信號(hào)分析方法基礎(chǔ)知識(shí)

1、核電子學(xué) Nuclear Electronics,張雪梅zhangxm@fudan.edu.cn,在核輻射探測(cè)技術(shù)和電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的電子學(xué)與核科學(xué)間的一門交叉學(xué)科。核電子學(xué)形成于20世紀(jì)50年代。其內(nèi)容包括：核科學(xué)、高能物理和核技術(shù)中有關(guān)核輻射和粒子探測(cè)的電子技術(shù)；核爆炸和外層空間的輻射對(duì)電子系統(tǒng)的效應(yīng)和抗輻射的加固技術(shù)；核技術(shù)應(yīng)用中所需的核電子技術(shù)。核輻射現(xiàn)象（天然放射性）發(fā)現(xiàn)于1896年。1926年H.蓋革等發(fā)明了能探測(cè)

2、單次輻射的GM計(jì)數(shù)管，使核物理實(shí)驗(yàn)得到了電子技術(shù)的支持，從而促成了核物理學(xué)和高能物理學(xué)上一系列重要的發(fā)現(xiàn)。1931年盧瑟福實(shí)驗(yàn)室制成包括放大器、甄別器、計(jì)數(shù)器和電源的成套電子儀器，是核物理實(shí)驗(yàn)中早期的有力工具。第二次世界大戰(zhàn)開始后，圍繞核武器的研制，核電子學(xué)得到更大發(fā)展，逐漸形成了一門學(xué)科。1949年，R.L.霍夫斯塔特發(fā)明了閃爍計(jì)數(shù)器，推動(dòng)了核γ譜學(xué)和相應(yīng)測(cè)量?jī)x器γ譜儀的發(fā)展。50年代中、后期，高能加速器出現(xiàn)，物理學(xué)家開始尋找新的基本

3、粒子。60年代中期，核電子儀器的晶體管化幾乎已全部實(shí)現(xiàn)。1968年和1970年，卡爾帕克先后發(fā)明了多絲室和漂移室探射器，它們的信號(hào)絲數(shù)可達(dá)數(shù)萬(wàn)。因此要求有快、準(zhǔn)、穩(wěn)的電子讀出電路。這種由大型快速電子電路計(jì)算機(jī)組成的系統(tǒng)在70年代中出現(xiàn)大規(guī)模集成電路等器件后才得以實(shí)現(xiàn)。這種全電子式探測(cè)器在高能物理實(shí)驗(yàn)中逐步取代了1952年發(fā)明的汽泡室。1974年，丁肇中和B.里克特分別用全電子學(xué)方法發(fā)現(xiàn)了J／Ψ粒子。1983年在歐洲核子研究中心的SPS質(zhì)

4、子-反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)上觀察到中間玻色子W+、W-和Z0的衰變現(xiàn)象。核電子學(xué)是在不斷吸收其他科學(xué)技術(shù)特別是電子學(xué)各分支技術(shù)成就中發(fā)展的，同時(shí)也作出了自己的貢獻(xiàn)。如核電子學(xué)中對(duì)脈沖幅度和時(shí)間間隔的精密測(cè)量和甄別技術(shù)，對(duì)40年代雷達(dá)和電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。在核電子學(xué)中還首先發(fā)展了納秒脈沖技術(shù)，并在多道脈沖幅度分析技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展出高速模-數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)等。核電子學(xué)的研究對(duì)象包括：①各種輻射探測(cè)器和與之相應(yīng)的電子電路或系統(tǒng)。②針對(duì)核信息的隨機(jī)

5、性、統(tǒng)計(jì)性或單次性等特點(diǎn)的電子學(xué)測(cè)量技術(shù)，時(shí)間間隔（微秒到皮秒）、空間分辨（毫米到微米）。③配有在線電子計(jì)算機(jī)的核電子系統(tǒng)，用于在核技術(shù)和高能物理實(shí)驗(yàn)中實(shí)時(shí)獲取并處理巨量核信息，在實(shí)驗(yàn)全過(guò)程中對(duì)整個(gè)系統(tǒng)工作的監(jiān)測(cè)和控制。④核技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)、生物研究等方面應(yīng)用時(shí)所需的各種輻射探測(cè)技術(shù)和電子技術(shù)。例如，20世紀(jì)70年代以后，核醫(yī)學(xué)診斷吸收了核電子學(xué)方法，使同位素掃描技術(shù)發(fā)展成γ照相機(jī)技術(shù)，又進(jìn)而發(fā)展成斷層照相技術(shù)。,在核輻射探

6、測(cè)技術(shù)和電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的電子學(xué)與核科學(xué)間的一門交叉學(xué)科。形成于20世紀(jì)50年代。,輻射,輻射充滿著整個(gè)空間,E.g. background radiation 2006年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) J. C. Mather and G. F. Smoot, USA,電磁波（電磁輻射）,,高能電磁波如：?射線（X射線），屬于核（電離）輻射范疇。,核（電離）輻射,電離輻射：10 eV -10 MeV主要來(lái)源于原子核或核外電子的某些過(guò)程

