第四章 辐射测量中的噪声与前置放大器核数据获取与处理核数据获取与处理内容内容提要4.1 噪声概述及噪声来源 4.2 噪声分类 4.3 器件与系统的噪声 4.4 前置放大器的概述与分类 4.5 电荷灵敏前置放大器 4.6 电压灵敏前置放大器 4.7 电流灵敏前置放大器4.1 噪声概述及噪声来源噪声： 在信号产生、传输和测量过程中，噪声会叠加在 有用信号上，降低测量精度。消除噪声是和噪声 相关的研究工作的主要目标之一。信噪比（表示系统噪声性能）: 有用信号与噪声的比值，信噪比越高，由噪声引 起的测量误差就越小。4.1 噪声概述及噪声来源噪声的来源： 物理过程：核探测过程（统计涨落） 电子器件：导体中自由电子的不规则运动、阴 极的热电子发射、半导体载流子的产生与符合 过程等 外部干扰：工频、广播与电视、大功率器件电 磁场、电源纹波、颤噪声等不同测量系统，其噪声源也各不相同。对于不同 的噪声和干扰，可采用不同方法处理4.2 噪声分类 辐射测量中，噪声主要有三类： 散粒噪声(shot noise) 热噪声(thermal noise)、约翰逊噪声 (Johonson noise)或奈奎斯特噪声(Nyquist noise) 低频噪声(1/f噪声)、闪变噪声(flicker noise)或过量噪声(excess noise) 对于通常的幅度分析和定时测量，散粒噪声和 热噪声是主要的4.2 噪声分类散粒噪声：由载流子数目涨落引起的成因：电流是由电子或载流子的流动形成的。在电 子器件中，载流子产生和消失的随机性，使得载 流子数目发生波动，由此引起电流瞬时涨落 散粒噪声。4.2 噪声分类散粒噪声： 时域：可近似为强度为e的随机电流冲击序列 其功率谱密度：由此可得，在频谱上d或df范围内的噪声电流对 总噪声电流平均功率的贡献为：白噪声4.2 噪声分类热噪声：由载流子作随机运动而引起 成因：任何T0的导体或电阻，其中自由电子总 在作热运动。不断碰撞(1014/s)，每个电子的速度 频繁、随机地变化，在外电路中感应电流 热 噪声电流。4.2 噪声分类热噪声： 时域：可近似为幅度、时间都随机分布的双向电 流冲击序列，其均值为0 其功率谱密度：可由热力学原理导出由此可得，在频谱上d或df范围内的噪声电流对 总噪声电流平均功率的贡献为：4.2 噪声分类低频噪声（1/f噪声）：1/f噪声是普遍存在的。但其成因，至今尚缺乏 合理的理论和解释噪声电压随频率的降低而增大4.2 噪声分类低频噪声（1/f噪声）：其功率谱密度函数可近似为：对于性能优良的器件，常可忽略(AF 是常数，由具体器件决定)4.2 噪声分类散粒噪声的特点：1）散粒噪声和电子（载流子）的热运动速度 无关；2）平均电流大，电子涨落大，噪声电流也大 。4.2 噪声分类热噪声的特点：1）热噪声与电阻或导体的温度有关，温度升 高，热运动加剧，噪声电流或电压增加；2）热噪声电流与外加电压或流过电阻的平均 电流无关；3）实际脉冲宽度在ps量级。4.2 噪声分类散粒噪声和热噪声的共同特点：1）都是平稳随机过程；2）脉冲宽度大于脉冲的平均间隔，总噪声电 压或电流是很多随机脉冲叠加的结果；3）在幅度域内服从高斯分布。4.3 器件与系统的噪声探测器的噪声：由于位于前置放大器和主放大器之前，因而探测器 产生的噪声得到的放大倍数最大，影响最严重。