核电子学中的仪器标准.ppt
核磁共振基本原理PPT课件
9/20/2024
四、核磁共振波谱仪
nuclear magnetic resonance spectrometer
1．永久磁铁：提供外磁 场，要求稳定性好，均匀， 不均匀性小于六千万分之 一。扫场线圈。 2 ．射频振荡器：线圈垂 直于外磁场，发射一定频 率的电磁辐射信号。 60MHz或100MHz。
9/20/2024
NMR图
9/20/2024
1.化学位移:
吸收峰所在的相对不同位置. 在照射频率确定时，都是H核，所以吸收峰的位置 应该是相同的,而实际不是这样.
(1).化学位移的由来 —— 屏蔽效应
化学位移是由核外电子的屏蔽效应引起的。
h
E
Ih
H 0
9/20/2024
H核在分子中是被价电子所包围的。因此，在外加 磁场的同时，还有核外电子绕核旋转产生感应磁场H’。 如果感应磁场与外加磁场方向相反，则H核的实际感受 到的磁场强度为：
如果把H核放在外磁场中,由于磁场间的相互作用,
氢核的磁场方向会发生变化:
H' H'
1H 核： 自旋取向数 = 2×1/2 + 1 = 2
9/20/2024
即：H核在外场有两个自旋方向相反的取向。
一 致 H0 相 反
每一种取向都对映一个能级状态，有一个ms 。如： 1H核：标记ms为－1/2 和 +1/2
NMR 谱仪
600 MHz
磁体
9/20/2024
前置放大器
RF 产生 RF 放大 信号检测 数据采集控制 数据信息交流 运行控制 磁体控制
探头
机柜
仪器分析 第十三章 核磁共振波谱分析PPT课件
原子实际上受到的磁场强度B
B= B0-B’=B0-σB0=B0(1-σ)
σ为屏蔽常数， σB0为感应产生的次级磁场强度。
B为氢核真正受到的有效外磁场强度。 核外电子云产生感应磁场，抵消一部分
磁场，产生共振向高磁场方向移动。
2μB
B
h
2
2μB（ 0 1σ）
h
hν B0 2μ(1σ)
B（0 1σ） 2
实际上各种化合物中的氢核的化学环境或结 合情况不同，所产生的共振吸收峰频率不同。
任何原子核都被电子云所包围，当1H核自旋时 ，核周围的电子云也随之转动，在外磁场作用下，会 感应产生一个与外加磁场方向相反的次级磁场，实际 上会使外磁场减弱，这种对抗外磁场的作用称为屏蔽 效应.
1H核由于在化合物中所 处的化学环境不同，核外电 子云的密度也不同，受到的 屏蔽作用的大小亦不同，所 以在同一磁场强度B0 下， 化学环境不同 1H核的共振 吸收峰频率不同。
(3)Ｉ＝1/2的原子核 1H，13C，19F，31P
核电荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自旋，有磁矩产 生，是核磁共振研究的主要对象，H、C也是有机化合物的主 要组成元素。
I=1/2的核自旋能级裂分与B0的关系
• 1H核在磁场 中，由低能级E1向高能级E2跃迁， 所需能量为
△E=E2－E1= B0 －(－B0) = 2 B0
四甲基硅烷 [(CH3)4Si] TMS
TMS
CH3OCH3
TMS
低场
高场 0
化学位移
TMS的优点
1）单峰：TMS分子中有12个氢核，所有质子等同 ，只有一个吸收峰。
2）TMS的屏蔽系数几乎比所有其他物质的都大(电 子云密度大)，处在高场位置，对大多数有机化合 物氢核吸收峰不产生干扰。规定TMS氢核的 =0， 则其他化合物H核的共振频率都在左侧。
核医学仪器设备PPT课件
核医学仪器设备
1
第一节 核医学仪器分类及原理
8
三、断层图像的重建
SPECT常用的是 1、滤波反投影法
2、迭代法：核医学图像重建的首选方法。
9
四、仪器性能指标
1、γ相机性能指标：5点 2、SPECT断层性能指标：3点
10
11
主要临床应用
▪ 骨骼显像 ▪ 心脏灌注断层显像
▪ 甲状腺显像
▪ 局部脑血流断层显像 ▪ 肾动态显像及肾图检查 ▪ 阿尔茨海默症早期诊断
1、能峰测定：每日
2、每日均匀性：每日 3、旋转中心校正：定期
19
二PET/CT部分
1、本底检测 2、空白均匀性扫描
3、标准化设定
4、剂量与SUV值校正 5、PET图像与CT图像的配准校正
20
21
一、设备分类
1、活度计 2、放射防护仪器
3、显像设备
4、计数和功能测定仪器（非显像测定仪器） 5、体外分析仪器
2
二、射线探测的基本原理
1、射线探测的基本原理是以射线与物质相互作用为基础并根据使 用目的而设计，概括其原理主要有：
