核電子學(xué)方法

1、核電子學(xué)方法,第五章時(shí)間信息的分析,第五章 時(shí)間信息的分析,§1 概 述 §2定時(shí)技術(shù)§3符合電路§4 時(shí)間分析器§5脈沖形狀甄別（PSD）,結(jié)束,§1. 概 述,時(shí)間信息分析所要解決的基本問(wèn)題 時(shí)間信號(hào)的檢出,返回,時(shí)間信息分析所要解決的基本問(wèn)題,時(shí)間間隔甄別 時(shí)間間隔測(cè)量,返回,時(shí)間間隔甄別,時(shí)間間隔甄別應(yīng)用實(shí)例時(shí)間間隔甄別器的基本功能

2、,返回,時(shí)間間隔甄別應(yīng)用實(shí)例,電子正電子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)生μ+和μ-的事例,,,探測(cè)器D1和探測(cè)器D2相距有幾十米以上，對(duì)稱排布，用來(lái)測(cè)定?子。因?yàn)?+和?-的動(dòng)量相等，且對(duì)面碰撞，根據(jù)動(dòng)量守恒定律，和飛行方向相反，飛行速度近似相同，從對(duì)撞點(diǎn)飛出，應(yīng)幾乎同時(shí)分別擊中D1和D2 。,隨著擊中D1和D2 位置不同信號(hào)S1和S2產(chǎn)生時(shí)刻發(fā)生差別，如果最大時(shí)差值為5ns，那么S1和S2時(shí)間間隔小于5ns的事例應(yīng)該是?+和?-事例的的一個(gè)“候選”

3、條件，這樣可以排斥掉很多本底事件。例如宇宙射線穿過(guò)探測(cè)器系統(tǒng) ， D1和D2是先后被擊中， S1和S2的時(shí)間間隔將會(huì)大于 5ns，不滿足此“候選”條件，應(yīng)該被排斥掉 。需要用一個(gè)時(shí)間間隔甄別器來(lái)作為事例的選擇 。,返回,時(shí)間間隔甄別器的基本功能,N個(gè)信號(hào)加入它的輸入端為 u1,u2….ui…. uN-1,uN，它們分別在 ti（i=1,2…N）時(shí)刻到達(dá)甄別器的輸入端，其中任意一對(duì)信號(hào)間的時(shí)間差都滿足： -?1 0）

4、 在輸出端產(chǎn)生邏輯信號(hào)輸出 ，只要有任意一對(duì)信號(hào)不滿足上述條件，將不產(chǎn)生輸出。,,經(jīng)常遇到的情況是處理二個(gè)輸入信號(hào)的符合電路，稱為二重符合電路。二個(gè)輸入信號(hào)到達(dá)的時(shí)間分別為t1和t2 ，若滿足 -?1 0） 在輸出端產(chǎn)生邏輯信號(hào)輸出，否則將不產(chǎn)生輸出 。 ?1 ＋ ?2為其分辨時(shí)間。 選擇 ?1 = ?2 = ?，則分辨時(shí)間為2 ?（或稱為符合時(shí)間窗寬）。,具有這種功能的電路通常稱為符合

5、電路 ， ?1 ＋ ?2為其分辨時(shí)間。（也就是時(shí)間間隔閾值）。,返回,時(shí)間間隔測(cè)量,時(shí)間間隔測(cè)量應(yīng)用實(shí)例時(shí)間分析器的基本功能,返回,時(shí)間間隔測(cè)量應(yīng)用實(shí)例,飛行時(shí)間計(jì)數(shù)器是在高能物理實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常用到的探測(cè)器系統(tǒng)，用來(lái)測(cè)量帶電粒子的飛行時(shí)間，其主要功能是通過(guò)所測(cè)量粒子的飛行時(shí)間信息，結(jié)合其它探測(cè)器測(cè)得粒子的動(dòng)量和徑跡，從而辨別粒子的種類。測(cè)量探測(cè)器的信號(hào)和e+ e-的作用發(fā)生時(shí)刻之間的時(shí)間間隔，就可以測(cè)量到粒子的飛行時(shí)間信息。,返回,時(shí)間

6、分析器的基本功能,由時(shí)間間隔編碼器與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)組成的時(shí)間分析器，用來(lái)完成時(shí)間間隔測(cè)量。時(shí)間間隔編碼電路是時(shí)間間隔測(cè)量中關(guān)鍵部件，通常稱它為時(shí)間－數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC ,Time to Digit Conversion ）。輸出端的數(shù)碼值為 其中T0為L(zhǎng)SB所對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔。TDC的輸出再送到數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)，它的功能與多道幅度分析器中數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)相同。,,,返回,時(shí)間信號(hào)的檢出,無(wú)論是送到符合

7、電路還是送到TDC的信號(hào)，要求它的出現(xiàn)時(shí)刻與粒子擊中探測(cè)器的時(shí)刻能精確地相對(duì)應(yīng)。事件的產(chǎn)生到信號(hào)進(jìn)入時(shí)間信息分析電路之間，大體上如以下過(guò)程所示： 核事件產(chǎn)生粒子→探測(cè)器被擊中（t0時(shí)刻）→探測(cè)器信號(hào)輸出（t1時(shí)刻出現(xiàn)信號(hào)）→電子學(xué)電路信號(hào)處理（放大、成形等）→時(shí)檢電路檢出信號(hào)送到時(shí)間信號(hào)分析電路或符合電路輸入端（t0’時(shí)刻出現(xiàn)信號(hào)）。,時(shí)間信號(hào)的檢出,在討論時(shí)間信號(hào)檢出時(shí)，從探測(cè)器輸出的電流信號(hào)有以下幾點(diǎn)需要考慮：延遲。t1在

