甄別器

1、時間信息的分析,時間信息的分析是核電子學(xué)的一種基本的和重要的技術(shù)。核事件的許多信息是以時間信息的方式存在于核輻射探測器輸出信號中。,核激發(fā)態(tài)的壽命,飛行時間法測速度,?,延遲線陽極探測器的位置信息,因此，為了研究上述這些核事件的性質(zhì)，必須對探測器輸出信號所攜帶的時間信息進(jìn)行分析。,,快響應(yīng)性能，如有機(jī)閃爍體與快速光電倍增管；結(jié)型半導(dǎo)體探測器 等,電流靈敏前置放大器 快放大器,快甄別器,定時道的基本組成,,,,,,時間分析譜儀,

2、時間信息的甄別和分析,定時或時間檢出：準(zhǔn)確確定粒子入射時間的技術(shù)符合測量：選擇符合事件的技術(shù)延遲器：將微秒或納秒的信號進(jìn)行延遲的技術(shù)時間分析器（時間信息變換）：處理時間信息并變換成數(shù)碼或模擬信號的技術(shù),定時甄別器,定時甄別器：即時間檢出電路，是核電子學(xué)中檢出時間信息的基本單元。 輸入信號：來自探測器或放大器的隨機(jī)模擬脈沖 輸出信號：前沿很快的邏輯脈沖,探測器輸出信號的定時（a）?（t-t0）信號（b）探測器輸出

3、電流脈沖（c）探測器輸出電壓脈沖（d）定時信號,由于探測器信號漲落和電子學(xué)噪聲將會產(chǎn)生定時誤差。,定時誤差,時間游動：由于輸入信號幅度和波形的變化引起的定時誤差。 時間晃動：由于探測器輸出信號統(tǒng)計漲落及系統(tǒng)中噪聲所引起的定時誤差。 時間漂移：時間電路和探測器對溫度、電源電壓等敏感而容易老化的元件引起的定時誤差。（可忽略）,理想的定時甄別器給出的定時信號應(yīng)與核事件發(fā)生時刻相對應(yīng)，而不應(yīng)隨探測器輸出信號幅度等變化而變化。,定時方法

4、,前沿觸發(fā)定時（Leading Edge timing）過零定時恒比定時(Constant Fraction timing)幅度和上升時間補(bǔ)償定時（ARC定時，Amplitude and Rise time Compensated timing）,前沿觸發(fā)定時,用探測器輸出或放大器放大的脈沖信號的前沿，直接觸發(fā)具有某一固定閾值的快甄別器，并以輸出脈沖作為定時信號輸出。,,定時脈沖要晚于輸入脈沖，即存在延遲。,,前沿觸發(fā)定時的定時誤

5、差,達(dá)峰時間相同，由于幅度變化引起的時間游動,,為了減小時間游動，信號的達(dá)峰時間tM要短（這決定于探測器時間特性），甄別閾要低（受噪聲限制），信號幅度差要小。后者可以輔以幅度選擇來完成，但要犧牲計數(shù)效率。,,時間游動：輸入脈沖幅度引起的（不同能量）,,前沿觸發(fā)定時的定時誤差,同時考慮幅度變化和達(dá)峰時間變化，前沿定時的最大時間游動,時間游動：輸入脈沖波形的變化引起（核輻射入射地點(diǎn)不同）,信號幅度相同，達(dá)峰時間的變化引起的時間游

6、動,,,前沿觸發(fā)定時的定時誤差,時間晃動：噪聲引起的。,噪聲引起的時間晃動與輸入信號的斜率有關(guān)。如果斜率越大，則時間晃動越小。因此，為了減小噪聲引起的時間晃動，應(yīng)將閾電平選在斜率最大處。,,前沿觸發(fā)定時的定時誤差,如果時間檢出電路能夠消除由于幅度和波形變化引起的時間游動，就可以消除由于幅度和波形統(tǒng)計漲落產(chǎn)生的時間晃動。但探測器輸出信號產(chǎn)生時間相對于輸入時刻的漲落引起的時間晃動還是不能消除的。,時間晃動：探測器輸出信號的產(chǎn)生時間、