（1）、电离作用：通过探测器收集和计量射线电离时产生的大量+、 -离子，反映射线的性质和活度。收集电离电荷的探测器常由电离 室或者计数管组成。 （2）、荧光作用：闪烁体接受射线能量而进入激发态，当激发态 的原子退回至低能态时可发出荧光，探测器收集、计量，从而反映 射线的能量和数量。 （3）、感光作用：射线可使感光材料感光，通过感光强弱反映射 线的强度。
核电子学与核仪器
1．说明：核辐射探测器辐射探测器是将入射射线的信息(能量、强度、种类等)转换成电信号或其它易测量信号的转换器，即传感器或换能器。
是用来对核辐射和粒子的微观现象，进行观看和研究的传感器件﹑装置或材料。
2．核辐射探测的要紧内容有哪些？辐射探测的要紧内容有：记录入射粒子的数量(射线强度)，测定射线的种类，确信射线的能量等。
应用要求不同，探测的内容可能不同，利用的辐射探测器也可能不同。
3．常见的核辐射探测器按工作原理可分成哪几类？常见的辐射探测器，按工作原理可分成以下几类:①利用射线通过物质产生的电离现象做成的辐射探测器，例如，电离室、半导体探测器等。
②利用射线通过物质产生荧光现象做成的探测器，例如，闪烁计数器。
③利用辐射损伤现象做成的探测器，例如，径迹探测器。
④利用射线与物质作用产生的其他现象，例如，热释光探测器。
⑤利用射线对某些物质的核反映、或彼此碰撞产生易于探测的次级粒子做成的探测器，例如，中子计数管。
⑥利用其他原理做成的辐射探测器。
4．闪烁计数器由哪几个部份组成？答：闪烁计数器由闪烁体和光电倍增管等组成。
5．核辐射探测器输出的脉冲，其哪些参量与射线强弱、能量大小有着什么样的定性关系？入射射线强时，单位时刻内产生的脉冲数就多一些；入射粒子能量大时，产生的光子就多，脉冲幅度就大一些，从这些情形即可测知射线的强度与能量。
6．对用作核辐射探测器的闪烁体有哪些要求？①闪烁体应该有较大的阻止本领，如此才能使入射粒子在闪烁体中损耗较多的能量，使其更多地转换为光能，发出较亮的闪光。
为此，闪烁体的密度及原子序数大一些对测量γ射线是适合的。
②闪烁体应有较大的发光效率(也称转换效率)。
③闪烁体对自己发出的光应该是透明的，如此，闪烁体射出的光子能够大部份(或全数)穿过闪烁体,抵达其后的光电倍增管的阴极上，产生更多的光电子。
④闪烁体的发光时刻应该尽可能短。
闪烁体的发光时刻越短，它的时刻分辨能力也就越强，在必然时刻距离内，能够观测的现象也就更多，能够幸免信号的重叠。
核电子学中的仪器标准.ppt
2019-10-6
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1
2019-10-6
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2
• 机械和电气标准：核电子学信号处理设备的插 件化、标准化，核电子学仪器在机箱、插件的 机械结构、电源标准和信号电平等方面做出了 规定。
• 总线标准：现代计算机技术在核电子学系统的 应用，实现数据采集和处理系统的标准化，在 信息传输方式、信号传送的硬件和软件方面定 了标准。
国内外也都按NIM标准设计和生产。
• NIM标准的确立大大提高了核电子学仪器的机械 互换性和电气互换性。
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5
NIM机箱和插件结构
电源的 标准化
机箱和插件的 尺寸标准化
机箱：19英寸宽，7英寸高，可以容纳十二个单倍宽的NIM插件。
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NIM信号标准
正逻辑标准：为电压信号，用在中低速逻辑电路（dc到 1MHz）。
–一般功能插件实现一个独立的功能，用若干个插件可 以组合成一个较复杂的系统。
–机箱控制器用来控制机箱内各插件的动作并提供 CAMAC数据路与外部计算机之间的通讯接口功能。
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15
CAMAC系统的组成框图举例
2019-10-6
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FASTBUS