8、t0之后一定時(shí)間之后出現(xiàn)展寬。實(shí)際的電流信號(hào)不是一個(gè)?信號(hào)漲落。( t0’- t0)是一個(gè)隨機(jī)量，而且信號(hào)形狀也會(huì)隨機(jī)變化。 時(shí)檢電路的功能是使的漲落盡可能小，或者說(shuō)的晃動(dòng)很小。,返回,§2. 定時(shí)技術(shù),產(chǎn)生時(shí)間晃動(dòng)的幾個(gè)主要因素 時(shí)間晃動(dòng)大小的度量 前沿定時(shí)甄別器-固定閾值甄別器恒比定時(shí)甄別器（CFD）幅度和上升時(shí)間補(bǔ)償定時(shí)（ARC）,返回,產(chǎn)生時(shí)間晃動(dòng)的幾個(gè)主要因素,輸入到時(shí)間信息分析系統(tǒng)的信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間晃動(dòng)

9、主要有以下幾個(gè)因素：探測(cè)器的固有晃動(dòng)。噪聲引起時(shí)檢電路輸出的時(shí)間晃動(dòng)。幅度時(shí)間游動(dòng)效應(yīng)。上升時(shí)間游動(dòng)效應(yīng)。以上幾種因素在不同條件下對(duì)晃動(dòng)所起的影響是不相同的，因而要具體加以分析，分清主次。著重分析幅度和上升時(shí)間游動(dòng)效應(yīng)產(chǎn)生的時(shí)間晃動(dòng)及其解決辦法。,返回,探測(cè)器的固有晃動(dòng),不同的探測(cè)元件電流信號(hào)輸出的時(shí)間晃動(dòng)不一樣，它的產(chǎn)生原因也不相同，大致因?yàn)檩d流子在探測(cè)器內(nèi)運(yùn)動(dòng)途徑不同造成的 。例：閃爍體和光電倍加管（PMT）組成的閃爍計(jì)

10、數(shù)器，由于粒子擊中的位置不同使光傳輸?shù)絇MT的時(shí)間不同，使得其輸出信號(hào)的時(shí)間發(fā)生差異，而擊中的位置往往是隨機(jī)的，因而信號(hào)輸出的時(shí)間產(chǎn)生時(shí)間晃動(dòng)。,返回,噪聲引起時(shí)檢電路輸出的時(shí)間晃動(dòng),噪聲疊加在信號(hào)之上將引起時(shí)檢電路輸出的時(shí)間晃動(dòng)。,返回,幅度時(shí)間游動(dòng)效應(yīng),不同幅度經(jīng)過(guò)時(shí)檢電路之后在輸出時(shí)間上產(chǎn)生差異 ，探測(cè)器輸出信號(hào)幅度的隨機(jī)變化造成了時(shí)間上晃動(dòng)，稱為幅度時(shí)間游動(dòng)效應(yīng)。,返回,上升時(shí)間游動(dòng)效應(yīng),不同上升時(shí)間的信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)檢電路之后會(huì)產(chǎn)生

11、在輸出信號(hào)時(shí)間上差異 ，而有些探測(cè)元件輸出信號(hào)上升時(shí)間也存在隨機(jī)變化，這也就帶來(lái)了時(shí)檢電路的輸出信號(hào)在時(shí)間上晃動(dòng)。這稱為上升時(shí)間游動(dòng)效應(yīng)。,返回,時(shí)間晃動(dòng)大小的度量,時(shí)檢電路信號(hào)輸出與粒子擊中探測(cè)器之間的時(shí)間差 td=（t0’-t0）是隨機(jī)量，它服從一定的分布規(guī)律， td的概率密度函數(shù)為 Pd（td），可以得到各級(jí)矩：,,由此推知td的隨機(jī)變化情況，來(lái)度量的晃動(dòng)大小 。一般可以假設(shè)td服從高斯分布， 和

12、 是關(guān)鍵參量,,,作為時(shí)間晃動(dòng)的度量,時(shí)間晃動(dòng)大小的度量,二個(gè)信號(hào)時(shí)間間隔及其晃動(dòng)量,,,,,時(shí)間晃動(dòng)大小的度量,時(shí)間晃動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量 在實(shí)驗(yàn)上可以用同一瞬間產(chǎn)生兩個(gè)粒子的放射源（如60Co ?源 ，幾乎是同時(shí)發(fā)射 兩個(gè)?粒子[?1和?2 ]）； 測(cè)量計(jì)數(shù)隨τ（即時(shí)間間隔）值變化曲線 ，圖中求得 和半高全寬時(shí)間FWHMtd ,時(shí)間晃動(dòng)為,,,,返回,前沿定時(shí)甄別器-固定閾值甄別器,前沿定時(shí)特性分析基本電路構(gòu)型,返回

13、,前沿定時(shí)特性分析（一）,將輸入信號(hào)前沿近似看成線性上升，可用下述關(guān)系表示：,,輸出信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)的時(shí)間延遲可以表示為：,,其中ti為輸入信號(hào)從出現(xiàn)到上升為VT所需時(shí)間，t?為渡越時(shí)間，假定在快甄別器情況下， t?很小 ，暫不加以考慮 。,,在Vi由Vi1變?yōu)閂i2時(shí)，?Vi= (Vi1 -Vi2)，如果?Vi很小，則輸出信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)的時(shí)間延遲差? td=(t2-t1)應(yīng)為：,,td隨Vi變化而發(fā)生變化稱為幅度時(shí)間游動(dòng)效應(yīng)。顯而可見(jiàn)

14、VT和tm越小， td變化量就越小，幅度時(shí)間游動(dòng)效應(yīng)就越小,前沿定時(shí)特性分析（二）,上述討論在?Vi很小情況下，如果Vi變化很大時(shí)，服從某一種分布規(guī)律，要得到? td必須Vi的概率密度函數(shù)求得td的概率密度函數(shù)，得到? td。,若達(dá)峰時(shí)間 tm發(fā)生變化（也就是上升時(shí)間發(fā)生變化），延遲時(shí)間的變化為 ：,這稱為上升時(shí)間游動(dòng)效應(yīng)。,返回,基本電路構(gòu)型,高速運(yùn)算放大器（例如THS3201、OPA847等）構(gòu)成的施米特甄別器； 高速比較器（例如