7、幅度和波形的漲落等,時間晃動?探測器輸出信號的時間漲落引起的,前沿觸發(fā)定時的定時誤差,存在由于輸入脈沖幅度和波形變化引起的時間游動和噪聲、統(tǒng)計漲落產(chǎn)生的時間晃動,觸發(fā)比,探測器輸出電流脈沖使時間電路觸發(fā)時的輸出電荷量QT與電流脈沖總電荷量Q之比 f=QT/Q。在探測器的輸出電流信號被積分為電壓信號時，對于前沿觸發(fā)時間電路f=VT/V，其中VT為觸發(fā)閾，V為信號幅度。 為了減小時間游動和時間晃動，信號觸發(fā)時間檢出電路要有一個合適的觸發(fā)

8、比f：為了減小信號幅度和上升時間變化引起的時間游動，f應(yīng)盡量??；但是為了保證時檢電路不被噪聲亂觸發(fā)，又要求閾電平VT不能太小。為了減小噪聲引起的時間晃動，觸發(fā)比應(yīng)選在輸入信號上升斜率最大處。,前沿觸發(fā)定時中的觸發(fā)比,,對于一定的探測器，可能存在著一個最佳觸發(fā)比，使探測器輸出信號的時間漲落引起的時間晃動最小。因此對于一個實(shí)際的時檢電路，常常在實(shí)驗(yàn)中需要調(diào)節(jié)觸發(fā)比，以獲得最好定時精度。,采用塑料閃爍探測器測量單能電子時的定時誤差,

9、前沿觸發(fā)定時的優(yōu)缺點(diǎn),,優(yōu)點(diǎn)：電路簡單，噪聲引起的時間晃動較小缺點(diǎn)：時間游動大，觸發(fā)比f不能恒為最佳值 在保持小的定時誤差的條件下，脈沖幅度的動態(tài)范圍太小。動態(tài)范圍為100：1時，定時誤差約10ns。,需要消除信號幅度與波形變化引起的時間游動,過零定時,為了消除信號幅度變化引起的時間游動而設(shè)計的。,希望有觸發(fā)比可調(diào)并恒為最佳值的時間檢出電路。,,無法消除信號波形變化引起的時間游動，且觸發(fā)比恒為1。,,恒比定時,具有可調(diào)恒定觸

10、發(fā)比的定時方法，又稱恒比甄別（Constant Fraction Discrimation）。,,預(yù)甄別器,,調(diào)節(jié)td使定時脈沖產(chǎn)生在tM之后 Af（t-td）=PA 消除了由于幅度不同引起的時間游動。,A/tM（t-td）=PA =〉t=tMP+td無法消除達(dá)峰時間（即脈沖波形）引起的時間游動。,觸發(fā)比f=PA /A =P，在使用時通過調(diào)節(jié)衰減系數(shù)P，可以很方便地調(diào)節(jié)觸發(fā)比，使定時誤差最小。既可以消除脈沖幅度引起

11、的時間游動，又具有恒定可調(diào)的觸發(fā)比，定時誤差較小；但無法消除脈沖波形變化引起的時間游動。主要用于快響應(yīng)探測器如有機(jī)閃爍探測器和面壘型半導(dǎo)體探測器，動態(tài)范圍100：1時，時間離散可小于150ps。,恒比定時的特點(diǎn)及應(yīng)用,恒比定時實(shí)例,輸入信號幅度為-100mV到-5V；定時誤差小于500ps；有兩組輸出信號：ECL邏輯脈沖，tr為3ns，寬度60ns或 500ns；TTL邏輯脈沖，tr?30ns，輸出阻抗為50?。,邏輯單元均

12、采用ECL組件,,在PIN半導(dǎo)體探測器中，由于探測器輸出脈沖的上升時間較大，且上升時間的變化也較大。因此，為了給出精確的定時時間，就要消除由于上升時間變化引起的時間游動。,ARC定時,ARC（Amplitude and Rise time Compensated)）定時電路與恒比定時相同， 但需要調(diào)節(jié)td使定時脈沖發(fā)生在tM之前 對于直線增長前沿， A/tM（t-td）=PA/tMt t=td/（1-

13、P） 既消除了幅度引起的時間游動，又消除了上升時間引起的時間游動。,,雙預(yù)甄別器,ARC定時的特點(diǎn)及應(yīng)用,對于直線增長前沿Af(t)，觸發(fā)比為 只有tM為常數(shù)時，f才是常數(shù)。ARC定時能消除輸入脈沖幅度和上升時間變化引起的時間游動，但上升時間變化時，觸發(fā)比不恒為最佳值，信號波形漲落引起的時間晃動要比CFD定時大。廣泛用于較大體積的半導(dǎo)體探測器時檢電路,,廣泛用于快響應(yīng)探測器如有機(jī)閃爍、結(jié)型半導(dǎo)體、MCP等

