核电子学考点知识讲解

核电子学考点

01

核电子学研究信号的特点

随机性：用概率密度函数描述，要求仪器稳定可靠。

信号弱，但跨度大：提高信噪比，加前置放大器，主放大器，极零相消等。速度快：脉冲成形，反堆积技术。

信号：用于描述和记录消息的任何物理状态随时间变化的过程。（电信号）噪声专指无用或干扰信息

信号在产生、传输和放大过程中都伴随有噪声

噪声是随机的，服从统计规律。其基本特性可用统计平均量或统计函数来描述，主要有：

均方值：表示噪声的强度（用于信噪比计算）

概率密度函数：描述噪声在幅度域内的分布密度

自相关函数：提供噪声在时间域里的相关信息

功率谱密度函数：给出噪声功率在频域里的分布情况

核辐射探测器的结构

核辐射探测器的定义：利用辐射在气体、液体或固体中引起的电离、激发效应或其它物理、化学变化进行辐射探测的器件称为辐射探测器。

探测器按探测介质类型及作用机制主要分为：气体探测器；闪烁体探测器；半导体探测器。

三种探测器的工作原理

气体探测器：入射带电粒子通过气体，使气体分子电离成电子—正离子对时，它们在外加电场作用下分别作漂移运动，相应在平行板电机上产生感应电荷，并在外电路上产生相应的电信号。

闪烁体探测器：射线入射到闪烁晶体时，先使其中的分子或原子激发，然后在退激时发光，光子通过光电效应转换成光电子，随后通过光电倍增管倍增，最后在阳极上收集成为电流脉冲。

半导体探测器：带电粒子在半导体探测器的灵敏体积内产生电子－空穴对，电子－空穴对在外电场的作用下漂移而输出信号。

三种主要探测器的分析可得出如下结论：

(1)核辐射探测器都能产生相应的输出电流i(t)，在电路分析时，可把它等效为电流源；

(2)该输出电流i(t)具有一定形状，具有一定时间特性，所以可用于时间分析；

(3)如在输出电容上取积分电压信号Vc(t)，则Vc(t)正比于E，可做射线能量测量。

气体探测器：电离室、脉冲电离室、正比计数器、G-M计数器

闪烁体探测器：NaI探测器，CsI探测器

半导体探测器：金硅面垒探测器、高纯锗探测器

核辐射探测器的基本性能

探测效率：探测器测到的粒子数与此时实际入射到探测器中的该种粒子总数的比值。

输出幅度大小、稳定性

线性响应（探测器所给出的信息，与入射粒子相应的物理量成线性关系）

分辨率：探测器实际分辨核信息的能力，主要有能量分辨率、时间分辨率、空间分辨率。

噪声与干扰：干扰可在电路和工艺上予以减小或消除，噪声可以设法减小但无法消除

噪声的衡量：信噪比、等效噪声能量、等效噪声电荷、等效噪声电压

核电子学中的主要噪声：散粒噪声、热噪声、低频噪声

02

前置放大器的作用：提高系统的信噪比、减少外界干扰的相对影响、合理布局，便于调节和使用、实现阻抗转换和匹配

前置放大器可分为电压灵敏前置放大器，电荷灵敏前置放大器和电流灵敏前置放大器。

前置放大器的串联噪声和并联噪声 探测器漏电流噪声 电阻RD 热噪声

场效应管栅极漏电流噪声 反馈电阻热噪声

场效应管沟道噪声 场效应管闪烁噪声

降低前置放大器噪声的措施

（1）输入级采用低噪声器件（低温运用的结型场效应管） （2）低温运用 a 噪声较小 （3）减少冷电容C Σ

（4）反馈电阻Rf 和探测器负载电阻RD ，常通过实验选用低噪声电阻，阻值一般在10^9Ω—10^10Ω左右。低温工作

电压和电荷灵敏前置放大器的共同点是：当探测器输出电流脉冲时，都对输入电容充电。它们输出信号幅度都与射线能量成正比，所以均可用于能谱测量。 电流灵敏前置放大器就是对输入电流响应较快的放大器，也称为快前置放大器，它是对探测器输入电流信号直接进行放大，不是积分成电压，而是输出电压或电流幅度与输入电流成正比。用作定时测量。

03

放大器在核测量系统中的作用：放大、滤波成形

放大倍数及其稳定性：在一定的成形电路时间常数条件下，输出脉冲和输入脉冲幅度之比。提高放大倍数的稳定性最有效的方法是采用深度负反馈 放大器的线性：指放大器的输入信号幅度和输出信号幅度之间的线性程度 放大器的噪声和信噪比：采用合适的滤波成形电路来限制频带，就能抑制噪声

放大器的幅度过载特性：放大器工作有一个线性范围，当超出线性范围时，就要产生两种情况：超过线性范围较小时，放大器还能正常工作；当超出线性范围很大时放大器在一段时间内就不能正常工作。这种现象就称为放大器的幅度过载，不能正常工作的时间就称为放大器的死时间。

放大器的计数率过载特性：放大器中，由于计数率过高所引起的脉冲幅度分布的畸变称为放大器的计数率过载。

放大器的上升时间：上升时间主要对信号的前沿而言

谱仪放大器中最常用的反馈形式是电压并联负反馈和电压串联负反馈两种。

反馈的作用，反馈是否可以降低噪声，在放大器中如何降低噪声的干扰？

提高放大倍数的稳定性，改善非线性。不能用负反馈来改善放大器的信噪比，为降低噪声，除了对输入级器件作严格的挑选外，在电路的接法上也需注意。滤波成形电路在谱仪放大器中的作用

抑制系统的噪声，使系统信噪比最佳；使信号形状满足后续分析测量设备的要求。

白化滤波器与匹配滤波器的作用？

白化滤波器：使前置放大器输出的噪声变为白噪声，使后续匹配滤波器的功率谱密度为常数

匹配滤波器：使白化滤波器输出的信号获得最佳信噪比

(o v 弹道亏损:由于入射粒子在探测器中射程及径迹不同，它的电流脉冲持续时间可以有很大的差别。当有一定宽度的电流脉冲输入时，在探测器回路中输出信号幅度总小于冲激信号输入时的输出幅度，这种情况称之为弹道亏损。 谱仪中多采用准高斯型的阻容滤波成形电路，这种电路的时间常数较大，输出信号有一定的峰部和缓慢衰减的尾部。一般可以将脉冲堆积对幅度测量的影响分为峰堆积影响和尾堆积影响。

峰堆积：两个脉冲之间的时间间隔小于第一个脉冲的达峰时间

尾堆积：两个脉冲之间的时间间隔小于分辨时间，大于第一个脉冲的达峰时间 无源滤波成形电路

极-零相消和RC 积分滤波成形电路

极-零相消电路：在几级相串联的系统中，将前级传递函数的极（零）点和后级的零（极）点相消，从而改善输出波形的方法称为极-零相消。 准高斯滤波成形电路

而CR-(RC)m 滤波成形电路能获得准高斯波形的脉冲。 (CR)2-(RC)m 滤波成形电路（双极性滤波成形）