15、AD96687）構(gòu)成的截止式放大器型甄別器； 雙閾甄別電路。,高速比較器AD96687構(gòu)成的甄別器,雙閾甄別電路,由于幅度效應(yīng)，前沿定時(shí)會(huì)有較大的定時(shí)誤差。降低甄別閾，是減少這一誤差的重要措施。但甄別閾的減少將會(huì)明顯引起噪聲誤觸發(fā)，為此，設(shè)計(jì)了雙閾甄別電路，采用低閾定時(shí)，高閾選通的方案，既可減少噪聲影響，又由于甄別閾的降低，還可減少由于幅度效應(yīng)引起的時(shí)間游動(dòng)甄別器需要有穩(wěn)定的閾電壓。 閾電壓的產(chǎn)生程控設(shè)置的 DAC 提供。為了減少噪

16、聲和外部干擾的影響，得到穩(wěn)定的閾電壓，對(duì)DAC提供的輸出電壓采取了衰減和有源濾波等有效措施。,返回,恒比定時(shí)甄別器（CFD）,提出恒比定時(shí)的基本思路恒比定時(shí)甄別原理恒比定時(shí)甄別器實(shí)現(xiàn),返回,提出恒比定時(shí)的基本思路,前沿定時(shí)除了由幅度游動(dòng)效應(yīng)引起較大晃動(dòng)之外，觸發(fā)比不恒定也是一個(gè)缺點(diǎn)。 探測(cè)器的固有時(shí)間晃動(dòng)往往與外電路收集到的電荷量與總電荷量比值有關(guān)，在某一比值時(shí)，固有時(shí)間晃動(dòng)可達(dá)到最小。這一比值卻好就是觸發(fā)比 P:

17、 P=VT/Vi 如果能對(duì)每一個(gè)信號(hào)作到恒定的觸發(fā)比，就可以選擇合適的比值，使探測(cè)器的固有時(shí)間晃動(dòng)最小。同時(shí)能克服幅度游動(dòng)效應(yīng)。,返回,恒比定時(shí)甄別原理,用經(jīng)延遲后的輸入信號(hào)與經(jīng)過(guò)衰減倒相后信號(hào)相加之后產(chǎn)生一個(gè)雙極性信號(hào)，該信號(hào)從負(fù)極性變到正極性的過(guò)零時(shí)刻與信號(hào)幅度無(wú)關(guān)，在此時(shí)刻的信號(hào)值與總幅度之比為一恒值。過(guò)零甄別器起到在雙極性信號(hào)的過(guò)零時(shí)刻檢出信號(hào)的作用。,恒比定時(shí)甄別

18、原理,用 ui(t)來(lái)近似描述輸入信號(hào):,,經(jīng)過(guò)衰減倒相后信號(hào)（其中為衰減因子）：,,經(jīng)延遲后的信號(hào),,恒比定時(shí)甄別原理,經(jīng)過(guò)相加電路之后是一個(gè)雙極性信號(hào)：,,從負(fù)極性變到正極性的過(guò)零時(shí)刻 ：,由此可知 (1)過(guò)零點(diǎn)與信號(hào)幅度無(wú)關(guān) (2)在tz時(shí)刻，對(duì)于任何幅度都一樣。因此tz是一個(gè)理想的時(shí)刻，既克服了游動(dòng)效應(yīng)，又在此時(shí)刻的信號(hào)值與總幅度之比為一恒值。在這一時(shí)刻檢出信號(hào)可以達(dá)到恒比定時(shí)的目的。圖中過(guò)

19、零甄別器ZCD起到在時(shí)刻檢出信號(hào)的作用,,返回,恒比定時(shí)甄別器實(shí)現(xiàn),門控型恒比定時(shí)甄別器雙予甄別門控型恒比定時(shí)甄別器雙極性信號(hào)成形方法,返回,門控型恒比定時(shí)甄別器,返回,雙予甄別門控型恒比定時(shí)甄別器,成形電路采用恒比成形時(shí)，常常取其延遲電路的延遲時(shí)間略大于tm，但對(duì)于小幅度輸入信號(hào)，特別是剛過(guò)閾值的信號(hào)，觸發(fā)時(shí)間已接近而超閾幅度很小，因此甄別器的渡越時(shí)間比較長(zhǎng)，有可能使前沿甄別器輸出信號(hào)落在過(guò)零時(shí)刻之后，這樣一來(lái)就成為前沿定時(shí)了。因

20、此，上述電路對(duì)小信號(hào)（即剛過(guò)觸發(fā)閾的信號(hào)）就起不到恒比定時(shí)作用了。為此，提出一種改進(jìn)方案，即雙予甄別門控型恒比定時(shí)甄別器，它是在門控型恒比定時(shí)甄別器電路基礎(chǔ)上再加上一個(gè)固定閾值甄別器DT，其閾值比的閾值要大 。在小信號(hào)時(shí)（即輸入信號(hào)幅度略大于 VTP）不能觸發(fā) DT，因而最后不產(chǎn)生輸出。只有輸入信號(hào)幅度大于 VTT才能觸發(fā) DT，產(chǎn)生最后輸出，這時(shí)DP的輸出信號(hào)不會(huì)落在過(guò)零時(shí)刻之后，保證了恒比定時(shí)。,但是這樣也會(huì)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，輸出信號(hào)前

21、沿時(shí)刻在略超過(guò)情況下亦會(huì)落在之后，又將造成輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的前沿定時(shí)時(shí)刻。為此在門Y1輸出處加上一延遲線作適當(dāng)延遲，以保證輸出信號(hào)前沿在DT輸出信號(hào)之后。,返回,雙極性信號(hào)成形方法,延遲線成形RC成形 輸入信號(hào)Vi直接連到比較器的同相輸入端，比較器的反相輸入端的信號(hào)Vc是Vi的低通濾波輸出，它在時(shí)間上比輸入信號(hào)滯后。比較器的同相、反相輸入端之間的電壓差為： Vr(t)=Vi(

