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核电子学与核仪器课件3[1]
一、核辐射探测器及其输出信号
n 1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号
(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。
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核电子学与核仪器课件3[1]
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
气体探测器
入射粒子在电离室中引起电离，电子、离子漂移形成电流； 当外加电压升高时，探测器工作于正比区，就成为正比计 数器；当气体放大倍数随电压急剧上升，电子雪崩持续发 展成自激放电，则成为G-M计数器。
n 一、核辐射探测器及其输出信号
1.1核辐射探测器的要求和特点 1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号 1.3核辐射探测器的基本性能 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
n 二、核电子学中的噪声
2.1噪声对核测量的影响 2.2噪声的分类和噪声源
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一、核辐射探测器及其输出信号
n 1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号
¨ 半导体探测器
常 用 的 半 导 体 探 测 器 包 括 金 硅 面 垒 探 测 器 、 Ge(Li) 和 Si(Li)探测器、高纯锗探测器等，它们都是以半导体材料 为探测介质，具有能量分辨率高，线性范围宽等优点。
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一、核辐射探测器及其输出信号
1.5核辐射探测器输出信号的数学模拟
•在 数 学 上 ， 引 入 单 位 冲击函数，则电流脉冲 可用冲激脉冲来模拟。
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一、核辐射探测器及其输出信号
n 1.5核辐射探测器输出信号的数学模拟
1.3核辐射探测器的基本性能
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。
•为了区分不同N0值的 相对能量分辨率，常 定义探测器固有能量 分辨率为：
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一、核辐射探测器及其输出信号
n 1.3核辐射探测器的基本性能
¨ 线性响应
总电子-离子对数：
相应电荷量：
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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
气体探测器
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，约微秒量级，而离子 漂移速度慢得多，约毫秒 量级。
•等效噪声电压：
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二、核电子学中的噪声
2.1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电荷或等效噪声能 量。
•等效噪声电荷：
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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（ μV~几十伏） 速度快
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n 1.4核辐射探测器的输出电路
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。
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二、核电子学中的噪声
n 2.1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）
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•等 •效 •电 •路
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一、核辐射探测器及其输出信号
n 1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号
¨ 闪烁体探测器
当射线入射到闪烁晶体时，先使闪烁体中的分子或原子激 发，然后退激时发出荧光，此光脉冲射到光电倍增管的光 阴极上转换成光电子，通过管内逐级倍增，最后在阳极上 收集成为电流脉冲i(t)。
一、核辐射探测器及其输出信号
n 1.4核辐射探测器的输出电路
¨ 闪烁探测器
•Ci不变，输 出 电 压 随 Ri 的变化。
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一、核辐射探测器及其输出信号
n 1.4核辐射探测器的输出电路
¨ 闪烁探测器
•Ri 不 变 ， 输出电压 随Ci的变 化。
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¨ 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）
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一、核辐射探测器及其输出信号
n 1.1核辐射探测器的要求和特点
二、核电子学中的噪声
2.1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：
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。
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二、核电子学中的噪声
输出幅度大小
•电荷数 •V/(MeV)
气体探测器
电离室 正比计数器
3×104 107
4.8×10-4 0.16
半导体探测器 闪烁体探测器
锗(77k) 硅(室温) NaI(Tl)闪烁体
3×105 3×105
108
4.8×10-3 1.6
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一、核辐射探测器及其输出信号
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。
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一、核辐射探测器及其输出信号
n 1.4核辐射探测器的输出电路
¨ 脉冲电离室
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n 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
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一、核辐射探测器及其输出信号
n 1.2核辐射探测器的主要类别和输出信号
¨ 核辐射探测器的分类 给出信号（电信号与非电信号） 电信号： 气体探测器（气体电离室，正比计数器，G-M 管等） 半导体探测器（ P-N结、PIN结、高纯锗等） 闪烁体探测器（=闪烁体+光电倍增管）
一、核辐射探测器及其输出信号
1.1核辐射探测器的要求和特点
核物理和粒子物理实验中，最基本的测量过程是
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一、核辐射探测器及其输出信号
n 1.1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。
n 2.2噪声的分类与噪声源
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）
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•冲击函数和冲击脉冲系列
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 电路对信号的处理和研究提供了数学模拟。
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二、核电子学中的噪声
n 2.1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。
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一、核辐射探测器及其输出信号
n 1.4核辐射探测器的输出电路
¨ 半导体探测器
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