总线标准向高速度、高度灵活方面发展，因 此核电子学仪器又发展了新一代总线-快总线 （FASTBUS），数据的速度比CAMAC大约 快一个量级。“快总线”插件，电路采用 ECL组件，功耗较大，机箱散热成了专门问 题。
2019决-10-了6 大量数据输入输出的谢问谢聆题听。
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插件化
VME 机箱
核电子学第3课探测器及其输出信号PPT课件
一、核辐射探测器及其输出信号
1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号
线性响应
在一定范围内探测器所给出的信息，与入射粒子相应的 物理量是否成线性的标志。
稳定性
通常，温度和电源的变化会引起探测器性能的不稳定； 因此，探测器对工作环境温度和高压电源供电电压的 稳定性有一定要求。
另外，衡量探测器性能还有抗辐射损伤，粒子鉴别能力 等。
一、核辐射探测器及其输出信号
1.4核辐射探测器的输出电路
一、核辐射探测器及其输出信号
1.4核辐射探测器的输出电路
脉冲电离室
一、核辐射探测器及其输出信号
1.4核辐射探测器的输出电路
脉冲电离室
脉 冲 电 离 室 输 出 波 形
一、核辐射探测器及其输出信号
1.4核辐射探测器的输出电路
半导体探测器
一、核辐射探测器及其输出信号
1.4核辐射探测器的输出电路
1.5核辐射探测器输出信号的数学模拟
各类核辐射探测器通过后接输出电路，将被测量 的核辐射信息转换成具有一定特性形状的波形。 当信号延迟时间与输出电路时间常数相比小得多 时，可以认为核辐射探测器信号主要以脉冲形式 出现，探测到的单个或一群粒子转化成单个或一 系列电脉冲，而且，当电荷收集时间较短时，可 以认为是一种持续时间极短的电流冲击脉冲。
核辐射探测器可以看成为一个电流信号源 i(t)，在 作时间测量时，由于要求保持时间信息，可以直 接利用这种电流源的时间特性。在作能谱分析时， 因为与能量成正比的量是探测器收集的电荷或电 荷在电容上的积分电压，所以要求探测器输出电 荷或电压信号。如果既要作时间测量，又要作能 量测量，则应要求探测器既输出电流信号又输出 电荷信号。
核电子仪器标准化NIM和CAMAC
核电子仪器标准化核电子仪器标准化standardization of nuclear electronic instrument由于半导体技术的发展，核电子学仪器均采用积木式（即插件式）结构，因此需要对插件实行标准化。
在这方面，首先需要解决仪器的机械和电气互换性和信息传递的规范问题。
核仪器插件(NIM) 标准，是最早制订的核电子仪器标准。
它是美国原子能委员会核仪器插件标准委员会于1964年制订的。
1974年，国际电工委员会(IEC)TC-45技术委员会把NIM标准作为核电子仪器的国际标准予以推荐。
1975年中国核电子仪器的研制和生产单位已开始采用这一标准。
NIM标准包括仪器箱体、插件的基本结构、尺寸、供电电压、联接方式、信号的输入输出等项标准。
其主要内容有:采用19英寸（482.6毫米）箱体、插件标称高度221.5毫米、深245.7毫米、单位宽度34.3毫米。
每个箱体中可容纳12个单宽插件，或其他倍宽插件的组合。
供电电压规定为±24伏、±12伏、±6伏插件与箱体通过标准的42芯针式插接件相连接。
模拟信号为0～+1伏、0～+10伏、0～+100伏三类慢逻辑的低电平为+1伏～+2伏,高电平为+4伏～+12伏。
快逻辑的低电平为-1～+1毫安，高电平为-14～-18毫安(阻抗为50欧)。
1983年，在NIM标准上增添了数字总线，称为NIM/GPIB标准,从而使NIM标准的性能更为完善。
由于大量核数据和粒子数据获取和处理的需要，60年代末期，电子计算机的在线应用已为世界各国所重视。
1968年,欧洲核电子学标准化委员会(ESONE)制订了计算机自动测量和控制(CAMAC)标准。
不久，美国NIM委员会和美国电气及电子工程师协会(IEEE)接受了这个标准。
1974年，国际电工委员会TC-45技术委员会把CAMAC标准作为国际标准予以推荐。
19 77年，中国核电子仪器研制和生产单位也已采用这一标准。
核医学仪器
核医学仪器Document number：PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998第二章核医学仪器核医学仪器是指在医学中用于探测和记录放射性核素放出射线的种类、能量、活度、随时间变化的规律和空间分布等一大类仪器设备的统称，它是开展核医学工作的必备要素，也是核医学发展的重要标志。
