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类型第一章核电子学系统中的信号与噪声.ppt

  • 上传人:fmgc7290
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  • 上传时间:2019-06-19
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    第一章核电子学系统中的信号与噪声.ppt
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    1、核科学技术学院核电子学,第一章 核电子系统中的 信号与噪声,1.核辐射探测器及其输出信号 ! ! !2.核电子学中的噪声3 核电子学中的信号与噪声分析基础 ! ! !4 核电子学测量系统概述,基 本 内 容,核辐射探测器输出信号特点, 核电子学中的信号噪声分析基础。,目 的 与 要 求,(1)掌握核辐射探测器输出信号的特点。 (2)熟练掌握核电子学系统中的信号和噪声分析基础。 (3)了解:核电子学测量系统的组成。,1.核辐射探测器及其输出信号,一、核辐射探测器的要求和特点 二、核辐射探测器的主要类别和输出信号 三、核辐射探测器的基本性能 四、核辐射探测器的输出电路 五、核辐射探测器输出信号的数

    2、学模拟,核物理和粒子物理实验中,基本的测量方法? 核电子学的研究对象是什么?,一、核辐射探测器的要求和特点,核电子学所研究的是如何处理和分析核辐射探测器给出的信号。通常核辐射探测器的输出信号是一系列幅度大小不一、波形不尽一致、前后间隔疏密不匀出现的时间随机分布的电荷或电流脉冲。 由脉冲及相关参数所得到的信息 脉冲所携带的电荷量(入射粒子能量;能谱) 脉冲出现的准确时刻(粒子入射的准确时刻;时间谱) 单位时间内的脉冲数(入射粒子数;强度、剂量) 脉冲的形状(入射粒子类型),核物理和粒子物理实验中,最基本的测量过程是,核辐射测量中,最基本的特点是它的统计性,因为在核辐射探测器中,射线与物质相互作用

    3、的过程是随机的,且核衰变过程也是也是以一定的概率性来表现的;所以,必须对大量事物的统计规律作出相应的处理和分析。 核电子学信号的特点 随机性(时间、幅度) 信号弱,但跨度大( V几十伏) 速度快,输出信号的特点,探测器输出信号为随机脉冲 时间特性 幅度分布的非周期性 非等值性 由于信号统计性,要求核电子学用独特方法处理和研究,二探测器类别和输出信号,探测器,对于辐射是不能感知的,因此人们必须借助于辐射探测器探测各种辐射,给出辐射的类型、强度(数量)、能量及时间等特性。即对辐射进行测量。,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

    4、辐射探测器。,(1)核辐射探测器实质上就是一个能量-电荷转换器,用于把抽象的核辐射信息转换成具体的电信号; (2)对核辐射信息的处理实际上就是对探测器输出信号的处理,从探测器输出信号中提取出核辐射信息,并转换成相应的物理量; (3)核辐射探测器通常可以看成是一个电流源; (4)不同的探测器,其能量-电荷转换过程及持续时间是不同的,输出信号各有其特点,需采用不同的处理方法或手段。,探测器类别和输出信号,探测器按探测介质类型及作用机制主要分为:,气体探测器;闪烁探测器;半导体探测器。,(一)气体探测器,气体中离子与电子的运动规律 气体的电离与激发入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用,使电子获

    5、得能量而引起原子的电离或激发。入射粒子直接产生的离子对称为原电离。初电离产生的高速电子足以使气体产生的电离称为次电离。总电离 =原电离+ 次电离平均电离能w:带电粒子在气体中产生一电子离子对所需的平均能量。对不同的气体,w大约为30eV。,产生电子-离子对数,F-法诺因子 A-气体放大倍数 -平均电离能量(产生对电子、离子对所需平均能量2040 ev) Q=Ne e-1.6*10-19c 形成感应电流 i(t)=Q(t)/t (与位置漂移速度有关 ) 通过电容器积分得电压,气体中离子与电子的运动规律 电子与离子在气体中的运动当存在外加电场的作用情况时,离子和电子除了与作热运动的气体分子碰撞而杂