14、探測器的時檢電路。,用于較大體積的半導(dǎo)體探測器時檢電路。,用于輸入脈沖幅度和波形變化不大的情況,,返回,利用符合電路來甄選符合事件的方法。,符合測量方法,符合事件：兩個或兩個以上同時發(fā)生的事件， 泛指時間上相互關(guān)聯(lián)的事件。,,符合測量示意圖,反符合測量,反符合時間：在時間間隔ta內(nèi)輸入信號A可被剔除。,,符合電路-慢符合電路、快符合電路符合分辨時間的測量方法-瞬時符合曲線快慢符合,脈沖形狀決定了符合分辨時間：輸出波形要好，

15、有快的前后沿，平坦的頂部。,符合電路,,實(shí)際上符合事件是指 相繼發(fā)生的時間間隔小于符合分辨時間tw的事件,符合分辨時間tw：能夠給出符合輸出的輸入脈沖之間的最大時間間隔，也是符合電路能夠區(qū)分的兩個符合事件的最小時間間隔。,核電子學(xué)中符合電路分辨時間大約是從微秒量級到納秒量級。 慢符合電路：微秒量級 快符合電路：納秒量級,符合單元,集成邏輯門用TTL與門做成，可做到分辨時間約0.1?s左右，多用于符合分辨

16、時間為微秒的慢符合電路中；如采用ECL或門，分辨時間可達(dá)到納秒數(shù)量級，多用于符合分辨時間為納秒的快符合電路中；快符合單元也可采用分立的高速元件（如高速隧道二極管、高速二極管等）來構(gòu)成。,慢符合單元舉例,這是目前廣泛應(yīng)用的符合單元，可做到分辨時間約0.1?s左右。,TTL數(shù)字集成與非門電路,慢符合電路實(shí)例（BH1221）,分辨時間在0.2-4微秒范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),快符合單元舉例,ECL（Emitter Coupled Logic）,

17、分辨時間可達(dá)到納秒數(shù)量級,快符合電路實(shí)例（CO4020）,MC10102p,返回,,符合分辨時間的測量,為了測定符合電路分辨符合事件的能力，常利用測量瞬時符合曲線的辦法來測定符合電路的符合分辨時間。瞬時符合曲線：在輸入到符合電路的兩路信號通道中用延遲線引入相對延遲，然后人為地改變相對延遲，測量符合系統(tǒng)的輸出計數(shù)率和相對延遲的關(guān)系。它利用同一瞬時發(fā)生的符合事件來測量，所以稱為瞬時符合曲線。,電子學(xué)瞬時符合曲線,用一個信號源代替同一瞬時

18、發(fā)生的符合事件作為二路符合的輸入，測得瞬時符合曲線反映符合電路本身的特性，稱為電子學(xué)瞬時符合曲線。,符合電路的符合分辨時間:?E，對于慢符合電路，約等于輸入脈沖寬度,為了提高整個符合測量系統(tǒng)的分辨時間，是否應(yīng)該極力地提高電子學(xué)分辨時間？,,,物理瞬時符合曲線,用瞬時符合放射源和探測器系統(tǒng)替代信號源作為符合電路信號輸入，測得的相對計數(shù)率與延遲量的關(guān)系曲線為物理瞬時符合曲線，此曲線除了與符合電路的符合分辨時間有關(guān)，還包括了探測器和定時系統(tǒng)的

19、定時誤差及偶然符合等因素。,物理分辨時間：描述符合測量系統(tǒng)的重要參數(shù)。,,隨著?E /?比值的減小，符合計數(shù)率降低；當(dāng)?E較大，例如?E?4? ，符合曲線出現(xiàn)平頂；隨著?E增大，平臺幅度增大。,?：兩探測器和時檢電路輸出信號時差漲落的標(biāo)準(zhǔn)偏差?E：電子學(xué)分辨時間,真符合和偶然符合的影響,電子學(xué)分辨時間與定時信號的定時誤差不同比例時，測得的物理瞬時符合曲線：,電子學(xué)分辨時間?E的選擇：當(dāng)? E遠(yuǎn)大于?時，真符合事件均能被記錄

