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電荷靈敏前置放大器在核電子學中的重要性

發布時間:2016-10-21瀏覽次數:1416

河北十一选五分布图 www.lrmia.icu   電子學是在核輻射探測技術和電子技術基礎上發展起來的電子學與核科學間的一門交叉學科。它是以核科學、高能物理等學科的基礎研究為依托而興起的,而且是以各種電學技術的不斷發展而逐步蓬勃發展的一門學科,因此它的形成也即在于20世紀50年代。在物理的基礎研究中,人類對微觀世界的研究是通過探測微觀粒子間相互作用過程中產生的各種輻射、辨別輻射粒子的類型、測量其能量、確定各種輻射粒子間時間關系和重建輻射粒子在空間穿越的徑跡等,從而獲得微觀粒子相互作用過程中各種信息,揭示出微觀世界的奧秘。

                                    

  因此,無論是在核物理和粒子物理實驗研究中,或者是在核科學與技術的實際應用中, 都需要采用電子學方法對核輻射進行測量, 都需要對核探測器輸出的信號進行處理與分析。整個過程可簡單描述為:用電子學方法收集輻射粒子在探測器內產生的電荷而形成電信號,經過信號模擬處理(放大或成形)和數字化之后,送入專用的數字化處理系統或計算機進行處理和分析,從而得到這些輻射粒子所攜帶的各種物理信息(能量、時間和空間等方面特性)。簡單流程示意如下:輻射→探測器→形成電信號→模擬處理→數字化→計算機或專用設備數據采集→在線分析。其中從形成電信號道數據采集和再現分析這一過程就是核電子學的研究范圍。

  由于探測器輸出信號往往比較小, 一般情況下, 首先要通過放大器進行放大,也即是在上述流程中的形成電信號→模擬處理這一過程中,因此與探測器輸出直接相聯的電路即稱為前置放大器。前置放大器最主要的功能是放大來自探測器的信號, 并盡可能低的產生附加噪聲貢獻, 并對隨后傳輸的電信號盡量減少外界電磁場的影響。對應于不同類型的探測器將有不同的前置放大器與之相配, 根據探測器輸出信號成形方式的特點分類, 前置放大器可分為電壓靈敏前置放大器、電流靈敏前置放大器和電荷靈敏前置放大器三大類。電流靈敏前置放大器屬于電流型的放大器,一般在時間譜儀或高計數率測量中的核儀器,是為了使電子學電路不增加信號持續時間,盡可能得到與探測器輸了出的電流信號在寬度或形狀上相近的電信號。而屬于積分型的前置放大器電壓靈敏和電荷靈敏前置放大器則一般是在能譜儀中,是為了獲得幅度正比電荷量的電壓信號,即正比于探測器電流信號對時間的積分。

  電荷靈敏前置放大器是目前高分辨能譜測量系統中用得最多的前置放大器, 它輸出增益穩定、噪聲低、性能良好。但是隨著實驗技術的不斷發展, 核物理研究的實驗規模越來越大, 在一個實驗測量系統中, 需要的探測單元也越來越多, 每一個探測單元需要配備一個前置放大器, 這樣就需要許多個前置放大器。而且現在核技術的應用領域很廣,這就需要一些小的探測器設備的出現才能使得核技術充分的在廣泛的領域中應用。因此正由于這些需要我們考慮探測器的體積大小問題,但是傳統的前置放大器一般采用分立元器件或混合集成電路設計的,這種在尺寸和性能上很難滿足現在實驗及應用的要求。因此目前如何設計出小尺寸的前置放大器以及如何將前置放大器的電子元件高度集成化是兩個重要課題和任務。另外在現代的高能物理研究中,核反應產物日趨復雜,出射粒子道變得極為復雜和豐富,被測粒子除了能量信息外,其位置信息也很重要,這時就需要多路的前置放大器來探測其中的物理信息。


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