    6、乱运动和因空间分布不均匀造成的扩散运动外,还有由于外加电场的作用沿电场方向定向漂移。离子的飘移:在存在电场的情况下,两次碰撞之间离子从电场获得的能量又会在碰撞中损失,离子的能量积累不起来。电子的漂移:电子与气体分子发生弹性碰撞时,每次损失的能量很小,因此,电子在两次碰撞中由外电场加速的能量可积累起来。,电离室的工作机制 电离室的工作方式(1) 脉冲型工作状态记录单个入射粒子的电离效应,处于这种工作状态的电离室称为:脉冲电离室。(2) 累计型工作状态记录大量入射粒子平均电离效应,处于这种工作状态的电离室称为:累计电离室。,1.2电离室的工作机制 电离室的基本机构不同类型的电离室在结构上基本相同,

    7、典型结构有平板型和圆柱型。高压极(K):正高压或负高压;收集极(C):与测量仪器相联的电极,处于与地接近的电位;保护极(G):又称保护环,处于与收集极相同的电位;负载电阻(RL):电流流过时形成电压信号。,平板型电离室,圆柱型电离室,脉冲电离室电离室处于脉冲工作状态,电离室的输出信号仅反映单个入射粒子的电离效应。可以测量每个入射粒子的能量、时间、强度等。脉冲电离室的输出信号:电荷信号,电流信号,电压信号。,电离室是一个理想的电荷源(其外回路对输出量无影响)。,Q=Ne,i(t)=Q(t)/t,电流信号i(t)的时间持续过程,主要与电子和离子的漂移速度有关。通常,在电离室中电子漂移速度较快,约微

    8、秒量级,而离子漂移速度慢得多,约毫秒量级。,电离室的输出信号需要用电子仪器来测量。,气体 电离室,前置 放大器,放大器,单道或多道脉冲分析器,耐高压隔直电容C,正比计数器(Proportional Counters)正比计数器中,利用碰撞电离将入射粒子直接产生的电离效应放大了,使得正比计数器的输出信号幅度比脉冲电离室显著增大。对直接电离效应放大的倍数称为“气体放大倍数”,以A表示,在一定的工作条件下,A保持为常数。正比计数器属于非自持放电的气体电离探测器。,正比计数器结构上必须满足实现碰撞电离的需要,而在强电场下才能实现碰撞电离。,G-M计数管G-M计数管是由盖革(Geiger)和弥勒(Mue

    9、ller)发明的一种利用自持放电的气体电离探测器。G-M管的特点是:制造简单、价格便宜、使用方便。灵敏度高、输出电荷量大。G-M管的缺点是:死时间长,仅能用于计数。,G-M计数管 G-M计数管的典型结构及性能G-M管主要有圆柱型和钟罩型两种。 圆柱型主要用于射线测量,而钟罩型由于有入射窗,主要用于,射线的测量。,半导体探测器,工作原理:固体电离室 (Ge)=2.96eV (Si)=3.61eV,半导体探测器,半导体探测器的基本原理是入射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。我们把气体探测器中的电子离子对、闪烁探测器中被打拿极收集的电子 及半导体

    10、探测器中的电子空穴对统称为探测器的信息载流子。产生每个信息载流子的平均能量分别为30eV(气体探测器),300eV(闪烁探测器)和3eV(半导体探测器)。,半导体探测器的特点:(1) 能量分辨率最佳;(2) 射线探测效率较高,可与闪烁探测器相比。常用半导体探测器有:(1) P-N结型半导体探测器;(2) 锂漂移型半导体探测器;(3) 高纯锗半导体探测器。,半导体探测器,半导体的基本性质 半导体作为探测介质的物理性能1)平均电离能入射粒子在半导体介质中平均产生一对电子空穴需要的能量。2)载流子的漂移由于电子迁移率n 和 空穴迁移率p 相近,与气体探测器不同,不存在电子型或空穴型半导体探测器。,半

    11、导体探测器,P-N结半导体探测器 P-N结半导体探测器的类型1) 扩散结(Diffused Junction)型探测器采用扩散工艺高温扩散或离子注入;材料一般选用P型高阻硅,电阻率为1000;在电极引出时一定要保证为欧姆接触,以防止形成另外的结。 2) 金硅面垒(Surface Barrier)探测器一般用N型高阻硅,表面蒸金50100g/cm2 氧化形成P型硅,而形成P-N结。工艺成熟、简单、价廉。,半导体探测器,P-N结半导体探测器 P-N结半导体探测器的输出电路,半导体探测器,高纯锗半导体探测器采用高纯度的P型Ge单晶,一端表面通过蒸发扩散或加速器离子注入施主杂质(如磷或锂)形成N区 和