22、t)-Vc(t)=R i(t)=RC dVc(t)/dt 在電容器上電壓達(dá)到峰值之后，積分電阻上的電流方向改變，引起比較器輸出的翻轉(zhuǎn)。由于電阻電容組成的是一個(gè)線性網(wǎng)絡(luò)，Vr(t)的過(guò)零點(diǎn)與輸入信號(hào)的幅度無(wú)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)了恒比定時(shí)功能。,返回,幅度和上升時(shí)間補(bǔ)償定時(shí)（ARC）,恒比定時(shí)僅僅解決了幅度游動(dòng)效應(yīng)，未曾解決上升時(shí)間游動(dòng)效應(yīng)。ARC定時(shí)可同時(shí)解決幅度和上升時(shí)間游動(dòng)效應(yīng)。它的電路結(jié)構(gòu)完全與恒比定時(shí)相同。但延遲時(shí)

23、間td應(yīng)滿足：,,相加后輸出信號(hào)應(yīng)為,,解得,,在ARC定時(shí)中,,,對(duì)于延遲信號(hào)的觸發(fā)比,,對(duì)于衰減倒相信號(hào)的觸發(fā)比,,在tm不是常數(shù)時(shí)， 和 也就不是常數(shù)，因而不是真正恒比 。,,,返回,§3. 符合電路,符合電路基本結(jié)構(gòu) 符合曲線 快-慢符合符合電路實(shí)例,返回,符合電路基本結(jié)構(gòu),二個(gè)輸入信號(hào)分別經(jīng)過(guò)定時(shí)成形電路之后，使其輸出信號(hào)前沿晃動(dòng)很小，以寬度分別為 Tw1和Tw2信號(hào)加入符合門電路，只有當(dāng)二個(gè)信號(hào)發(fā)生

24、重疊時(shí)符合門才有信號(hào)輸出，此信號(hào)再經(jīng)過(guò)甄別成形之后輸出。,,設(shè)二個(gè)輸入信號(hào)到達(dá)時(shí)間 分別為t1和t2，只有滿足,符合門才有輸出，其分辨時(shí)間應(yīng)為：,,,,,符合電路基本結(jié)構(gòu),以上討論是在理想條件下得到的，即(1)輸?shù)椒祥T的信號(hào)是理想矩形脈沖。(2)符合門和甄別成形電路的渡越時(shí)間為零。,返回,符合曲線,為了測(cè)定符合系統(tǒng)（包括探測(cè)器在內(nèi)）的時(shí)間分辨能力，常利用同一瞬間產(chǎn)生兩個(gè)粒子的放射源、或用激發(fā)態(tài)壽命遠(yuǎn)小于系統(tǒng)定時(shí)誤差的放射源來(lái)測(cè)定系

25、統(tǒng)的瞬時(shí)符合曲線。在兩路信號(hào)通道中，用可變延遲線引入它們之間時(shí)間上相對(duì)延遲，測(cè)定符合系統(tǒng)的輸出信號(hào)計(jì)數(shù)率和相對(duì)延遲量的關(guān)系曲線，此曲線就是瞬間符合曲線。從瞬時(shí)符合曲線，可以求得符合系統(tǒng)的分辨時(shí)間和效率。電子學(xué)瞬時(shí)符合曲線 物理瞬時(shí)符合曲線,返回,電子學(xué)瞬時(shí)符合曲線,用一個(gè)信號(hào)源代替放射源和探測(cè)器作為二路符合的輸入，測(cè)得瞬時(shí)符合曲線僅反映電路本身的特性，稱為電子學(xué)瞬時(shí)符合曲線。 調(diào)節(jié)相對(duì)延遲量，符合電路輸出信號(hào)送

26、入到一個(gè)計(jì)數(shù)器去，測(cè)得計(jì)數(shù)率，可以求得相對(duì)計(jì)數(shù)率與延遲量的關(guān)系曲線，此曲線即為電子學(xué)瞬時(shí)符合曲線，也就是符合電路產(chǎn)生輸出的概率函數(shù)。,電子學(xué)瞬時(shí)符合曲線,在理想條件下為曲線 1如果考慮到：(1)輸入信號(hào)有一定上升和下降時(shí)間，而符合門有一定門檻電平，因而對(duì)符合門輸入來(lái)說(shuō)，有效寬度變小了。(2)二個(gè)信號(hào)重合時(shí)間減小到一定寬度時(shí)，由于符合門和其后繼甄別電路有一定渡越時(shí)間，當(dāng)重合時(shí)間太窄時(shí)，不能響應(yīng)，這相當(dāng)于減小了有效寬度。(3)考慮到

27、噪聲疊加在信號(hào)、符合門的門檻電平和后繼電路閾值偏置電路上，使有效寬度發(fā)生漲落。 由于以上原因，瞬時(shí)符合曲線不僅寬度減小，而且形狀上偏離了矩形，為曲線2。這就是實(shí)際電子學(xué)瞬時(shí)符合曲線。符合分辨時(shí)間定義為瞬時(shí)符合曲線的半高全寬 FWHM，從圖中曲線 2可以求得電子學(xué)分辨時(shí)間,,返回,物理瞬時(shí)符合曲線,用瞬時(shí)符合放射源和探測(cè)器系統(tǒng)替代信號(hào)源作為符合電路信號(hào)輸入，測(cè)得的相對(duì)計(jì)數(shù)率與延遲量的關(guān)系曲線為物理瞬時(shí)符合曲線，此曲線

28、包括了探測(cè)器和定時(shí)系統(tǒng)的時(shí)間晃動(dòng)及偶然符合等因素。,物理瞬時(shí)符合曲線,真符合事件測(cè)得的物理瞬時(shí)符合曲線應(yīng)為輸入到符合電路二信號(hào)時(shí)差的概率密度函數(shù)與電子學(xué)瞬時(shí)符合函數(shù)的卷積,,?E與?值相近時(shí),真符合事件最大輸入計(jì)數(shù)率,偶然符合計(jì)數(shù)率,真符合事件計(jì)數(shù)率,?為時(shí)差漲落的方差,?E為電子學(xué)分辨時(shí)間,物理曲線形狀與電子學(xué)曲線相似,,曲線高度下降，形狀變窄，平頂部分消失，這是由于真符合計(jì)數(shù)被丟失了,物理瞬時(shí)符合曲線,在實(shí)際測(cè)量中，除了真符合事例外

