核仪器概论教学课件ppt谱仪放大器与多道脉冲分析系统

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1、1核仪器概论2五、谱仪放大器5.1滤波和成形1、滤波和成形的必要性2、介绍几种常用的滤波成形电路原理（1）CR-RC脉冲成形①、成形原理峰值衰减返回到基线的时间常数主要由CDRD决定。下冲衰减再返回到基线的时间常数主要由前放输出脉冲的衰减时间常数决定。3前放输出信号经CR－RC滤波成形后：a、保留了输入信号中的有用信息（即VOM与Q成正比）。b、基本形状变窄了。(e≈2.7)c、电路有高低通的滤波作用，可有效的抑制来自前放的信号中的噪声，提高信噪比。4◇硅带电粒子探测器，τ约为0.5－1μS。锗和Si（Li）探测器，τ一般约为在6－20μS。这样长的时间常数对整个谱仪允许接受的最高计数率下降

2、。因此有时会采用小一些的时间常数，牺牲信噪比性能以适应更高的计数率要求。◇可用于闪烁探测器，τ应被选择成至少为3倍的闪烁体的衰减时间常数。5下面分析，将CR-RC滤波成形用于硅或锗探测器的谱仪中时，成形时间常数τ如何选取？在硅和锗探测器中，由于探测器本身噪声很小，因此前放的电子学噪声对整个测量系统的能量分辨率有显著的影响。此时，需精心选择放大器的成形时间常数可将这种噪声最小化。下面说明在此情况下，成形时间常数的选取办法。6(k：波尔兹曼常数。T：绝对温度)主放H(ω)a2b27下图中，细实线a、b和a十b分别表示前放输出（即主放输入）的a噪声、b噪声及两者之和。经推导，后接CR-RC滤波器的

3、频率响应H(ω)为：（如图中黑实线或虚线）8分析上式：τ增大时，同样

4、H(ω)

5、值对应的ω减少，即H(ω)的频带变窄，曲线向低频方向压缩。此时，输出噪声中的a噪声将减小，b噪声将增大。而相反当τ减小时，H(ω)的频带变宽，曲线向高频方向伸展，但形状和高度不变。此时，输出噪声中的a噪声将增加，b噪声将减小。因而滤波器的时间常数τ可能有最佳值τopt。在τ＝τopt时，总噪声可取得最小值。τopt被称作为“最佳时间常数”。9对于硅带电粒子探测器，噪声转角时间通常在0.5－1μS范围内。对锗和Si（Li）探测器一般在6－20μS范围内。理论推导可知：在CR－RC滤波成形电路中，当选择τ＝a/b时，

6、总噪声可取得最小值。因此，CR－RC滤波成形电路的最佳时间常数τopt＝a/b＝τc，τc被称作为“噪声转角时间”。10②极零相消前面讲述的简单的CR－RC电路中，被放大的脉冲信号有一个显著的下冲。这是因为在前放输出脉冲上有一个很长的指数衰减引起的。当用在高计数率情况时，放大器输出脉冲的相当一部分会落在前面脉冲的下冲上。显然，这将使后面被测脉冲的峰的绝对值降低。最终会导致被测能谱的峰变宽，能量分辨率下降。因此，大部分的谱仪放大器配有一个极零相消电路，以消除下冲。11图中左侧为前放输出信号。图（a）中微分电路的输出脉冲存在着不希望有的下冲。下冲幅度大小可由下面公式给出：下冲幅度脉冲幅度＝微分时

7、间常数前放输出脉冲的衰减时间常数“极零相消”工作原理：12在图（b）中，与CD并联一可变电阻RPZ，调节RPZ即可消除下冲。结果可得到一个简单的指数衰减到基线，并具有理想的时间常数的输出脉冲。这个电路被称为“极零相消网络”（因为当用数学表达式严格推导电路的输入输出关系时，其中必定包括零点与极点的相消过程）。加入极零相消的好处是：在高计数率的情况下，可改变被测能谱的峰的形状，从而改善整个系统的能量分辨率。13左图(a)、(b)为极零相消没调好时，放大器的输出脉冲存在有明显的下冲，并且谱的分辨率变坏。(c)、(d)为极零相消调好后，放大器的输出脉冲形状，并且谱的分辨率大大好于（b）。(a)(c)

8、极零相消功能对能谱测量的影响14（2）半高斯脉冲成形电路原理图如下：15为得到更好的信噪比性能及更好的波形形状，实际使用的滤波成形电路往往比上述的CR-RC电路要复杂的多。半高斯脉冲成形即为常用的一种。它用一个复杂的有源积分网络代替简单的RC积分，如上图所示。上图的输出脉冲形状如右图，大概近似为高斯曲线的形状。因此这种滤波放大器被称为“半高斯成形放大器”。单极性输出16与CR－RC滤波器相比，半高斯脉冲成形的优点是：a、信噪比性能被提高了脉冲成形放大器的信噪比性能被改善约17%－19%。这一点对于半导体探测器是非常重要的。因为半导体探测器本身具有很高的能量分辨特性，因此对滤波成形部分的要求也

9、更高。半高斯成形能使输出脉冲宽度与CR－RC滤波器相比减少22%－52%，这相当于每个脉冲被放大时占用的死时间大大减少。因此整个谱仪可输入信号的计数率性能会得到很大改善。b、在脉冲幅度的0.1%处的宽度减小了。17（3）双极性成形当系统级间存在隔直流电路时，计数率较高的单极性随机信号通过后将产生明显的基线偏移和涨落。而双极性信号，通过后可以不产生、或产生比单极性信号要小得多的基线偏移和涨落。所以在高计数率下，