根据使用目的不同，核医学常用仪器可分为脏器显像仪器、功能测定仪器、体外样本测量仪器以及辐射防护仪器等，其中以显像仪器最为复杂，发展最为迅速，在临床核医学中应用也最为广泛。
核医学显像仪器经历了从扫描机到γ照相机、单光子发射型计算机断层仪（single photon emission computed tomography，SPECT）、正电子发射型计算机断层仪（positron emission computed tomography，PET）、PET/CT、SPECT/CT 及PET/MR的发展历程。
1948年Hofstadter开发了用于γ闪烁测量的碘化钠晶体；1951年美国加州大学Cassen成功研制第一台闪烁扫描机，并获得了第一幅人的甲状腺扫描图，奠定了影像核医学的基础。
1957年Hal Anger研制出第一台γ照相机，实现了核医学显像检查的一次成像，也使得核医学静态显像进入动态显像成为可能，是核医学显像技术的一次飞跃性发展。
1975年M. M. Ter-Pogossian等成功研制出第一台PET，1976年John Keyes和Ronald Jaszezak分别成功研制第一台通用型SPECT和第一台头部专用型SPECT，实现了核素断层显像。
PET由于价格昂贵等原因，直到20世纪90年代才广泛应用于临床。
近十几年来，随着PET/CT的逐渐普及，实现了功能影像与解剖影像的同机融合，使正电子显像技术迅猛发展。
同时，SPECT/CT及PET/MR的临床应用，也极大地推动了核医学显像技术的进展。
第一节核射线探测仪器的基本原理一、核射线探测的基本原理核射线探测仪器主要由射线探测器和电子学线路组成。
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–机箱控制器用来控制机箱内各插件的动作并提供 CAMAC数据路与外部计算机之间的通讯接口功能。
2019-7-23
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15
CAMAC系统的组成框图举例
2019-7-23
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FASTBUS
总线标准向高速度、高度灵活方面发展，因 此核电子学仪器又发展了新一代总线-快总线 （FASTBUS），数据的速度比CAMAC大约 快一个量级。“快总线”插件，电路采用 ECL组件，功耗较大，机箱散热成了专门问 题。
核电子学中的仪器标准
2019-7-23
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1
2019-7-23
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• 机械和电气标准：核电子学信号处理设备的插 件化、标准化，核电子学仪器在机箱、插件的 机械结构、电源标准和信号电平等方面做出了 规定。
• 总线标准：现代计算机技术在核电子学系统的 应用，实现数据采集和处理系统的标准化，在 信息传输方式、信号传送的硬件和软件方面定 了标准。
2019-7-23
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NIM标准小结
• 最早的核电子学标准
– 机械标准：机箱和插件 – 电气标准：电源和信号
• 模拟设备标准，数字改良标准NIM+GPIB。但这 种CCNIM设备比较少。
2019-7-23
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随着计算机技术的发展和其在核电子学中的应用，
为了实现数据采集和处理系统的标准化，当代的 核电子学仪器除了在机箱、插件的机械结构、电 源标准和信号电平等方面做出了规定之外，还在 信息传输方式、信号传送的硬件和软件方面定了 标准。这就是总线标准。
NIM信号标准
慢线性信号标准： • 幅度：0~1V 或0~10V； • 上升时间：50ns； • 宽度：0.5~100s； • 输入阻抗、输出阻抗无统一标准，现有插件（ORTEC）
中一般为输入阻抗1k，输出阻抗一般有两种：前面板 为<1，后面板93