29、，還有大量不屬于同一核事件互不相關(guān)的粒子進(jìn)入二個(gè)探測(cè)器，它們有可能在分辨時(shí)間之內(nèi)隨機(jī)地進(jìn)入符合電路各輸入端而產(chǎn)生輸出，稱這種符合為偶然符合。顯而易見(jiàn)，偶然符合應(yīng)與二個(gè)電路相對(duì)延遲時(shí)間無(wú)關(guān)。偶然符合計(jì)數(shù)為 ：,,,隨著?E增加，W(td)曲線高度平移地升高。這正是偶然符合所造成的。,WE(td)把看成寬度為?E，高度為1的矩形函數(shù),物理瞬時(shí)符合曲線,由于時(shí)間漲落的影響，一對(duì)真符合信號(hào)到達(dá)符合電路的時(shí)差出現(xiàn)晃動(dòng)，當(dāng)?E選得較小時(shí)真符合事件

30、可能漏記，造成真符合計(jì)數(shù)損失。 ?E越小，損失越多。 ?E取得較大時(shí)符合曲線出現(xiàn)平頂，其符合事件可被全部記錄下來(lái)。時(shí)差的漲落對(duì)計(jì)數(shù)率的影響可以忽略。 ?E增大，偶然符合計(jì)數(shù)也正比地增大，偶然符合與真符合計(jì)數(shù)之比隨之增大。從符合曲線中求得偶然符合計(jì)數(shù)雖然可以再?gòu)膶?shí)際曲線中扣除偶然符合計(jì)數(shù)而得到真符合計(jì)數(shù)，但這樣會(huì)使統(tǒng)計(jì)誤差增大。 分辨時(shí)間?E的選擇要綜合加以考慮。從時(shí)間分辨和減小偶然符合角度來(lái)看， ?E取小些為好；從真符合計(jì)數(shù)

31、損失來(lái)看， ?E不能取得太小。符合系統(tǒng)所能達(dá)到的最小分辨時(shí)間，根本上取決于探測(cè)器和定時(shí)系統(tǒng)的時(shí)間漲落大小。,返回,快-慢符合,時(shí)間上相關(guān)的事件本身還存在一些特點(diǎn) ，例如粒子的能量有一定范圍，也就是說(shuō)信號(hào)的幅度落在一定范圍之內(nèi)。在時(shí)間符合作為基本條件之下用幅度選擇作為輔助措施來(lái)減小偶然符合。事例的候選條件除了時(shí)間甄別之外，再加上幅度甄別。 但是，經(jīng)過(guò)幅度甄別之后的信號(hào)往往時(shí)間晃動(dòng)都很大，因此在幅度甄別之后再進(jìn)行符合

32、，其分辨時(shí)間不能取得很小，否則會(huì)降低效率（真符合計(jì)數(shù)損失增加），但增大分辨時(shí)間又會(huì)使偶然符合增加。為了解決這個(gè)矛盾，常采用快慢符合技術(shù)。,快-慢符合,,探測(cè)器信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)檢電路后進(jìn)入快符合電路，因而時(shí)間晃動(dòng)很小，可選取很小的分辨時(shí)間。同時(shí)，這一對(duì)探測(cè)器信號(hào)又分別經(jīng)過(guò)單道分析器進(jìn)行幅度選擇。只有在時(shí)間和幅度上都滿足給定條件時(shí)，三重慢符合電路才產(chǎn)生輸出。其中延遲線td是為了補(bǔ)償單道分析器產(chǎn)生的時(shí)延。,返回,符合電路實(shí)例,四路輸入信號(hào)先經(jīng)MC1

33、0E1651比較器甄別輸出，然后用MC10EL01D進(jìn)行“與”或者“或”邏輯，再通過(guò)單穩(wěn)態(tài)芯片MC10198調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度，最后分別轉(zhuǎn)換成快NIM和TTL輸出 。最小時(shí)間窗可達(dá)到2ns。,返回,§4. 時(shí)間分析器,時(shí)間分析器的構(gòu)成時(shí)間－數(shù)字變換 TDC 時(shí)間-幅度變換器（TAC）基于幅度-時(shí)間修正的時(shí)間間隔測(cè)量,返回,時(shí)間分析器的構(gòu)成,常用的有兩類時(shí)間分析器 二個(gè)信號(hào)加入到時(shí)間間隔編碼電路即 TDC， TDC輸出的

34、數(shù)碼正比于信號(hào)間的時(shí)間間隔，再將其送入數(shù)據(jù)獲取和處理系統(tǒng)；二個(gè)信號(hào)輸入到時(shí)間間隔幅度變換電路即 TAC， TAC的輸出幅度正比于信號(hào)間的時(shí)間間隔，然后送到 ADC，進(jìn)行幅度-數(shù)字變換，再送入數(shù)據(jù)獲取與處理系統(tǒng)。,,時(shí)間分析器的構(gòu)成,時(shí)間分析器用來(lái)測(cè)量時(shí)間譜，即計(jì)數(shù)隨時(shí)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)鍵部分是 TDC和TAC,返回,時(shí)間－數(shù)字變換 TDC,起始停止計(jì)數(shù)器型TDC 基于時(shí)間內(nèi)插技術(shù)（Tim

35、e Interpolating）的TDC基于時(shí)間郵戳（Time Stamp）技術(shù)的TDC基于時(shí)間放大技術(shù)的TDC,返回,起始停止計(jì)數(shù)器型TDC,待測(cè)的起始（start）和停止（stop）二個(gè)信號(hào)分別輸入到觸發(fā)觸復(fù)器（FF）S和R二端，F(xiàn)F輸出信號(hào)T的寬度應(yīng)為二個(gè)輸入信號(hào)的時(shí)間間隔,用來(lái)控制時(shí)鐘門And，時(shí)鐘振蕩器的時(shí)鐘脈沖加到時(shí)鐘門輸入端，因此通過(guò)時(shí)鐘門的脈沖個(gè)數(shù)m將正比于信號(hào)T的寬度，即正比于二個(gè)輸入信號(hào)的時(shí)間間隔tm=tstop