    12、 N+,并形成P-N结。另一端蒸金属形成P+,并作为入射窗。两端引出电极。,HPGe半导体探测器可在常温下保存,低温下工作。,QVE,半导体探测器,HPGe半导体探测器的应用HPGe和Ge(Li)用于组成谱仪:锗具有较高的密度和较高的原子序数(Z=32)。 谱仪的应用:活化分析;X射线荧光分析;核物理研究等。 Si(Li)探测器:由于Si的Z14,对一般能量的射线,其光电截面仅为锗的1/50,因此,其主要应用为:低能量的射线和X射线测量,在可得到较高的光电截面的同时,Si的X射线逃逸将明显低于锗的X射线逃逸;对粒子或其他外部入射的电子的探测,由于其原子序数较低,可减少反散射。,半导体探测器,利

    13、用辐射在某些物质中产生的闪光来探测电离辐射的探测器。,高压,多道或单道,(二)闪烁体探测器,闪烁探测器的工作过程:,(1) 辐射射入闪烁体使闪烁体原子电离或激发,受激原子退激而发出波长在可见光波段的荧光。,(2) 荧光光子被收集到光电倍增管(PMT)的光阴极,通过光电效应打出光电子。,(3) 电子运动并倍增,并在阳极输出回路输出信号。,闪烁探测器可用来测量入射粒子的能量。,闪烁探测器,闪烁体探测器,闪烁体分子或原子激发,退激发荧光,经光电信号增量成光电子并倍增。 输出电流 i(t)=(Q/0)e-t/0 Q-阳极收集总电荷 0- 光脉冲衰减时间,总结,一、气体探测器(原理、工作机制、脉冲电离室

    14、、正比计数器、G-M计数管)二、半导体探测器(原理、半导体性质、P-N结半导体探测器、高纯锗半导体探测器) 三、闪烁体探测器(原理、闪烁体、光电倍增管、单晶闪烁谱仪),三种探测器输出信号特点小结,对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。,三、探测器的基本性能,1、探测效率,电荷数,V/(MeV),2、输出幅度大小,3、分辨率(能量、时间、空间),FWHM

    15、(半高全宽) FWTM(十分之一高全宽),能量分辨率反映了谱仪对不同入射粒子能量的分辨能力。,能量分辨:半导体最佳,气体探测器其次,闪烁体 探测器较差。 时间分辨:闪烁体探测器为优。,4、线性响应探测器的线性是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之间是否成线性变化关系,比如探测器产生的离子对平均值 与所消耗的粒子能量E之间是否有线性变化。 5、稳定性稳定性是描述探测器的性能变化随温度及电源变化的指标。稳定性越好,这种随动性越小。另外,衡量探测器性能还有抗辐射损伤,粒子鉴别能力等。,探测器的基本性能,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

    16、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。,四、核辐射探测器的输出电路,1. 脉冲电离室 图1.1.6 (a)、(b)、 ( c)、( d)、(e) R=RL / Ri C= CO+ Cs + Ci RC T+ Vm=Ne/C,2半导体探测器 图1.1 .7 (a)、(b)、(c)。RD偏置电阻;Rd灵敏区电阻;RC非灵敏区电阻电容;Ri、Ci输入电阻电容;Cs 分布电容、Cc隔直电容,3.闪烁探测器 图

    17、1.1.8 (a)、(b)、(c)、(d)、(e) R=Ra/Ri, C=Co+Cs+Ci 阳极输出电流 ia(t)=Q/0 e-t/0 电压 vo(t)= (Q/C)RC/(0RC)e-t/a-e-t/RC Vam = (Q/C)(RC/0) 1/(1-RC/0) Ra:104105,闪烁探测器输出电压脉冲信号,由等效电路得:,求解得:,两种脉冲工作状态:电压脉冲和电流脉冲。,电压脉冲型工作状态,电流脉冲型工作状态,条件,脉冲前沿,脉冲幅度,脉冲后沿,慢:缺点,快:优点,大:优点,小:缺点,实际应用中,为得到较大幅度和较小宽度,取,且要尽量减小,Ci不变,输出电压随Ri的变化。,Ri不变,输

    18、出电压随Ci的变化。,五、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(持续)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。,在数学上,引入单位冲击函数,则电流脉冲可用冲击脉冲来模拟。,流冲击脉冲i(t)=Q*(t-t0),五、输出信号的数学模拟,冲击序列I( t)=,五、输出信号的数学模拟,核信号的统计性决定了处理问题的特殊性。上述表达式作为核电子学电路的输入信号,它为后续