4.3 器件与系统的噪声探测器的噪声：半导体探测器：反向偏置的二极管 存在三种噪声源：;并联电阻Rp的热噪声：;串联电阻Rs的热噪声：;漏电流ID的散粒噪声：4.3 器件与系统的噪声探测器的噪声：Rp为耗尽层或补偿层的电阻(108-12)，Rs为非灵敏区材料 的体电阻。通常都可忽略。 ; 噪声主要是漏电流产生的散粒噪声; 漏电流ID主要由三部分组成： 1)结周围产生的漏电流 2)P区和N区少数载流子向结区扩散形成的反向电流 3)结区内因热激发产生的电子-空穴对造成的反向电流4.3 器件与系统的噪声探测器的噪声 闪烁探测器 ;其噪声主要来源于PMT的暗电流iKN ;暗电流的起因 ;1）光阴极和前几个打拿极的热电子发射 ;2）电极绝缘材料和管子表面的漏电只考虑光阴极热电子发射时，其噪声功率谱近似为(是光电倍增管各打拿极的倍增系数) 与闪烁体固有能量分辨率相比可忽略4.3 器件与系统的噪声探测器的噪声气体探测器和正比计数管：基本上不产生噪声4.3 器件与系统的噪声放大器的噪声 主要考虑前置放大器第一级器件 场效应管 其主要噪声源是多数载流子在导电沟道中运动产生的 热噪声（gm是场效应管的跨导）或 另外，栅流噪声低频噪声4.3 器件与系统的噪声电阻的噪声主要为载流子运动产生的热噪声（噪声电流 ） （噪声电压 ）电容、电感理论上不产生噪声。但介质有损 耗，其电阻分量也会有噪声。4.3 器件与系统的噪声系统噪声的表示方法噪声对测量精度的影响用信噪比表示4.3 器件与系统的噪声系统噪声的表示方法 系统噪声表示：折合到输入端，反映被测物理量 对信噪比的分子分母都除以放大器的放大倍数 等效噪声电压(ENV)：4.3 器件与系统的噪声系统噪声的表示方法 常见的探测器输出电流响应都很快，电流持续时 间很短，因而其输出电流波形可近似看成 则系统信噪比可写成： 等效噪声电荷(ENC)： 4.3 器件与系统的噪声系统噪声的表示方法 等效噪声能量(ENE)：4.3 器件与系统的噪声噪声对系统能量分辨率的影响 通常噪声使单能谱线展宽为高斯型谱线，噪声引起的 半高宽FWHM和等效噪声能量ENE的关系为： 探测器的固有能量分辨率：4.3 器件与系统的噪声噪声对系统能量分辨率的影响在低计数率情况下，系统噪声是影响能量分辨率的主要 因素。只考虑噪声和探测器的固有能量分辨率，系统能 量分辨率为：4.4 前置放大器的概述与分类 信号幅度 核辐射测量中，探测器输出信号弱 放大 系统布局 探头往往在前端现场，放大环节放在哪？ 前端，与探头一起 笨重 受环境条件影响，如空间太小、辐射太强，不便 操作 远端 分布电容：连接导线越长越大 信噪比降低 外界干扰 所以，放大分离 前放（前端）与主放（远端）4.4 前置放大器的概述与分类现代测量电路，往往均集成在前 端(甚至包括ADC)4.4 前置放大器的概述与分类前置放大器的分类能谱和时间测量 积分型：输出信号幅度正比于输入电流对时间的积分 电压灵敏前置放大器：输出Q 电荷灵敏前置放大器：输出Q 电流型：输出信号波形与输入电流信号的波形一致 电流灵敏前置放大器：实际上波形不完全一致（带 宽影响）4.4 前置放大器的概述与分类前置放大器的分类强度测量高速A/D变换技术（最后一章的内容）4.4 前置放大器的概述与分类三类前置放大器的比较 电压灵敏： Ci=CD+CA+Cs VoM=AQ/Ci 稳定性不高CD、CA、CS分别为探测器的极间电容、放大器 的输入电容和输入端的分布电容4.4 