36、-tstart m=[ (tstop-tstart)/T0]取整數(shù) T0為時(shí)鐘脈沖的周期。再將此系列脈沖輸入到計(jì)數(shù)器，進(jìn)行串行-并行變換，經(jīng)過(guò)譯碼后以二進(jìn)制數(shù)碼并行輸出。計(jì)數(shù)器目前多采用Gray碼計(jì)數(shù)器。,,起始停止計(jì)數(shù)器型TDC,直接計(jì)數(shù)器型TDC的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，大尺度時(shí)間測(cè)量范圍，且全數(shù)字化，易于集成。 時(shí)間精度（一個(gè)LSB代表的時(shí)間間

37、隔量）受到時(shí)鐘頻率以及它的穩(wěn)定性限制 ，因?yàn)楦邥r(shí)鐘頻率（1GHz以上）在工藝和電路結(jié)構(gòu)上要付出很高代價(jià)。這種TDC的時(shí)間精度在ns量級(jí)。采用自激時(shí)鐘振蕩器會(huì)造成2 T0的誤差，采用它激時(shí)鐘振蕩器誤差可以減小到1 T0，但是在一般情況下，振蕩器起振階段，頻率和幅度不穩(wěn)定，也會(huì)帶來(lái)誤差。,返回,自然二進(jìn)制碼可以直接由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，但在某些情況，例如從十進(jìn)制的3轉(zhuǎn)換為4時(shí)二進(jìn)制碼的每一位都要變，能使數(shù)字電路產(chǎn)生很大的尖峰電流脈

38、沖。而格雷碼則沒(méi)有這一缺點(diǎn)，它在相鄰位間轉(zhuǎn)換時(shí)，只有一位產(chǎn)生變化。它大大地減少了由一個(gè)狀態(tài)到下一個(gè)狀態(tài)時(shí)邏輯的混淆。格雷碼僅改變一位，這樣與其它編碼同時(shí)改變兩位或多位的情況相比更為可靠，即可減少出錯(cuò)的可能性。,返回,基于時(shí)間內(nèi)插技術(shù)（Time Interpolating）的TDC,要滿足高時(shí)間精度和大尺度測(cè)量范圍的TDC 目前采用所謂的“粗”計(jì)數(shù)（Coarse Counting）和“細(xì)”時(shí)間測(cè)量（Fine Measurement）相結(jié)合

39、的方法。這種方法中，“粗”計(jì)數(shù)一般由高性能的直接計(jì)數(shù)器型TDC。使用的參考時(shí)鐘頻率一般在數(shù)百M(fèi)Hz，達(dá)到幾個(gè)ns的時(shí)間精度；而“細(xì)”時(shí)間測(cè)量的實(shí)現(xiàn)則依靠時(shí)間內(nèi)插技術(shù)（Time Interpolation），在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)進(jìn)行時(shí)間內(nèi)插，達(dá)到亞納秒（100 ps ~ 10ps）的時(shí)間分辨。時(shí)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?jì)數(shù)使用的參考時(shí)鐘的周期細(xì)分為M個(gè)等分，并利用其將被測(cè)時(shí)間間隔與“粗”計(jì)數(shù)器記錄的時(shí)間(nT0)之差記

40、錄下來(lái)，等效于將時(shí)鐘信號(hào)的頻率提高了M倍。一個(gè)直接的方法就是利用若干個(gè)等分的時(shí)間延遲單元，如M個(gè)抽頭“延遲線”來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間內(nèi)插。,基于時(shí)間內(nèi)插技術(shù)（Time Interpolating）的TDC,受Start和Stop控制的250MHz頻率的時(shí)鐘信號(hào)對(duì)n位計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，產(chǎn)生4ns時(shí)間分辨的“粗”計(jì)數(shù)。同時(shí)在時(shí)鐘通道中插入一個(gè)8抽頭“延遲線”，各抽頭組成0.5ns的延遲單元，其輸出被送入各符合電路的相應(yīng)輸入端，Stop信號(hào)則作為一個(gè)公共信號(hào)送

41、入各符合電路的另一輸入端，與延遲線上傳輸?shù)男盘?hào)做符合，記錄下當(dāng)Stop信號(hào)到來(lái)時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)在“延遲線”上傳輸?shù)奈恢茫囱舆t的時(shí)間量。該信息經(jīng)譯碼電路給出時(shí)間數(shù)據(jù)的最低的3位數(shù)據(jù)，相當(dāng)于將“粗”時(shí)間計(jì)數(shù)的時(shí)鐘周期細(xì)分了8個(gè)等分，實(shí)現(xiàn)了0.5ns的時(shí)間分辨。,幾種“延遲線”技術(shù),門電路組成的延遲電路 鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，簡(jiǎn)稱為：PLL）技術(shù) 延遲鎖定環(huán)（Delay Locked Loop，簡(jiǎn)稱為：DLL）技術(shù)

42、無(wú)源RC延遲線,返回,門電路組成的延遲電路,通常是由兩個(gè)CMOS反向器門電路構(gòu)成一個(gè)延遲單元。時(shí)間分辨則由一個(gè)延遲單元的延遲時(shí)間所決定。這種方法電路簡(jiǎn)單，占用較少的資源，易于與其它電路部分集成為單片的TDC集成芯片。缺點(diǎn)是門電路的延遲時(shí)間容易受到供電電壓波動(dòng)和溫度變化的影響而產(chǎn)生變化，需要經(jīng)常進(jìn)行刻度。,返回,鎖相環(huán)技術(shù),在時(shí)間內(nèi)插電路應(yīng)用中，門電路延遲線是作為VCO（Voltage Controlled Oscillator）的一部