20、，從分辨時間和減小偶然符合角度來看， ? E取小些為好；當(dāng)? E與?相比擬時，從真符合計數(shù)損失來看， ? E不能取得太小。,返回,,快-慢符合,分辨時間幾個ns,分辨時間?s量級,快符合：精確地選取符合事件慢符合：降低本底,,符合測量方法總結(jié)（重點(diǎn)）,基本概念：符合測量方法符合事件符合分辨時間反符合瞬時符合曲線快慢符合,符合電路,符合測量系統(tǒng)的分辨時間,符合分辨時間電子學(xué)分辨時間：符合電路的符合分辨時間物理分辨時間：

21、符合測量系統(tǒng)的符合分辨時間符合測量系統(tǒng)的分辨時間，即物理分辨時間，除了與電子學(xué)分辨時間有關(guān)外，還與定時信號的定時誤差（探測器的時間特性、定時方法）密切相關(guān)。 在實(shí)驗(yàn)上，用最佳瞬時符合曲線來測定。,延遲器,實(shí)現(xiàn)延遲時間的基本方法有兩種： 一是利用電纜或人工延遲線進(jìn)行延遲；二是利用電容器充放電進(jìn)行延遲。,利用同軸電纜進(jìn)行延遲,延遲快信號經(jīng)常采用同軸電纜，信號通過同軸電纜需要一定的時間。,ns延遲器：一般由同軸電纜和開關(guān)組成。,

22、3-66.5ns,微秒級的延遲可采用延遲電纜或集中參量人工延遲線。螺旋線電纜是將中間導(dǎo)線繞成螺旋形以增加電感，外面裹以導(dǎo)體，兩者之間為具有一定介電常數(shù)的絕緣體以增加電容量。它的特性阻抗一般為幾百歐左右，延遲時間0.01-0.1?s/m。集中參量人工延遲線由十幾個（或更多）電感和電容組成，基本上按同軸電纜的等效電路形式裝配起來。它的延遲時間較長，約為每米1?s左右，特性阻抗可達(dá)1k?。,應(yīng)用較廣，適宜于作固定延遲或作分檔可變延遲。

23、,利用延遲電纜或人工延遲線進(jìn)行延遲,利用電容器充放電進(jìn)行延遲,特點(diǎn)：延遲時間連續(xù)可調(diào),返回,延遲時間的大小取決于：電容器的大小充電（或放電）電流的大小甄別器觸發(fā)閾的高低。,,時間信息變換,時間分析器用來測量時間間隔分布譜，即計數(shù)隨時間間隔分布曲線。它的作用與幅度分析中多道脈沖幅度分析器相當(dāng)。關(guān)鍵部分時間數(shù)字變換TDC (Time to Digital Conversion)時間幅度變換TAC (Time to Amplitu

24、de Conversion),,時間幅度變換（TAC）,起停型時幅變換 重疊型時幅變換,,起停型時幅變換,在使用中的關(guān)鍵是如何選擇起始信號和停止信號。將起始信號延遲一定時間，如果在內(nèi)無停止信號輸入，則舍棄起始信號。如有停止信號，則啟動時幅變換。選擇計數(shù)率較低的信號作為起始信號。,在起始信號與停止信號之間的時間間隔內(nèi)，用恒定電流對電容充電，把時間間隔變換為電容上的電壓。,初始時均閉合,,,,T2?T1,,T2?T1 ? td1最大

25、死時間：~2td1,輸出信號幅度,,,優(yōu)點(diǎn)：線性好動態(tài)范圍寬（可以從微秒量級到納秒量級）時間分辨好（最小時間道寬達(dá)到ps數(shù)量級）缺點(diǎn)死時間較大，約為測量時間量程的兩倍,起停型時幅變換的特點(diǎn),時間-數(shù)碼變換（TDC）,直接計數(shù)式TDC基于時間擴(kuò)展的TDC游標(biāo)尺計時器Wilkinson型TDC基于內(nèi)插技術(shù)的TDC 基于時間內(nèi)插技術(shù)的TDC時幅變換內(nèi)插計數(shù)式TDC,,,直接計數(shù)式時間-數(shù)碼轉(zhuǎn)換,時間道寬T0由時鐘頻率及

