时间信息的分析
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时间信息的分析. 闪烁 探测器 II. 闪烁 探测器 I. 前置 放大器. 前置 放大器. 线性脉冲 放大器. 线性脉冲 放大器. 定时单道 分析器. 定时单道 分析器. 时间幅度 转换器. 恒比定时 甄别器. 恒比定时 甄别器. 纳秒 延迟线. 慢符合 电路. 多道脉冲分析器. 时间分析谱仪. 时间信息的甄别和分析. 定时或时间检出: 能够准确确定粒子入射时间的技术 符合测量: 能够选择同时出现的信号的技术 延迟器: 将微秒或纳秒的信号进行延迟的技术

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Presentation Transcript


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时间信息的分析


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闪烁

探测器II

闪烁

探测器I

前置

放大器

前置

放大器

线性脉冲

放大器

线性脉冲

放大器

定时单道

分析器

定时单道

分析器

时间幅度

转换器

恒比定时

甄别器

恒比定时

甄别器

纳秒

延迟线

慢符合

电路

多道脉冲分析器

时间分析谱仪


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时间信息的甄别和分析

  • 定时或时间检出:能够准确确定粒子入射时间的技术

  • 符合测量:能够选择同时出现的信号的技术

  • 延迟器:将微秒或纳秒的信号进行延迟的技术

  • 时间分析器(时间信息变换):能够处理时间信息并变换成数码或模拟信号的技术


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定时甄别器

  • 定时甄别器:即时间检出电路,是核电子学中检出时间信息的基本单元。

    输入信号:来自探测器或放大器的随机模拟脉冲

    输出信号:前沿很快的逻辑脉冲

定时甄别器的输出逻辑脉冲的产生时间应该精确地与信号输入时间对应,对输入脉冲幅度与波形变化等应是不灵敏的。


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定时误差

时间游动:由于输入信号幅度和波形的变化引起的定时误差。

时间晃动:由于探测器输出信号统计涨落及系统中噪声所引起的定时误差。


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定时方法

  • 前沿触发定时(Leading Edge timing)

  • 过零定时

  • 恒比定时(Constant Fraction timing)

  • 幅度和上升时间补偿定时(ARC定时,Amplitude and Rise time Compensated timing)


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前沿触发定时

VT

用探测器输出或放大器放大的脉冲信号的前沿,直接触发具有某一固定阈值的快的幅度甄别器,并以输出脉冲作为定时信号输出。

定时脉冲要晚于输入脉冲,即存在延迟,且延时随

输入脉冲的变化而变化。


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前沿触发定时的定时误差

时间游动

输入脉冲幅度引起的

达峰时间相同,由于幅度变化引起的时间游动

为了减小时间游动,信号的达峰时间tM要短(这决定于探测

器时间特性),甄别阈要低(受噪声限制),信号幅度差

要小。后者可以辅以幅度选择来完成,但要牺牲计数效率。


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前沿触发定时的定时误差

时间游动

输入脉冲波形的变化引起

信号幅度相同,达峰时间的变化引起的时间游动

为了减小时间游动,信号的达峰时间tM要短(这决定于探测

器时间特性),甄别阈要低(受噪声限制)。


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前沿触发定时的定时误差

时间晃动

噪声引起的。

为了减小时间晃动,应增大斜率,并将甄别阈选在斜率最大处。


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前沿触发定时的定时误差

采用塑料闪烁探测器测量单能电子时的定时误差

时间晃动

探测器输出信号的产生时间、幅度和波形的涨落等

对于一定的探测器,当甄别阈为某一值时,由探测器输出信号的涨落引起的最小。

为了减小定时误差,tM要小,即选择快响应的探测器;对甄别阈的选取有要求。


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触发比

探测器输出电流脉冲使时间电路触发时的输出电荷量QT与电流脉冲总电荷量Q之比 f=QT/Q。在探测器的输出电流信号被积分为电压信号时,对于前沿触发时间电路f=VT/V,其中VT为触发阈,V为信号幅度。