快线性信号标准： • 幅度：0~ -1V，0~ -5V或 0~ -10V； • 上升时间：<50ns； • 宽度：<1s； • 输入阻抗50，输出阻抗很大或<1。
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PCI总线和USB总线
• PCI总线：
– 1993年， Intel公司，外围设备互连总线 （Peripheral Component Interconnect-PCI）
– 1997年美国NI公司，PXI模块化仪器总线
• USB串行总线：
– 1995年， 美国多家公司，高性能串行数据总线
（Universal Serial Bus-USB）
正逻辑标准：为电压信号，用在中低速逻辑电路（dc到 1MHz）。
电平标准
输出（必须送出） 输入（必须反应）
‘1’ +4~ +12 V
+3~ +12 V
‘0’ +1~ -2 V
+1.5~ -2V
上升时间 10ns~ 100ns 宽度 0.1~1s
输入阻抗1k 输出阻抗 10 或50
工业界的通用总线，近年来广泛应用于 核电子学领域
2019-7-23
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4
NIM标准
• Nuclear Instrument Module
• 最早提出的核电子学插件化的标准。NIM标准是
在计算机大量普及前制定的，因此，一般用于模 拟信号处理系统。
• 目前，除了前置放大器之外，所有进行模拟信号 处理的设备以及模数变换、计数电路等设备，在
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292019-7-23谢谢您的观赏17
核科技领域专用总线的退出
CAMAC总线和FASTBUS总线没有在其它领域得 到推广，市场很小，因而不仅成本很高，而且兼 容性、开放性、可靠性和可维护性等方面都存在 问题。当今，在核科学和技术领域多采用工业界 的通用总线。
2019-7-23
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工业通用总线在核科技领域的使用
电流标准
输出（必须送出） 输入（必须反应）
‘1’ -14~ -18 mA
-12~ -36 mA
‘0’ -1~ +1mA
-4~ +4 mA
上升时间 2ns~ 10ns，宽度不重要，前沿触发（在 ORTEC插件中信号的典型上升时间为2ns）。
输入阻抗、输出阻抗 50
**由于信号的快上升时间，在负的快逻辑信号处理中必须 考虑电缆匹配的问题。
2019决-7-2了3 大量数据输入输出的谢谢问您的题观。赏
20
插件化
VME 机箱
96芯的插针式插座， 提供了插件之间的 联系，包括电源线、 数据线、控制线和
状态线
2019-7-23
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VME 系统
专用VME 控制单板机
模拟设备 NIM系统
VME数据 获取系统
2019-7-23
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国内外也都按NIM标准设计和生产。
• NIM标准的确立大大提高了核电子学仪器的机械 互换性和电气互换性。
2019-7-23
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5
NIM机箱和插件结构
电源的 标准化
机箱和插件的 尺寸标准化
机箱：19英寸宽，7英寸高，可以容纳十二个单倍宽的NIM插件。
2019-7-23
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6
NIM信号标准
ECL Logic Signals
2019-7-23
Output (must deliver) Input (must respond to) High state –0.81 to –0.98 V(-0.9V) –0.81 to –1.13 V Low state 谢–谢1.您63的t观o赏–1.95 V(-1.8V) –1.48 to –1.95 V8
TTL Logic Signals
Output (must deliver) Logic 1 +2.4 to +5 V Logic 0 0 to +0.4 V