7、,放射性,,在人們發(fā)現(xiàn)的二千多種核素中，絕大多數(shù)都是不穩(wěn)定的，它們會(huì)自發(fā)地蛻變，變成另一種核素，同時(shí)放出各種射線（核輻射）。這樣的現(xiàn)象稱為放射性衰變。,放射性,,核素：AX,摘自楊福家《原子核物理》,放射性衰變的種類,中性核輻射 高能電磁輻射 (X射線, ?射線)中子 (各種能量的中子)帶電粒子核輻射輕的帶電粒子 (電子、正電子、β射線)重的帶電粒子 (α粒子、質(zhì)子、重離子等),也稱為電離輻射、射線，泛指原子或原子核的某些過(guò)

8、程（如核衰變或核裂變等）放出的粒子，或由加速器加速的離子或核反應(yīng)產(chǎn)生的各種粒子，包括?（4He2+）、3He、p、d、t等重帶電粒子，重離子和裂變碎片，e+、e-（?射線）等輕帶電粒子，X、?射線，中子等。包括：高能電磁波：X、?射線； 粒子：帶電粒子、中性粒子等。,核輻射（重點(diǎn)）,核輻射是雙刃劍，既有其危害性，更有著無(wú)可替代的優(yōu)越性，為人類的當(dāng)代生活帶來(lái)了便利。,,核技術(shù)應(yīng)用,核技術(shù)應(yīng)用,核成像技術(shù)離

9、子束分析同位素示蹤檢測(cè)用核技術(shù)輻射工藝等,X射線行李安檢系統(tǒng),X射線成像技術(shù)地鐵、機(jī)場(chǎng)等地的安全檢查,醫(yī)學(xué)影像學(xué),核成像技術(shù)通過(guò)對(duì)射線的利用，探測(cè)物體的內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)，獲得物體的圖像，而不必破壞該物體。,大型集裝箱檢測(cè)系統(tǒng),,工業(yè)在線測(cè)厚儀,檢測(cè)用核技術(shù)用核物理方法測(cè)量地下的礦藏和工業(yè)規(guī)模材料的厚度、密度、重量、成分以及測(cè)量界面等等。,同位素示蹤技術(shù)成為生物、化工、醫(yī)學(xué)和地礦領(lǐng)域中必不可少的強(qiáng)有力的工具。,核技術(shù)應(yīng)用已滲

10、透到我們當(dāng)代生活的方方面面，深化了農(nóng)業(yè)的綠色革命，促進(jìn)了工業(yè)的技術(shù)改造，推動(dòng)了環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，提高了人類征服疾病的能力。,核輻射探測(cè)與測(cè)量是核技術(shù)應(yīng)用和開展核相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ),核輻射探測(cè)與測(cè)量,核輻射探測(cè)系統(tǒng)=核輻射探測(cè)器+核電子學(xué)儀器,核輻射探測(cè)與測(cè)量方法,核電子學(xué),核輻射現(xiàn)象（天然放射性）發(fā)現(xiàn)于1896年。核電子學(xué)形成于20世紀(jì)50年代。,核電子學(xué)是在不斷吸收其他科學(xué)技術(shù)特別是電子學(xué)各分支技術(shù)成就中發(fā)展的，同時(shí)也作出了自己的貢

11、獻(xiàn)。如核電子學(xué)中對(duì)脈沖幅度和時(shí)間間隔的精密測(cè)量和甄別技術(shù)，對(duì)40年代雷達(dá)和電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。在核電子學(xué)中還首先發(fā)展了納秒脈沖技術(shù)，并在多道脈沖幅度分析技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展出高速模-數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)等。,核電子學(xué),廣義講，泛指核科學(xué)領(lǐng)域的各種電子學(xué)方法：核輻射探測(cè)器電子學(xué)核物理及核技術(shù)應(yīng)用等粒子電子學(xué)高能基本粒子的基礎(chǔ)研究加速器電子學(xué)高頻振蕩、磁場(chǎng)穩(wěn)定、參數(shù)控制核反應(yīng)堆自動(dòng)控制、電子模擬與設(shè)計(jì)同位素應(yīng)用儀表核醫(yī)學(xué)電