    19、电路对信号的处理和研究提供了数学模拟。,噪声对核测量的影响当实际获取核辐射探测器输出的能量或时间信息时,不可避免会遇到探测器和核电子学本身所固有的噪声。这种噪声叠加,混杂到信号上,将使核辐射测量系统的能量或时间分辨能力受到影响。因此,要精确分析核探测器信号,噪声是提高测量精度的严重障碍。,2.核电子学中的噪声,噪声对核测量的影响 噪声与干扰干扰:主要是指空间电磁波感应,工频交流电网 的干扰,以及电源纹波干扰等外界因素。(可在电路和工艺上予以减小或消除) 噪声:是由所采用的元器件本身产生的。(可以设法减小但无法消除),一、噪声对核测量的影响,噪声的衡量通常,噪声电流式电压的时间平均值等于零。但是

    20、只要有噪声存在,其平均功率肯定不为零。所以采用均方值作为噪声大小的衡量尺度。由于噪声是随机地重迭在信号电压上,它会使原来代表单一能量的信号幅度在平均值上下作统计起伏。所以常用信噪比来衡量噪声对测量精度的影响。,一、噪声对核测量的影响,噪声的衡量,信噪比:,一、噪声对核测量的影响,等效噪声电压(ENV)考虑到系统的输出电压实际上反应了输入端所测的物理量,所以一般噪声的衡量也应由输出端折算到输入端,便于与输入端所测的物理量作比较。,等效噪声电压:,一、噪声对核测量的影响,等效噪声电荷(ENC)为了判断核谱测量系统对电荷量、能量的分辨程度,也可将系统的输出端噪声折算到输入端,给出噪声所对应的等效噪声

    21、电荷或等效噪声能量。,等效噪声电荷:,一、噪声对核测量的影响,等效噪声能量(ENE)由于单位电荷为e,可以算出输入端等效的电子-离子对数(ENN),等效噪声能量:,一、噪声对核测量的影响,如果探测器固有的能量分辨率半高宽为(FWHM)DE,则由于噪声叠加,系统的能量分辨率变坏。,核电子学中的主要噪声有三类:散粒噪声(探测器漏电流的噪声、场效应管栅极漏电流噪声)热噪声(场效应管的沟道热噪声、电阻原件的热噪声)低频噪声(场效应管闪烁噪声),二、噪声的分类与噪声源,散粒噪声在电子器件或半导体探测器中,由于载流子产生和消失的随机涨落,形成通过器件的电流瞬时波动。,二、噪声的分类与噪声源,2.2噪声的分

    22、类与噪声源 散粒噪声从频域分析可知,在任一段频率内,这种散粒噪声电流的均方值为:具体到半导体探测器和放大器中,在半导体内主要是由于反向电流的涨落引起的散粒噪声;而放大器则主要是由于场效应管栅极和栅极绝缘材料的漏电,造成栅极漏电流的涨落。,2.2噪声的分类与噪声源 热噪声由导体或电阻中载流子的热运动,使电路中的电流产生涨落造成。(与电路的外加电压和平均电流无关,主要与温度有关),2.2噪声的分类与噪声源 热噪声一般,在任一段频率内,这种热噪声电流的平均值可表示为:,热噪声不仅存在于电阻元件中,同样,也存在与场效应管导电沟道中。,二、核电子学中的噪声,2.2噪声的分类与噪声源 低频噪声在合成炭质电

    23、阻和晶体管,场效应管中,还存在一种随频率降低而增大的低频噪声。它的噪声电压均方值为:,场效应管也有低频噪声,它和材料的表面特性以及沟道中空间电荷区的陷阱等因素有关,其等效电路如图所示。,小结散粒噪声和热噪声的特点:,散粒噪声是由载流子产生和消失的随机性引起的电流起伏,它体现了载流子数目的涨落。 例如 真空二极管,管内电子密度小,碰撞次数少,电子在电场作用下积蓄起来的漂移速度比热运动平均速度大得多。因此阴极发射电子数的瞬时波动成为电流涨落的主要因素。一般散粒噪声有如下特点:(1)散粒噪声和电子(载流子)的热运动速度无关;(2)平均电流大,电子数涨落大,噪声电流也大。,热噪声是由载流子热运动引起的