43、分放在環(huán)中，構(gòu)成一個(gè)環(huán)形振蕩器，振蕩周期由門電路的延遲時(shí)間所決定。當(dāng)供電電壓變化或者是溫度變化時(shí)，利用負(fù)反饋機(jī)制，改變各門電路單元的供電電流，調(diào)整和穩(wěn)定各門電路單元的延遲時(shí)間，穩(wěn)定VCO的輸出頻率。因此消除了由于供電電壓變化和溫度變化帶來(lái)的延遲時(shí)間變化。另外，這種電路還具有易于集成，功耗小的優(yōu)點(diǎn)。,返回,延遲鎖定環(huán)技術(shù),DLL技術(shù)與PLL技術(shù)很類似，也是將門電路延遲線放在反饋環(huán)中，通過(guò)相位檢測(cè)，調(diào)整各門電路單元的供電電壓，調(diào)整和穩(wěn)定各門

44、電路單元的延遲時(shí)間。在DLL電路中，輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘直接與其通過(guò)門電路延遲線后的信號(hào)進(jìn)行相位檢測(cè)。門電路延遲線并不形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)， 所以不存在VCO電路，而是形成一個(gè)所謂的VCDL（Voltage Controlled Delay Line）電路。,返回,無(wú)源RC延遲線,DLL電路的每個(gè)延遲單元輸出都同時(shí)送入各Hit寄存器的相應(yīng)D輸入端，當(dāng)一個(gè)物理事例信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，Hit信號(hào)經(jīng)一個(gè)RC延遲線，產(chǎn)生M個(gè)不同相位延遲的信號(hào)將當(dāng)前DLL的時(shí)鐘沿狀態(tài)記

45、錄下來(lái)。設(shè)RC延遲線的單元延遲時(shí)間等于tN/M，則所得到時(shí)間精度為：Tbin = TRef / N.M，其中，N為DLL的延遲單元個(gè)數(shù)，M為RC延遲線的延遲單元個(gè)數(shù)。,返回,基于時(shí)間郵戳（Time Stamp）技術(shù)的TDC,傳統(tǒng)的TDC測(cè)量時(shí)間間隔采用所謂的“Start-Stop”技術(shù)，即用Start信號(hào)啟動(dòng)TDC計(jì)數(shù)，用Stop信號(hào)停止計(jì)數(shù)。 把Start和Stop都作為一個(gè)擊中（HIT），時(shí)間郵戳（Time Stamp，或稱為時(shí)間

46、標(biāo)記）技術(shù)是通過(guò)記錄每個(gè)HIT發(fā)生的時(shí)刻，再由數(shù)據(jù)處理電路（如DSP）計(jì)算得到 HIT 之間的時(shí)間間隔，這已成為比較通用的方法。HIT發(fā)生的時(shí)刻的記錄是采用“粗”計(jì)數(shù)和“細(xì)”時(shí)間測(cè)量相結(jié)合方法， “細(xì)”時(shí)間測(cè)量采用“延遲線”時(shí)間內(nèi)插和符合方法。,基于時(shí)間郵戳（Time Stamp）技術(shù)的TDC,歐洲粒子物理實(shí)驗(yàn)室推出的通用性極強(qiáng)的高集成度TDC芯片HPTDC基于時(shí)間郵戳技術(shù)的TDC，時(shí)間精度為~25ps 。ACAM公司的GPX和GP

47、2是基于時(shí)間郵戳技術(shù)的TDC商業(yè)產(chǎn)品。時(shí)間精度也在幾十ps。,返回,基于時(shí)間放大技術(shù)的TDC,Wilkinson型TDC游標(biāo)尺（Vernier）計(jì)時(shí)器,返回,Wilkinson型TDC,Wilkinson型TDC是上世紀(jì)50年代提出的，其基本思想是基于所謂的時(shí)間放大（Time Stretch）原理，人們也常稱其為雙斜率型TDC。這種TDC是電路中采用兩個(gè)不同的恒流源I1和I2。采用大電流I1對(duì)電容快速充電，充電時(shí)間T1正比于輸入信號(hào)

48、Start和Stop的時(shí)間差。而在數(shù)字化時(shí)，采用小電流I2放電，同時(shí)用一個(gè)高速計(jì)數(shù)器在充電時(shí)間T1和放電時(shí)間T2內(nèi)進(jìn)行時(shí)鐘計(jì)數(shù)。很顯然，計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)N正比于輸入的Start和Stop信號(hào)的時(shí)間差。而時(shí)間放大因子K則由兩個(gè)恒流源電流的比值K=T2/T1=I1/I2確定。這種TDC有較大的變換（死）時(shí)間，約等于（K+1）T1 ，不適合高計(jì)數(shù)率應(yīng)用。,返回,游標(biāo)尺（Vernier）計(jì)時(shí)器,二個(gè)信號(hào)分別加入到起始端和停止端，觸發(fā)T1和 T2兩

49、個(gè)振蕩器后加入符合門 ，用符合輸出作為二個(gè)關(guān)閉振蕩器的關(guān)門信號(hào)用振蕩器 T1輸出的信號(hào)作為地址寄存器（計(jì)數(shù)器）的輸入 ，作串行-并行變換后輸出數(shù)碼。,游標(biāo)尺（Vernier）計(jì)時(shí)器,兩個(gè)門控振蕩器產(chǎn)生頻率略微不同的兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，其頻率分別為f1=1/T1和f2=1/T2，T1>T2，?T=T1-T2=T1/K ，CP1為T1輸出，它的第一個(gè)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻為 TA1，第i個(gè)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻為TAi; CP2為T2輸出，它的第一個(gè)脈沖出

50、現(xiàn)的時(shí)刻為 TB1，第i個(gè)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻為TBi ；Tx=TB-TA為待測(cè)時(shí)間間隔 ，有：,?為時(shí)間脈沖寬度，取?? ?T，當(dāng)TBm-TAm<?時(shí)，符合門就有輸出，而關(guān)閉二個(gè)振蕩器。輸入到地址寄存器的脈沖個(gè)數(shù)為 m，,,,,這種TDC的時(shí)間道寬為?T，將二個(gè)振蕩器的頻率差做得很小，就可以獲得很小的時(shí)間道寬。,游標(biāo)尺（Vernier）計(jì)時(shí)器,二個(gè)輸入信號(hào)之間時(shí)間間隔為 Tx=TB-TA，而時(shí)鐘振蕩器起振與停止的時(shí)間間隔為Ty=Tam