为了使定时误差最小,时间检出电路要有一个合适的触发比f:

  • 为了减小时间游动,f应尽量小;

  • 为了减小噪声引起的时间晃动,f应选在输入信号上升斜率最大处;

  • 为了减小信号统计涨落引起的时间晃动,应该设置一个合适的f。

因此对于一个实际的时检电路,常常在实验中需要调节触发比f,以获得最小的定时误差。


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前沿触发定时的优缺点

优点:电路简单,噪声引起的时间晃动较小

缺点:时间游动大,f不能恒为最佳值,信号涨落引起的时间 晃动较大

适合于信号幅度变化范围小且信号波形变化不大的情况,当动态范围为100:1时,时间离散约10ns。

  • 需要消除信号幅度与波形变化引起的时间游动;

  • 为减小时间涨落引起的时间晃动,触发比可调节。


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过零定时

为了消除信号幅度变化引起的时间游动而设计的。

无法消除信号波形变化引起的时间游动,且触发比为1。

为了减小信号涨落引起的时间晃动,希望有触发比可

调并恒为最佳值的时间检出电路。


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恒比定时

预甄别器

具有可调恒定触发比的过零定时方法,又称恒比甄别(Constant Fraction Discrimation)。


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td>tM

Af(t-td)=PAf(t)

消除了由于幅度不同引起的时间游动。

A/tM(t-td)=PA =〉t=tMP+td

无法消除达峰时间(即脉冲波形)引起的时间游动。


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恒比定时的特点及应用

触发比f=PA/A=P,在使用时通过调节衰减系数P,可以很方便地调节触发比,使波形涨落引起的时间晃动最小。

既可以消除脉冲幅度引起的时间游动,又具有恒定可调的触发比,使信号波形涨落产生的时间晃动最小;但无法消除脉冲波形变化引起的时间游动。

主要用于快响应探测器如有机闪烁探测器和面垒型半导体探测器,动态范围100:1时,时间离散可小于150ps。


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恒比定时实例

逻辑单元均采用ECL组件

  • 输入信号幅度为-100mV到-5V;

  • 时移小于500ps;

  • 有两组输出信号:

    • ECL逻辑脉冲,tr为3ns,宽度60ns或 500ns;

    • TTL逻辑脉冲,tr30ns,输出阻抗为50。


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  • 在PIN半导体探测器中,由于探测器输出脉冲的上升时间较大,且上升时间的变化也较大。因此,为了给出精确的定时时间,就要消除由于上升时间变化引起的时间游动。


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ARC定时

  • ARC(Amplitude and Rise time Compensated))定时电路与恒比定时相同, 但需要 td<tM

    对于直线增长前沿,

    A/tM(t-td)=PA/tMt

    t=td/(1-P)

    既消除了幅度引起的时间游动,又消除了上升时间引起的时间游动。


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ARC定时的特点及应用

  • 对于直线增长前沿Af(t),触发比为

    只有tM为常数时,f才是常数。

  • ARC定时能消除输入脉冲幅度和上升时间变化引起的时间游动,但上升时间变化时,触发比不恒为最佳值,信号波形涨落引起的时间晃动要比CFD定时大。

  • 广泛用于较大体积的半导体探测器时检电路


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触发比

时间晃动

时间游动

输入信号时间涨落引起的

噪声引起的

幅度变化引起的

波形变化引起的

前沿定时

过零定时

1

较小

恒比定时

P

较大

ARC定时

当tM一定时

较小

较大

用于输入脉冲幅度和波形变化不大的情况

广泛用于快响应探测器如有机闪烁、结型半导体、MCP等探测器的时检电路。

用于较大体积的半导体探测器时检电路。


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符合测量方法

利用符合电路来甄选符合事件的方法。

符合事件:两个或两个以上同时发生的事件,

泛指时间上或方向上等相互关联的事件。


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符合测量示意图


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符合分辨时间tw:信号间隔在tW内可产生符合输出。


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  • 核电子学中符合电路分辨时间大约是从微秒量级到纳秒量级。