前置放大器的概述与分类三类前置放大器的比较 电荷灵敏： VoM=Q/Cf 稳定性高 信噪比高4.4 前置放大器的概述与分类三类前置放大器的比较 电流灵敏： 从其输出信号保留的信息角度看，与前两者 没有绝对的差别4.5 电荷灵敏前置放大器工作原理（原理图）4.5 电荷灵敏前置放大器噪声 以半导体探测器和结型场效应管为例:4.5 电荷灵敏前置放大器探测器漏电流噪声探测器负载电阻RD热噪声场效应管沟道噪声场效应管闪烁噪声反馈电阻Rf热噪声场效应管栅极漏电流噪声4.5 电荷灵敏前置放大器并/串联噪声的等效关系4.5 电荷灵敏前置放大器噪声 将输入端的噪声全部等效为并联电流噪声后，根 据其与频率的依赖关系，可将噪声分为三类： a噪声：与2成正比 b噪声：与无关 c噪声：与成正比 4.5 电荷灵敏前置放大器噪声 则输入端总的并联电流噪声为：4.5 电荷灵敏前置放大器噪声 将输入电流噪声等效为输出电压噪声4.5 电荷灵敏前置放大器实现方案一：阻容反馈式 Rf、Cf组成放电回路 连续工作4.5 电荷灵敏前置放大器实现方案一：阻容反馈式 通常选用结型场效应管，其具有最低的噪声 半导体探测器与场效应管工作在低温状态下，可显著 改善系统噪声，即使在常温下也比晶体管小得多 反馈电容Cf影响系统的分辨率。Cf大则噪声大；Cf过 小，则反馈深度小，输出幅度稳定性变差。通常取 Cf=0.10.2pF 反馈电阻Rf是产生噪声的主要因素之一，其噪声贡献 比理论值还要大4.5 电荷灵敏前置放大器实现方案二：光电反馈式 主要目的：消除阻容反馈电荷灵敏前置放大器电路 中的反馈电阻Rf，提高系统的能量分辨率 工作方式：以脉冲方式给反馈电容放电4.5 电荷灵敏前置放大器实现方案三：漏反馈式 也是利用场效应管的栅极电流Ig使反馈电容Cf放电 ，与光电反馈系统不同的是，栅流的大小由场效应 管源极和漏极之间的电压Vds控制 工作方式：连续或脉冲方式4.5 电荷灵敏前置放大器性能比较噪声 w影响程度要具体分析：闪烁谱仪可不考虑，半导体则不行 w与C有关（ C =Ci+Cf ） w零电容噪声：阻容反馈几百ev,光反馈或漏反馈 100ev左右 w噪声斜率：对半导体谱仪前放，一般为几十ev/pF4.5 电荷灵敏前置放大器性能比较输出电压稳定性 wCf大，噪声大；Cf小，反馈深度小，不稳定w要输出 稳定，要求ACfCi+Cf ，即A足够大4.5 电荷灵敏前置放大器性能比较上升时间 Ci增大，tR变大 (接探测器时其极间电容有影响) tR影响信号幅度，使能量分辨率降低 (弹道亏损)4.5 电荷灵敏前置放大器性能比较输入阻抗低频时，输入电阻：输入电容： 高频时，输入电阻(忽略Rf)：输入电容：4.6 电压灵敏前置放大器 与电荷灵敏前放类似，都用于提供探测器输出的 电荷信息，但电路较简单 噪声通常比电荷灵敏前放的噪声大 理论上无反馈可获得最低噪声，实际上反馈对噪声影 响可以很小，并能有效改善放大器稳定性等性能，通 常总带反馈 典型电路4.7 电流灵敏前置放大器 实际上就是一个电流放大器（波形一致） 主要应用 获取精确的时间信息 用于高计数率或高本底情况下的强度测量 能谱测量（先放大，后积分） 利用输出电流脉冲形状来鉴别粒子种类 研究探测器输出电流脉冲的形状第4次作业4.2已知电荷灵敏前置放大器的输入端总电流 噪声为 ，推导出其输 出端总电压噪声（反馈电阻可忽略）。