51、-T1＝(m-1)T1，是進(jìn)行一次變換所需要時(shí)間 ，游標(biāo)尺計(jì)時(shí)器等效于一對(duì)時(shí)間信號(hào)將其時(shí)間間隔放大了K倍之后再去控制一個(gè)時(shí)鐘門。,,返回,時(shí)間幅度變換器（TAC）,TAC基本原理TAC實(shí)例,返回,TAC基本原理,時(shí)間-幅度變換是把兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間間隔長(zhǎng)短轉(zhuǎn)換成一個(gè)幅度與其間隔成正比的輸出信號(hào)最方便的辦法是在此間隔內(nèi)對(duì)電容器進(jìn)行恒流充電,靜態(tài)時(shí)S1 和S 2閉合，C上電壓為零，起始信號(hào)將S1斷開(kāi)，恒流源對(duì)C充電，C上電壓線性上升

52、，停止信號(hào)將S 2斷開(kāi)，C上的電壓正比于兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間間隔。電容器上保持住的電壓為Vc=I·tx/C，tx為二個(gè)輸入信號(hào)的時(shí)間間隔 。,,返回,TAC實(shí)例,初始狀態(tài)，S1、S2和S4斷開(kāi)，S3導(dǎo)通；Start信號(hào)輸入，S1 and S4導(dǎo)通，S3斷開(kāi)，恒流源I1對(duì)C1充電，在A1的輸出產(chǎn)生線性上升電壓；當(dāng)達(dá)到閾值Vref時(shí)，COM1將對(duì)FF2置位，S2導(dǎo)通，兩倍于I1電流的恒流源I2流過(guò)開(kāi)關(guān)，流過(guò)C1為方向相反I1

53、，C1恒流放電，使A1的輸出電壓線性下降；直到A1的輸出為零，COM2復(fù)位，S2斷開(kāi)，C1再次被I1充電；重復(fù)上面過(guò)程，從而A1的輸出幅度為零到Vref之間變化的三角波形。Stop信號(hào)到達(dá)，S1 and S4斷開(kāi)，S3 導(dǎo)通，恢復(fù)到初態(tài)。S4、C2和 A2構(gòu)成一個(gè)峰保持電路，在stop信號(hào)到達(dá)時(shí)刻的幅度Vt保持，進(jìn)行AD變換。 CTR1和CTR2兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別記錄FF2的Q和/Q計(jì)數(shù)。,時(shí)序圖,三角波周期為,Vt值為,NA/

54、D為VT經(jīng)過(guò)AD變換的數(shù)碼；Nsum 為CTR1和CTR2的計(jì)數(shù)N1和N2之和；時(shí)間間隔T（Start 與Stop之間）為,時(shí)間分辨為,其中K為ADC的位數(shù)。這種TDC的分辨可以達(dá)到幾十ps,TAC實(shí)例,電路實(shí)現(xiàn)A1和A2放大器采用高速運(yùn)放AD825；觸發(fā)觸復(fù)電路FF和計(jì)數(shù)器采用MAX9698S210DE用作模擬開(kāi)關(guān)MAX6250用作建立電流源和Vref,返回,基于幅度-時(shí)間修正的時(shí)間間隔測(cè)量,在當(dāng)代大型物理實(shí)驗(yàn)中，由于

55、通道數(shù)很多，恒比定時(shí)的電路相對(duì)比較復(fù)雜，造價(jià)高，用于時(shí)間測(cè)量，通常采用簡(jiǎn)單的前沿定時(shí)方法，并且利用同一信號(hào)的幅度（電荷）測(cè)量對(duì)幅度-時(shí)間游動(dòng)帶來(lái)的定時(shí)誤差進(jìn)行修正（一般是離線修正），這已成為一種基本的方法。,基于幅度-時(shí)間修正的時(shí)間間隔測(cè)量的原理圖,前端電路的具體實(shí)現(xiàn),返回,§5. 脈沖形狀甄別（PSD）,脈沖形狀甄別經(jīng)常用來(lái)鑒別粒子的類型。不同類型的粒子在某些探測(cè)器中產(chǎn)生的電流脈沖形狀有明顯差別，藉此可用來(lái)甄別粒子的種類。粒

56、子類型的鑒別可以將各種粒子混在一起的能譜分別予以記錄，避免相互疊迭。也可用來(lái)剔除某一類粒子的本底。從電路原理角度來(lái)區(qū)分，脈沖形狀甄別有電荷比較法與時(shí)間比較法二種,時(shí)間比較法波形甄別的原理,探測(cè)器輸出的電流脈沖被積分后形成電壓脈沖，它的上升時(shí)間僅決定于電流脈沖的形狀與寬度； 將它成形為雙極性，使過(guò)零點(diǎn)時(shí)間與幅度無(wú)關(guān)，僅決定于信號(hào)的上升時(shí)間，也就是決定于探測(cè)器的電流脈沖的形狀與寬度。利用這一個(gè)特點(diǎn)就可用來(lái)作波形甄別，用于粒子類型的鑒別。,

57、波形甄別電路,前沿時(shí)檢電路的閾值調(diào)節(jié)很低，它的輸出信號(hào)vl在輸入信號(hào)起始時(shí)刻t0出現(xiàn)；過(guò)零時(shí)檢電路的輸出信號(hào)vz在信號(hào)過(guò)零時(shí)刻tz產(chǎn)生，而tz與探測(cè)器輸出的電流脈沖形狀和寬度有關(guān)。調(diào)節(jié)延遲時(shí)間td?(tz-t0)使輸入到符合電路的信號(hào)重疊符合電路產(chǎn)生輸出（圖b中vi1的情況） 。若(tz-t0)不等于td的情況，符合電路不產(chǎn)生輸出。這類輸入信號(hào)就被剔除了（圖中vi2情況）。,波形甄別電路改進(jìn),用TAC來(lái)替代符合電路，使不同波形的輸入信號(hào)