    慢符合电路:微秒量级

    快符合电路:纳秒量级


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反符合测量

反符合时间:在时间间隔a内输入信号A可被剔除。


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  • 符合电路-慢符合电路、快符合电路

  • 符合分辨时间的测量方法-瞬时符合曲线

  • 快慢符合


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符合电路

由施密特触发器和单稳态触发器构成。

脉冲形状决定了符合分辨时间:

输出波形要好,有快的前后沿,平坦的顶部。


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tw

符合分辨时间tw:符合电路能够区分的输入信号之间的最小时间间隔。

实际上符合事件是指

相继发生的时间间隔小于符合分辨时间tw的事件


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符合单元

  • 集成逻辑门

    • 用TTL与门做成,可做到分辨时间约0.1s左右,多用于符合分辨时间为微秒的慢符合电路中;

    • 如采用ECL或门,分辨时间可达到纳秒数量级,多用于符合分辨时间为纳秒的快符合电路中;

  • 快符合单元也可采用分立的高速元件(如高速隧道二极管、高速二极管等)来构成。


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慢符合单元举例

  • 这是目前广泛应用的符合单元,可做到分辨时间约0.1s左右。

TTL数字集成与非门电路


Bh1221

慢符合电路实例(BH1221)

分辨时间在0.2-4微秒范围内连续可调


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快符合单元举例

ECL(Emitter Coupled Logic)

分辨时间可达到纳秒数量级


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快符合电路实例(CO4020)

MC10102p


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符合分辨时间的测量

  • 为了测定符合电路分辨符合事件的能力,常利用测量瞬时符合曲线的办法来测定符合电路的符合分辨时间。

  • 瞬时符合曲线:在输入到符合电路的两路信号通道中用延迟线引入相对延迟,然后人为地改变相对延迟,测量符合系统的输出计数率和相对延迟的关系。它利用同一瞬时发生的符合事件来测量,所以称为瞬时符合曲线。


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电子学瞬时符合曲线

  • 用一个信号源代替同一瞬时发生的符合事件作为二路符合的输入,测得瞬时符合曲线反映符合电路本身的特性,称为电子学瞬时符合曲线。

符合电路的符合分辨时间:E

返回


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快道

闪烁

探测器II

闪烁

探测器I

前置

放大器

前置

放大器

线性脉冲

放大器

线性脉冲

放大器

定时单道

分析器

定时单道

分析器

时间幅度

转换器

恒比定时

甄别器

恒比定时

甄别器

纳秒

延迟线

慢符合

电路

慢道

多道脉冲分析器


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快-慢符合

分辨时间s量级

分辨时间几个ns

快符合:精确地选取符合事件

慢符合:降低本底


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符合测量方法总结

  • 基本概念:

    • 符合测量方法

    • 符合事件

    • 符合分辨时间

    • 反符合

    • 瞬时符合曲线

    • 快慢符合


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  • 集成逻辑门

    • 用TTL与门做成,可做到分辨时间约0.1s左右,多用于符合分辨时间为微秒的慢符合电路中;

    • 如采用ECL或门,分辨时间可达到纳秒数量级,多用于符合分辨时间为纳秒的快符合电路中;

  • 快符合单元也可采用分立的高速元件(如高速隧道二极管、高速二极管等)来构成。

  • 符合电路


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作业

  • 定时电路的误差分哪几类?各由什么因素引起?

  • 画图说明四种定时方法的特点(指出定时方法的特点,消除了那种时间游动或时间晃动),并比较各自的优缺点。

  • 在一个恒比定时甄别器中,如果衰减系数为20%,输入信号的上升时间为1.8ns,则外接延迟电缆的延迟时间应该取多少?

  • 符合电路的分辨时间是如何定义的?

  • 画出快慢符合原理示意图

  • 画出起停式时间幅度变换原理图并对其原理进行阐述

  • 比较TAC和TDC的优缺点


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