12、子儀器計(jì)量測(cè)量?jī)x表與安全防護(hù)電子學(xué)的輻照損傷的研究,核心：對(duì)核信號(hào)進(jìn)行測(cè)量與分析的電子技術(shù)，即大量常用的對(duì)核輻射探測(cè)器的信號(hào)作放大、處理、分析和記錄所采用的各種電子儀器、裝置以及與計(jì)算機(jī)相配合的實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)。,核電子學(xué)范疇,核電子學(xué)的研究對(duì)象和內(nèi)容（重點(diǎn)）,核輻射探測(cè)器的輸出信號(hào)處理和分析核輻射探測(cè)器給出的電信號(hào)。用電子學(xué)方法對(duì)信號(hào)脈沖的幅度、時(shí)間、波形和數(shù)目等參量的獲取、處理和分析，可以獲得核輻射的能量、電荷量、時(shí)間、空間等各

13、種性質(zhì)。,核電子學(xué)與普通的電子學(xué)到底有哪些不同？,核輻射探測(cè)器,氣體探測(cè)器半導(dǎo)體探測(cè)器閃爍探測(cè)器 等,氣體探測(cè)器,,平行板電離室,iD,iD,正比計(jì)數(shù)器,半導(dǎo)體探測(cè)器,閃爍探測(cè)器,核輻射探測(cè)器的等效電路（重點(diǎn)）,探測(cè)器可以看作一個(gè)電流源，以氣體探測(cè)器（電離室）為例：,當(dāng)RD遠(yuǎn)大于外電路電阻時(shí)：,,,探測(cè)器可等效為一個(gè)電流源與CD并聯(lián)，電流脈沖中包含的時(shí)間特性和電荷信息與探測(cè)器種類有關(guān),核輻射探測(cè)器的輸出信號(hào),核輻射探測(cè)器的輸出信

14、號(hào)是一系列幅度大小不一、波形不盡一致、前后間隔疏密不均勻出現(xiàn)的時(shí)間隨機(jī)分布的電流脈沖（持續(xù)時(shí)間為ns-?s），在體電容上建立的電壓脈沖幅度多為mV量級(jí)。電流脈沖由核輻射的性質(zhì)及探測(cè)器的響應(yīng)所決定，對(duì)這些脈沖進(jìn)行測(cè)量，可以得到有關(guān)核輻射的信息。,能譜測(cè)量,時(shí)間測(cè)量,對(duì)后續(xù)電路（輸出回路）的選擇，取決于物理參數(shù)的測(cè)量,,輸出回路,電離輻射探測(cè)器都能產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電流，持續(xù)時(shí)間在納秒到微秒，在電路分析中，可把它等效為電流源；該輸出電流具

15、有一定的形狀，即有一定時(shí)間特性，所以可用于時(shí)間分析；如在輸出電容上取積分電壓信號(hào)，電壓幅度正比于E，可做入射粒子能量測(cè)量。,核輻射探測(cè)器輸出信號(hào)小結(jié),更多的知識(shí)可在《核輻射探測(cè)與測(cè)量方法》課中學(xué)習(xí),處理的對(duì)象是寬度從納秒量級(jí)到微秒量級(jí)的電流脈沖信號(hào)。電流脈沖信號(hào)在時(shí)間上和幅度上是隨機(jī)變化的、即非周期的和非等值的。測(cè)量的精度要求高。一般時(shí)間測(cè)量可達(dá)到100ps的量級(jí)，使得空間分辨率達(dá)到幾十微米量級(jí)，幅度測(cè)量的精度能達(dá)到千分之一。,

16、核電子學(xué)的特點(diǎn),核電子學(xué)系統(tǒng)的組成,探測(cè)器輸出脈沖幅度在mV-V之間，對(duì)于小的信號(hào)需要放大，是否選擇放大器與所使用的探測(cè)器有關(guān)探測(cè)器輸出脈沖波形與輸出回路的時(shí)間常數(shù)有關(guān)，對(duì)于不同實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡膶?shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)，如能量測(cè)量、計(jì)數(shù)測(cè)量或時(shí)間測(cè)量，電子學(xué)插件的選用也不同,,典型的核電子學(xué)系統(tǒng),探測(cè)器,核電子學(xué)系統(tǒng),,,信號(hào)處理,數(shù)據(jù)獲取和處理,高壓電源,前置放大器,主放大器,計(jì)數(shù)器,核電子學(xué)系統(tǒng)組成框圖,實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)的組成,探測(cè)器,核電子學(xué)系統(tǒng),實(shí)

17、驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)的組成,核電子學(xué)課程安排,預(yù)備知識(shí),信號(hào)處理,數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)處理,核電子學(xué)講義,其他參考書：核電子技術(shù)原理 王芝英 主編 原子能出版社核電子學(xué)（上、下） 王經(jīng)瑾等編著 清華大學(xué)核電子學(xué)專業(yè)講義核電子學(xué)概要 唐兆榮等編譯 原子能出版社核電子學(xué)基礎(chǔ)（上、下） 周志成編著 原子能出版社模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版） 童詩(shī)白等主編 高等教育出版社數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版） 童詩(shī)白等主編 高等教育出版社,成績(jī),平時(shí) 40%作