析中，白噪声的自相关函数是一理想函数，其作用类似于跃阶函数与冲击函数，实际上只需分析白噪声输入一个网络后的变化，即可得到这个网络的呼应特性。有限带宽的白噪声谱密度与自相关函数三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.3随机信号经过线性网络核电子学中的随机信号及其表现方式核辐射信号的特点：(1)在脉冲幅度上按高斯统计分布；(2)在时间间隔中的脉冲个数按泊松分布；(3)脉冲外形在理想情况下，可看成冲击函数，探测器输出电流脉冲信号，可简化表示为一个强度变化的随机冲击序列：三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.3随机信号经过线性网络核电子学中的随机信号及其表现方式核辐射随机信号的自相关函数和功率谱密度函数为：三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.3随机信号经过线性网络随机信号经过线性网络周期信号经过线性网络随机信号经过线性网络三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.3随机信号经过线性网络随机信号经过常见线性电路的实例白噪声经过RC低通滤波器：功率谱密度及自相关函数为经过RC电路后的呼应为三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.3随机信号经过线性网络随机信号经过常见线性电路的实例白噪声经过RC低通滤波后，滤去了高频部分，但低频和直流部分仍能经过，主要变成低频噪声。三、核电子学中的信号与噪声分析根底3.3随机信号经过线性网络随机信号经过常见线性电路的实例白噪声经过CR高通滤波器的呼应四、核电子学丈量系统概述4.1系统的根本组成核信息丈量系统通常由核辐射探测器和核电子学丈量系统两部分组成。而核电子学丈量系统包括模拟信号获取和处置，模数转换以及数据的获取和处置三部分。四、核电子学丈量系统概述4.2核电子学常用的信号处置系统四、核电子学丈量系统概述4.2核电子学常用的信号处置系统前置放大器

将探测器输出的电荷搜集起来，并转换成适于电缆运传到后续电子设备的电压或电流信号。主放大器主放大器是相对于前置放大器的而言的，它将前置放大器输出的信号进一步放大，到达便于丈量的程度，并使信号成形，有利于准确丈量和分析。四、核电子学丈量系统概述4.2核电子学常用的信号处置系统幅度或时间信息甄别经过处置后的信号，为了判别它们的幅度能否在预定的范围内，需求采用幅度甄别，而为了确定时间参数，需求进展时间甄别。模数转换核辐射探测器输出信号经过各种信号处置电路后，需变换成数字量才干用数字系统进展统计、分析和数据处置。四、核电子学丈量系统概述4.2核电子学常用的信号处置系统数据获取的分析和处置在物理信号转换成数码后，那么由数字系统进展数据获取和处置。多道分析器是数据获取和处置的有效设备，可实现幅度信息、时间信息等分类计数。此外，还常用计数器，计数率器等计数设备可直接记录某一类信号的计数率。四、核电子学丈量系统概述4.3核电子学信号处置单元插件规范化核电子学丈量系统，常因不同的物理丈量要求，组成可以变化的丈量系统，为适用各种不同用途的需求，目前都把具有一定功能的信号处置单元按一定规范要求，做成各种信号处置规范插件。在进展核物理实验的时候，需按整个实验系统的设计，合理选用单元插件，可以较好较快的组成满足一定物理要求的系统，这就要求对各类插件的性能、目的要求以及运用方法、特点，必需有较深化的了解。四、核电子学丈量系统概述4.3核电子学信号处置单元插件规范化目前通用的几种核电子仪器规范化系统名称确定年代主要器件特点标准机箱1950电子管NIM1964-1974晶体管小规模集成电路插件化通用CAMAC1969-1975集成电路与计算机接口快总线系统1975-1979ECL组件比CAMAC快四、核电子学丈量系统概述4.3核电子学信号处置单元插件规范化核电子仪器规范化的任务早在50年代就开场了，随着电子学的开展和物理实验的更高要求，规范化要求在不断更新。NIM(nuclearinstrumentmodule核仪器插件规范)规范是1964年提出的，经过四次修正后，于1974年由国际电工委员会推出为国际规范系列，并为全世界所采用。NIM规范是一个通用电子学插件化的规范(一致了机箱和插件的机械尺寸，供电电压及方式，信号电平的大小)，从而处理了核电子仪器的装配和互换性问题。四、核电子学丈量系统概述4.3核电子学信号处置单元插件规范化随着计算机的运用，需求处理大量数字的信息传送问题，以实现数据搜集和处置系统的规范化，1975年国际电工委员会经过的CAMAC(ComputerAidedMeasurementandControl计算机辅助丈量与控制)规范也被引荐为一种国际仪器规范。它不仅在机箱、插件的构造、电源规范和信号电平等方面，作出了规定，而且在信息传输方式，信号传送的硬件和软件方面也定了规范。随着微处置器和微计算机的迅速开展和普及，出现了分布式处置系统。同时，为了顺应高能物理实验的要求，中心计算机需求处置更复杂、更大量的数据，要求速度更快，希望总线规范向高速度，高度灵敏方向开展。于是又开展了新一代的快总线系统。常用的NIM规范机箱机箱宽度为19英寸；每个规范箱体有12个插进道和12个箱体(插件衔接器)，可以包容12个单插宽度NIM插件，或6个双插宽NIM插件，或4个三插宽插件。普通在机箱后部有NIM规范电源，各种电源经过内部接线引到机箱各电源插座。不过，有的机箱不带电源，另外用插件式电源从前面插入箱内，使各电源插座得到供电。常用的NIM规范插件-箱体衔接器插件后面板上方装有电源插头，机箱每个插道内装有电源插座，插座和插头原设计装有多种信号线，称为插件-机箱衔接器。实践上大都用于电源供电。>电源与地线插孔>保管插孔>备用插孔>同轴接头>±3V和+200V电源>逻辑控制信号常用的NIM规范NIM电源规范a.电源调理范围和电压准确度±24V，±12V，好于±0.5%；±6V