    24、电流或电压涨落,通常:是在载流子大量存在的情况下发生的。 例如 在电阻或导体中,碰撞使自由电子的速率和运动方向频频改变,即使在电阻两端加上电压,电子获得的漂移速度通常仍然比热运动平均速度小很多,热运动始终是电流涨落的主要原因。一般热噪声有如下特点:(1)热噪声和电阻或导体的温度有关,温度升高,热运动加剧,噪声电流或电压增加;(2)热噪声电流与外加电压或流过电阻的平均电流无关。,散粒噪声和热噪声都起因于许多彼此独立的随机事件。 在时间域里,它们都可以表示为随机的脉冲序列;前者的脉冲宽度等于载流子的渡越时间,例如为毫微秒级;后者平均脉宽取决于载流子每秒碰撞次数的倒数,例如为微微秒级。 在通常的条件

    25、下,都可近似为随机的冲击序列。 它们具有共同的统计特性:都是平稳随机过程,功率谱密度近似为常数(白噪声),通常脉冲宽度远小于脉冲的平均间隔,因此总噪声电压(或电流)是很多随机脉冲迭加的结果,在幅度域内服从高斯分布。,3 核电子学中的 信号与噪声 分析基础,信号与噪声分析基础,信号和噪声可以在时域里分析,也可以用傅里叶变换和拉普拉斯变换在频域和复频域里分析。信号或者噪声,可以在时间域里研究它们的时间函数,也可以在频率域内分析它们的频谱。通过傅里叶变换(简称傅氏变换),可以建立起信号的时域波形和频谱之间的对应关系。,74,傅里叶生平,1768年生于法国 1807年提出“任何周期信号都可用正弦函数级

    26、数表示”1822年首次发表在“热的分析理论” 一书中,75,傅立叶的两个最主要的贡献,“周期信号都可表示为谐波关系的正弦信号的加权和”傅里叶的第一个主要论点 “非周期信号都可用正弦信号的加权积分表示” 傅里叶的第二个主要论点,傅里叶变换分析的直观说明, :把一个信号的波形分解为许多不同频率正弦波之和。,一个周期函数可以表示为加权的正弦和余弦和的形式,傅里叶级数,富里叶变换,富里叶变换的基本性质,富里叶变换的基本性质,富里叶变换的基本性质,拉普拉斯变换,拉普拉斯变换,通过分析F(s)在s平面上的极点和零点的分布,可以判断时域原函数的特性。 一般来说,傅氏变换便于分析频率特性,分析信号频谱和噪声的

    27、功率谱。 利用拉氏变换便于分析系统的时域响应和参数的关系。,核辐射探测器的输出信号要经过电子学系统进行处理,才能得到所需要的信息,给出相应的结果。包含一定数量的电子元器件,按照某种方式连接起来的集合体,称之为电路(网络、系统)。线性网络(由线性元件组成;线性微分方程描述)非线性网络(由非线性元件组成;数学分析方法处理),3.1时域和频域分析,在时域中,一个单位冲激信号(t)加到一个线性网络上,所得到的输出信号为h(t),称为该网络的冲激响应。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()表示网络对不同频率分量的响应特性,称为频率响应。,时域,频域,3.1时域和频域分析,从

    28、复频域考虑,也可以采用拉普拉斯变换H(s)为线性网络的传输函数,一般相同的传输函数可由不同的网络来实现。,3.1时域和频域分析,对于多级串联网络,其总的网络响应为:,傅氏变换与拉氏变换过程:,3.1时域和频域分析,0,t,0,t,0,t,0,t,0,t,1,1(t),(t),f(t),1,T,ts,1,1,e-,1 - e-,1.探测器的输出电路 探测器输出电路等效电路:,时域,3.2核电子学中常见的基本电路分析,电流冲击脉冲i(t)=Q*(t-t0),是数字1,探测器的输出电路 探测器输出电路等效电路:,频域,3.2核电子学中常见的基本电路分析,半功率点,2.积分电路(低通滤波器) 冲击响应

    29、h(t)= 频率响应H()=1/(1+jRC) 即 |H()| = ()=-tg-1(RC),微分电路(高通滤波器) H()= jRC /(1+jRC) |H()|= ()=tg-1 1/(RC) 图1.3.6,4.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。它的工作原理可以由两根真实的长导线来模仿。 在电压的传输过程中,要考虑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。这样就可以认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

