信號分析方法基礎知識

1、核電子學 Nuclear Electronics,張雪梅zhangxm@fudan.edu.cn,在核輻射探測技術和電子技術基礎上發(fā)展起來的電子學與核科學間的一門交叉學科。核電子學形成于20世紀50年代。其內(nèi)容包括：核科學、高能物理和核技術中有關核輻射和粒子探測的電子技術；核爆炸和外層空間的輻射對電子系統(tǒng)的效應和抗輻射的加固技術；核技術應用中所需的核電子技術。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

2、單次輻射的GM計數(shù)管，使核物理實驗得到了電子技術的支持，從而促成了核物理學和高能物理學上一系列重要的發(fā)現(xiàn)。1931年盧瑟福實驗室制成包括放大器、甄別器、計數(shù)器和電源的成套電子儀器，是核物理實驗中早期的有力工具。第二次世界大戰(zhàn)開始后，圍繞核武器的研制，核電子學得到更大發(fā)展，逐漸形成了一門學科。1949年，R.L.霍夫斯塔特發(fā)明了閃爍計數(shù)器，推動了核γ譜學和相應測量儀器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，它們的信號絲數(shù)可達數(shù)萬。因此要求有快、準、穩(wěn)的電子讀出電路。這種由大型快速電子電路計算機組成的系統(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現(xiàn)。這種全電子式探測器在高能物理實驗中逐步取代了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)子對撞機上觀察到中間玻色子W+、W-和Z0的衰變現(xiàn)象。核電子學是在不斷吸收其他科學技術特別是電子學各分支技術成就中發(fā)展的，同時也作出了自己的貢獻。如核電子學中對脈沖幅度和時間間隔的精密測量和甄別技術，對40年代雷達和電子計算機的發(fā)展提供了有益的經(jīng)驗。在核電子學中還首先發(fā)展了納秒脈沖技術，并在多道脈沖幅度分析技術基礎上發(fā)展出高速模-數(shù)轉(zhuǎn)換技術等。核電子學的研究對象包括：①各種輻射探測器和與之相應的電子電路或系統(tǒng)。②針對核信息的隨機

5、性、統(tǒng)計性或單次性等特點的電子學測量技術，時間間隔（微秒到皮秒）、空間分辨（毫米到微米）。③配有在線電子計算機的核電子系統(tǒng)，用于在核技術和高能物理實驗中實時獲取并處理巨量核信息，在實驗全過程中對整個系統(tǒng)工作的監(jiān)測和控制。④核技術在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)學、生物研究等方面應用時所需的各種輻射探測技術和電子技術。例如，20世紀70年代以后，核醫(yī)學診斷吸收了核電子學方法，使同位素掃描技術發(fā)展成γ照相機技術，又進而發(fā)展成斷層照相技術。,在核輻射探

6、測技術和電子技術基礎上發(fā)展起來的電子學與核科學間的一門交叉學科。形成于20世紀50年代。,輻射,輻射充滿著整個空間,E.g. background radiation 2006年諾貝爾物理學獎 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主要來源于原子核或核外電子的某些過程

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，它們會自發(fā)地蛻變，變成另一種核素，同時放出各種射線（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

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）,核輻射是雙刃劍，既有其危害性，更有著無可替代的優(yōu)越性，為人類的當代生活帶來了便利。,,核技術應用,核技術應用,核成像技術離

9、子束分析同位素示蹤檢測用核技術輻射工藝等,X射線行李安檢系統(tǒng),X射線成像技術地鐵、機場等地的安全檢查,醫(yī)學影像學,核成像技術通過對射線的利用，探測物體的內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)，獲得物體的圖像，而不必破壞該物體。,大型集裝箱檢測系統(tǒng),,工業(yè)在線測厚儀,檢測用核技術用核物理方法測量地下的礦藏和工業(yè)規(guī)模材料的厚度、密度、重量、成分以及測量界面等等。,同位素示蹤技術成為生物、化工、醫(yī)學和地礦領域中必不可少的強有力的工具。,核技術應用已滲