Input (must respond to)
+2 to +5 V 0 to +0.8 V
2019-7-23
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7
NIM信号标准
快（负）逻辑标准：为电流信号，流入阻抗为50的负载， 用于高速逻辑电路中。
– 计算机和仪器设备等均配备了USB端口
2019-7-23
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23
核电子学中的仪器标准总结
• NIM(-GPIB)标准： 最早发展起来的核电子学标准，模拟仪器
• CAMAC标准
核电子学领域的专业总线，没能在其他领
• FASTBUS 标准 域得到推广
• VME-VXI标准 • PCI-PXI标准 • USB标准
个人仪器
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虚拟仪器的发展取决于三个重要因素。①计算机是 载体,②软件是核心③高质量的A/D采集卡及放大器 是关键。
虚拟仪器
2019-7-23
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27
2019-7-23
网络化仪器
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28
实验课
• NaI（Tl）慢计数系统 • 半导体能谱仪系统 • 符合测量系统
2019-7-23
• VME计算机总线和在其基础上发展的VMEBus模 块化仪器总线
• PCI计算机外围设备总线和在其基础上发展的PXI 模块化仪器总线
• USB计算机串行总线
2019-7-23
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VME总线
• 面向高性能微处理机M68XXX开发的系统总线，起源于美 国MOTOROLA公司。
• VME（VersaModule Eurocard）总线是一种通用的计算 机总线，经过多年的改造升级，基于VME系统的产品遍及 了工业控制、军用系统、航空航天、交通运输和医疗等领 域，在核电子和高能物理实验领域也已经广泛应用。
此处只涉及核科学和技术领域的总线技术
2019-7-23
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3
核电子学中的仪器和总线标准
• NIM(-GPIB)标准： 最早发展起来的核电子学标准，模拟仪器
• CAMAC标准
核电子学领域的专业总线，没能在其他领
• FASTBUS 标准 域得到推广
• VME-VXI标准 • PCI-PXI标准 • USB标准
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13
CAMAC 机箱
数据路：86芯的印制板插 座，提供了插件之间的联 系，包括电源线、数据线、
控制线和状态线。
2019-7-23
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14
CAMAC系统的组成
• 由机箱(Crate)和插件(Plug-in Module)组成，插件 又分为一般功能组件(Module)和机箱控制器(Crate Controller)。
• 1987年推出的VXIbus系统是一种用于模块化仪器的总线 系统。VXIbus系统具有模块式结构、高速数传、系统组建 及使用灵活方便、易于充分发挥计算机效能和标准化程度 高等诸多优点，得到迅速发展和推广。
• 最大特点：改变了CAMAC和FASTBUS通过控制器对总
线进行控制的方式，每个插件都可以对总线进行控制，解
2019-7-23
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12
CAMAC标准
Computer Automated Measurement And Control
核电子学仪器中的第一代总线标准
规定了机箱和插件的机械尺寸，供电方式和供电标
准外，还在信息传输方式、信号传递的硬件和软件 方面也规定了标准。
2019-7-23
机械标准、电气标准、总线标准
2019-7-23