    30、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要一定的时间。,短路延迟线,令t为电压传播经过单位长度所需要的时间。在t内电压对电容充电,则电容得到的电荷为:Q=It=CV当电流流经电感L时,产生感应电动势V,其绝对值为:V=LI/t则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是长线特性的两个基本参量。特别是特性阻抗,不能简单的看做是一个阻抗,因为电压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。,如果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

    31、阻抗的时候,如果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。,短路延迟线,冲击响应:,频率响应:,小结,P1.3.8,三、核电子学中的信号与噪声分析基础,3.3随机信号通过线性网络 核电子学中的随机信号及其表现形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述。,确定信号,三、核电子学中的信号与噪声分析基础,3.3随机信号通过线性网络 核电子学中的随机信号及其表现形式由探测器输出的核辐射信号或噪声,因为出现的时刻和幅度大小都是随机的,这种信号只能用

    32、统计法处理。,随 机 信 号,三、核电子学中的信号与噪声分析基础,3.3随机信号通过线性网络 核电子学中的随机信号及其表现形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基础,3.3随机信号通过线性网络 核电子学中的随机信号及其表现形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基础,3.3随机信号通过线性网络 核电子学中的随机信号及其表现形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基础,3.3随机信号通过线性网络 核电子学中

    33、的随机信号及其表现形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基础,3.3随机信号通过线性网络 核电子学中的随机信号及其表现形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,理论上只要分析白噪声输入一个网络后的变化,即可得到这个网络的响应特性。,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基础,3.3随机信号通过线性网络 核电子学中的随机信号及其表现形式 核辐射信号的特点: (1)

    34、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)脉冲形状在理想情况下,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基础,3.3随机信号通过线性网络 核电子学中的随机信号及其表现形式核辐射随机信号的自相关函数和功率谱密度函数为:,P1.3.12,三、核电子学中的信号与噪声分析基础,3.3随机信号通过线性网络 随机信号通过线性网络,周期信号通过线性网络,随机信号通过线性网络,三、核电子学中的信号与噪声分析基础,3.3随机信号通过线性网络 随机信号通过常见线性电路的实例 白噪声通过RC低通滤波器: 功率

    35、谱密度及自相关函数为通过RC电路后的响应为,三、核电子学中的信号与噪声分析基础,3.3随机信号通过线性网络 随机信号通过常见线性电路的实例白噪声通过RC低通滤波后,滤去了高频部分,但低频和直流部分仍能通过,主要变成低频噪声。,三、核电子学中的信号与噪声分析基础,3.3随机信号通过线性网络 随机信号通过常见线性电路的实例白噪声通过CR高通滤波器的响应,四、核电子学测量系统概述,4.1系统的基本组成核信息测量系统通常由核辐射探测器和核电子学测量系统两部分组成。而核电子学测量系统包括模拟信号获取和处理,模数转换以及数据的获取和处理三部分。,四、核电子学测量系统概述,4.2核电子学常用的信号处理系统,

    36、四、核电子学测量系统概述,4.2核电子学常用的信号处理系统 前置放大器将探测器输出的电荷收集起来,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,达到便于测量的程度,并使信号成形,有利于精确测量和分析。,四、核电子学测量系统概述,4.2核电子学常用的信号处理系统 幅度或时间信息甄别经过处理后的信号,为了判别它们的幅度是否在预定的范围内,需要采用幅度甄别,而为了确定时间参数,需要进行时间甄别。 模数转换核辐射探测器输出信号经过各种信号处理电路后,需变换成数字量才能用数字系统进行统计、分析和数据处理。,四、核电子

    37、学测量系统概述,4.2核电子学常用的信号处理系统 数据获取的分析和处理在物理信号转换成数码后,则由数字系统进行数据获取和处理。多道分析器是数据获取和处理的有效设备,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、核电子学测量系统概述,4.3核电子学信号处理单元插件标准化核电子学测量系统,常因不同的物理测量要求,组成可以变化的测量系统,为适用各种不同用途的需要,目前都把具有一定功能的信号处理单元按一定规范要求,做成各种信号处理标准插件。在进行核物理实验的时候,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

    38、的系统,这就要求对各类插件的性能、指标要求以及使用方法、特点,必须有较深入的了解。,四、核电子学测量系统概述,4.3核电子学信号处理单元插件标准化目前通用的几种核电子仪器标准化系统,四、核电子学测量系统概述,4.3核电子学信号处理单元插件标准化核电子仪器标准化的工作早在50年代就开始了,随着电子学的发展和物理实验的更高要求,标准化要求在不断更新。NIM(nuclear instrument module 核仪器插件标准)标准是1964年提出的,经过四次修改后,于1974年由国际电工委员会推出为国际标准系列,并为全世界所采用。NIM标准是一个通用电子学插件化的标准(统一了机箱和插件的机械尺寸,供