10、透到我們當代生活的方方面面，深化了農(nóng)業(yè)的綠色革命，促進了工業(yè)的技術改造，推動了環(huán)保事業(yè)的發(fā)展，提高了人類征服疾病的能力。,核輻射探測與測量是核技術應用和開展核相關實驗研究的基礎,核輻射探測與測量,核輻射探測系統(tǒng)=核輻射探測器+核電子學儀器,核輻射探測與測量方法,核電子學,核輻射現(xiàn)象（天然放射性）發(fā)現(xiàn)于1896年。核電子學形成于20世紀50年代。,核電子學是在不斷吸收其他科學技術特別是電子學各分支技術成就中發(fā)展的，同時也作出了自己的貢

11、獻。如核電子學中對脈沖幅度和時間間隔的精密測量和甄別技術，對40年代雷達和電子計算機的發(fā)展提供了有益的經(jīng)驗。在核電子學中還首先發(fā)展了納秒脈沖技術，并在多道脈沖幅度分析技術基礎上發(fā)展出高速模-數(shù)轉(zhuǎn)換技術等。,核電子學,廣義講，泛指核科學領域的各種電子學方法：核輻射探測器電子學核物理及核技術應用等粒子電子學高能基本粒子的基礎研究加速器電子學高頻振蕩、磁場穩(wěn)定、參數(shù)控制核反應堆自動控制、電子模擬與設計同位素應用儀表核醫(yī)學電

12、子儀器計量測量儀表與安全防護電子學的輻照損傷的研究,核心：對核信號進行測量與分析的電子技術，即大量常用的對核輻射探測器的信號作放大、處理、分析和記錄所采用的各種電子儀器、裝置以及與計算機相配合的實驗測量系統(tǒng)。,核電子學范疇,核電子學的研究對象和內(nèi)容（重點）,核輻射探測器的輸出信號處理和分析核輻射探測器給出的電信號。用電子學方法對信號脈沖的幅度、時間、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、時間、空間等各

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

14、號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)的時間隨機分布的電流脈沖（持續(xù)時間為ns-?s），在體電容上建立的電壓脈沖幅度多為mV量級。電流脈沖由核輻射的性質(zhì)及探測器的響應所決定，對這些脈沖進行測量，可以得到有關核輻射的信息。,能譜測量,時間測量,對后續(xù)電路（輸出回路）的選擇，取決于物理參數(shù)的測量,,輸出回路,電離輻射探測器都能產(chǎn)生相應的輸出電流，持續(xù)時間在納秒到微秒，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，即有一定時間特性，所以可用于時間分析；如在輸出電容上取積分電壓信號，電壓幅度正比于E，可做入射粒子能量測量。,核輻射探測器輸出信號小結(jié),更多的知識可在《核輻射探測與測量方法》課中學習,處理的對象是寬度從納秒量級到微秒量級的電流脈沖信號。電流脈沖信號在時間上和幅度上是隨機變化的、即非周期的和非等值的。測量的精度要求高。一般時間測量可達到100ps的量級，使得空間分辨率達到幾十微米量級，幅度測量的精度能達到千分之一。,

16、核電子學的特點,核電子學系統(tǒng)的組成,探測器輸出脈沖幅度在mV-V之間，對于小的信號需要放大，是否選擇放大器與所使用的探測器有關探測器輸出脈沖波形與輸出回路的時間常數(shù)有關，對于不同實驗目的的實驗測量系統(tǒng)，如能量測量、計數(shù)測量或時間測量，電子學插件的選用也不同,,典型的核電子學系統(tǒng),探測器,核電子學系統(tǒng),,,信號處理,數(shù)據(jù)獲取和處理,高壓電源,前置放大器,主放大器,計數(shù)器,核電子學系統(tǒng)組成框圖,實驗測量系統(tǒng)的組成,探測器,核電子學系統(tǒng),實

17、驗測量系統(tǒng)的組成,核電子學課程安排,預備知識,信號處理,數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)處理,核電子學講義,其他參考書：核電子技術原理 王芝英 主編 原子能出版社核電子學（上、下） 王經(jīng)瑾等編著 清華大學核電子學專業(yè)講義核電子學概要 唐兆榮等編譯 原子能出版社核電子學基礎（上、下） 周志成編著 原子能出版社模擬電子技術基礎（第三版） 童詩白等主編 高等教育出版社數(shù)字電子技術基礎（第三版） 童詩白等主編 高等教育出版社,成績,平時 40%作