26、其穩(wěn)定性決定，高時鐘頻率（1GHz以上）在工藝和電路結(jié)構(gòu)上要付出很高的代價，因此TDC的時間分辨在ns量級。,,,優(yōu)點(diǎn)時間道寬穩(wěn)定積分線性好動態(tài)范圍無限制缺點(diǎn)時間分辨差，道寬不能做的太小，因?yàn)橛嫈?shù)器的最高計數(shù)頻率不能太高，只能到ns。,,直接計數(shù)式時間-數(shù)碼轉(zhuǎn)換的特點(diǎn),返回,游標(biāo)卡計時器,死時間,,,,,優(yōu)點(diǎn)：可以用較低的時鐘頻率和較慢的地址寄存器，得到比一般計數(shù)式分辨能力高得多的時間-數(shù)碼轉(zhuǎn)換，可達(dá)幾個ps。缺點(diǎn)：T

27、1和T 2的穩(wěn)定性好于萬分之一二者之間的屏蔽要好，否則兩振蕩器互相耦合使?T為零死時間長?T精確調(diào)節(jié)較難。,游標(biāo)卡計時器的特點(diǎn),Wilkinson型TDC是上世紀(jì)50年代提出的，也是基于時間擴(kuò)展（Time Stretch）原理的，也常被稱為雙斜率型TDC。 時間分辨較好，但死時間大。詳見講義。,返回,基于內(nèi)插技術(shù)的TDC,直接計數(shù)式時間－數(shù)字變換的時間分辨率不高的缺點(diǎn)，可以通過內(nèi)插法解決。這種方法稱為內(nèi)插時數(shù)變換。,,基于時間內(nèi)插

28、技術(shù)的TDC,時間內(nèi)插技術(shù)的基本思想是采用適當(dāng)?shù)姆椒▽ⅰ按帧庇嫈?shù)使用的參考時鐘的周期細(xì)分為M個等分，并利用其將被測時間間隔與“粗”計數(shù)器記錄的時間(nT0)之差記錄下來，等效于將時鐘信號的頻率提高了M倍。采用所謂的“粗”計數(shù)（Coarse Counting）和“細(xì)”時間測量（Fine Measurement）相結(jié)合的方法?！按帧庇嫈?shù)：高性能的直接計數(shù)器型TDC。使用的參考時鐘頻率一般在數(shù)百M(fèi)Hz，達(dá)到幾個ns的時間精度；

29、 “細(xì)”時間測量：時間內(nèi)插技術(shù)（Time Interpolation），在一個時鐘周期內(nèi)進(jìn)行時間內(nèi)插，達(dá)到亞納秒（100 ps ~ 10ps）的時間分辨。一個直接的方法就是利用若干個等分的時間延遲單元，如M個抽頭“延遲線”來實(shí)現(xiàn)時間內(nèi)插，見圖。,,多擊響應(yīng)TDC,傳統(tǒng)的TDC測量時間間隔采用所謂的“Start-Stop”技術(shù)，即用Start信號啟動TDC計數(shù)，用Stop信號停止計數(shù)，也稱為起停式TDC。 如果把Start和St

30、op都作為一個擊中（HIT），記錄每個HIT發(fā)生的時刻，再由數(shù)據(jù)處理電路（如DSP）計算得到 HIT 之間的時間間隔，這種時間郵戳（Time Stamp，或稱為時間標(biāo)記）技術(shù)已成為比較通用的方法。在這種技術(shù)上發(fā)展的多擊響應(yīng)TDC已成為測量短時間（如幾百ns）內(nèi)多次事件的必不可少的組成部分。HIT發(fā)生的時刻的記錄是采用“粗”計數(shù)和“細(xì)”時間測量相結(jié)合方法， “細(xì)”時間測量采用“延遲線”時間內(nèi)插和符合方法。歐洲粒子物理實(shí)驗(yàn)室推出的通用性

31、極強(qiáng)的高集成度TDC芯片HPTDC基于時間郵戳技術(shù)的TDC，時間精度為~25ps 。ACAM公司的GPX和GP2是基于時間郵戳技術(shù)的TDC商業(yè)產(chǎn)品。時間精度也在幾十ps。,Christiansen J. et al. Proceedings of the 6th Workshop on Electronics for LHC Experiments, Krakow, Poland, 2000.,TDC-V1290,時間變換方法的比較,