    39、电电压及方式,信号电平的大小),从而解决了核电子仪器的装配和互换性问题。,四、核电子学测量系统概述,4.3核电子学信号处理单元插件标准化随着计算机的应用,需要解决大量数字的信息传递问题,以实现数据收集和处理系统的标准化,1975年国际电工委员会通过的CAMAC(Computer Aided Measurement and Control 计算机辅助测量与控制)标准也被推荐为一种国际仪器标准。它不仅在机箱、插件的结构、电源标准和信号电平等方面,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标准。随着微处理器和微计算机的迅速发展和普及,出现了分布式处理系统。同时,为了适应高能物理实

    40、验的要求,中心计算机需要处理更复杂、更大量的数据,要求速度更快,希望总线标准向高速度,高度灵活方向发展。于是又发展了新一代的快总线系统。,常用的NIM标准,机箱 机箱宽度为19英寸;每个标准箱体有12个插进道和12个箱体(插件连接器),可以容纳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。 一般在机箱后部有NIM标准电源,各种电源通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标准,插件-箱体连接器,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-

    41、机箱连接器。实际上大都用于电源供电。,电源与地线插孔 保留插孔 备用插孔 同轴接头 3V和+200V电源 逻辑控制信号,NIM标准机箱及插件,NIM插件,NIM标准机柜,常用的NIM标准,NIM电源标准 a.电源调节范围和电压精确度 24V,12V,好于 0.5%;6V,好于0.1%。 b.稳压特性 1min内输出电压变化0.1%;24h内0.3%。 c.温度系数 环境温度在050范围内变化时,温度系数0.02%/。 d.输出阻抗 在100kHz以下的任何频率,输出阻抗0.3。,常用的NIM标准,NIM电源标准 e.恢复时间和通断瞬变 f.噪声和纹波用通带达50MHz的示波器测噪声和纹波的综合

    42、峰值:24V,12V:3mV6 V: 6mV g.输出电流NIM电源有多种规格,有的指示好于上面所列数值,输出电流也各有不同,使用时注意产品说明书。另外,过热,过流,过压保护也各有规定。,常用的NIM标准,NIM插件的电源要求 a.插件应在下列电流、电压下正常工作24V 0.7%12V 1%6 V 3% b.任一路电源母线上有220mV(负载为50时)瞬变电压时,插件应能正常工作。个别插件不得在电源母线上产生大于20mV的瞬变。 c.插件的面板上要标明所用电压种类,消耗的电流和总功率。,总结,引入卷积、RC网络 核电子学中的信号与噪声分析基础时域与频域分析、探测器输出电路、低通与高通滤波器、延

    43、迟线、噪声信号、随机信号、线性网络 核电子学测量系统概述核仪器信号处理系统、NIM标准、CAMAC标准,上述拉普拉斯变换由公式(2.2.1)和(2.2.2)确定,时间函数f(t)的定义域t0。信号分析中通常t0时f(t)0,表中的f(t)要乘以单位 阶跃函数u(t)。 表中仅列出基本的和本书用到的拉氏变换对。 表中a、b、c是常数,m为零或正整数。,在物理学中,信号通常是波的形式,例如电磁波、随机振动或者声波。当波的频谱密度乘以一个适当的系数后将得到每单位频率波携带的功率,这被称为信号的功率谱密度(power spectral density, PSD)或者谱功率分布(spectral pow

    44、er distribution, SPD)。功率谱密度的单位通常用每赫兹的瓦特数(W/Hz)表示,或者使用波长而不是频率,即每纳米的瓦特数(W/nm)。 功率谱密度的定义是单位频带内的“功率”(均方值)。,功率谱密度,功率谱密度谱是一种概率统计方法,是对随机变量均方值的量度。一般用于随机振动分析,连续瞬态响应只能通过概率分布函数进行描述,即出现某水平响应所对应的概率。 功率谱密度是结构在随机动态载荷激励下响应的统计结果,是一条功率谱密度值频率值的关系曲线,其中功率谱密度可以是位移功率谱密度、速度功率谱密度、加速度功率谱密度、力功率谱密度等形式。数学上,功率谱密度值频率值的关系曲线下的面积就是方

    45、差,即响应标准偏差的平方值。 功率谱密度,从名字分解来看就是说,观察对象是功率,观察域是谱域,通常指频域,密度,就是指观察对象在观察域上的分布情况。,功率谱密度,谱是个很不严格的东西,常常指信号的Fourier变换,是一个时间平均(time average)概念。功率谱的概念是针对功率有限信号的(能量有限信号可用能量谱分析),所表现的是单位频带内信号功率随频率的变换情况。保留频谱的幅度信息,但是丢掉了相位信息,所以频谱不同的信号其功率谱是可能相同的。有两个重要区别: 1.功率谱是随机过程的统计平均概念,平稳随机过程的功率谱是一个确定函数;而频谱是随机过程样本的Fourier变换,对于一个随机过

    46、程而言,频谱也是一个“随机过程”。(随机的频域序列) 2.功率概念和幅度概念的差别。此外,只能对宽平稳的各态历经的二阶矩过程谈功率谱,其存在性取决于二阶局是否存在并且二阶矩的Fourier变换收敛;而频谱的存在性仅仅取决于该随机过程的该样本的Fourier变换是否收敛。 频谱分析(也称频率分析),是对动态信号在频率域内进行分析,分析的结果是以频率为坐标的各种物理量的谱线和曲线,可得到各种幅值以频率为变量的频谱函数F()。频谱分析中可求得幅值谱、相位谱、功率谱和各种谱密度等等。频谱分析过程较为复杂,它是以傅里叶级数和傅里叶积分为基础的。,频谱,一、频谱 定义: 1.任何表现在时间或空间距离上有复

    47、杂振动的形式的变量,都可以分解为许多不同振幅和不同频率的谐振,把这些谐振的振幅值按频率(或周期)排列的图形。 2.可用作传送信息的电磁波或振荡的频率集合。频谱就是频率的分布曲线,复杂振荡分解为振幅不同和频率不同的谐振荡,这些谐振荡的幅值按频率排列的图形叫做频谱。广泛应用在声学、光学和无线电技术等方面。频谱是频率谱密度的简称。它将对信号的研究从时域引到频域,从而带来更直观的认识。,频谱密度,二、频谱密度:频谱密度:设一个能量信号为s(t),则它的频谱密度S(w)可以由傅里叶变换求得:S(w)=F(s(t);能量信号的频谱密度S(f)和功率信号C(jnw)的频谱主要区别有: (1)S(f)是连续谱

    48、,而C(jnw)是离散谱; (2)S(f)单位是幅度/频率,而C(jnw)单位是幅度; (3)能量信号的能量有限,并连续的分布在频率轴上,每个频率点上的信号幅度是无穷小的,只有df上才有确定的非0振幅;功率信号的功率有限,但能量无限,它在无限多的离散频率点上有确定的非0振幅。所谓频谱密度,就是傅里叶变换式,懂做傅里叶变幻非常重要,是叩开频域分析之门的第一步。对应的,有频谱函数和频谱密度函数。,白噪声,白噪声是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。 所有频率具有相同能量的随机噪声称为白噪声。从我们耳朵的频率响应听起来它是非常明亮的“咝”声(每高一个八度,频率就升高一倍。因此高频率区的能量也显著

    49、增强)。 白噪声是指在较宽的频率范围内,各等带宽的频带所含的噪声能量相等的噪声。 白噪声或白杂讯,是一种功率频谱密度为常数的随机信号或随机过程。换句话说,此信号在各个频段上的功率是一样的,由于白光是由各种频率(颜色)的单色光混合而成,因而此信号的这种具有平坦功率谱的性质被称作是“白色的”,此信号也因此被称作白噪声。相对的,其他不具有这一性质的噪声信号被称为有色噪声。,白噪声,理想的白噪声具有无限带宽,因而其能量是无限大,这在现实世界是不可能存在的。实际上,我们常常将有限带宽的平整讯号视为白噪音,因为这让我们在数学分析上更加方便。然而,白噪声在数学处理上比较方便,因此它是系统分析的有力工具。一般,只要一个噪声过程所具有的频谱宽度远远大于它所作用系统的带宽,并且在该带宽中其频谱密度基本上可以作为常数来考虑,就可以把它作为白噪声来处理。例如,热噪声和散弹噪声在很宽的频率范围内具有均匀的功率谱密度,通常可以认为它们是白噪声。,

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