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1、数字化核仪器原理及应用,主讲：张软玉 2012-02,教学目的,了解核仪器及数字核仪器领域全貌 了解数字核仪器相关学科的相关理论知识 在对该前沿学科的追踪和学习过程中培养提出问题和解决问题的能力,教学要求,绪论,第一讲,提纲,什么是核仪器？ 核仪器的组成 核仪器的发展及与其它领域的关系 2. 什么是数字核仪器？ 3. 数字核仪器发展历程及现状,1.什么是核仪器？,1.1 核仪器就是感知、度量、控制核辐射的仪器！,核辐射是人们对于从原子核内部逃逸出来的能量（粒子、电磁波）从形式到作用效果的一种认知的总称。,已知的核辐射有： 未知的更有,核仪器分为：,核探测器：,核电子学装置：,将核辐射转换为电磁
2、辐射的装置 （可见光、电荷）,对可见光子和电荷信息进行维护、处理、识别、分析、可视化的装置。,一套核测量系统大都是这样的：,1.2 核探测器的发明和发展已有百年历史,Detector 和 Sensor,感受、感知 （声、光、热、）,探测、探寻（超长波、次声波、红外光、核辐射、）,研究重点：寻找、尝试、发明研制各种材料，使其与核辐射相互作用时，其作用效果,对辐射感受灵敏,与辐射能量有接近线性的量化关系,反应够快,辐射能,转化,电能,光能,热能,气体、电离室、半导体、化合物,照相底片、闪烁晶体、液体,即将发生原理上较大突破，将面临一系列问题需要解决，值得期待。,更高的能量分辨率、更快的时间分辨率、
3、更高的探测效率,能量分辨率、时间分辨率和探测效率往往相互矛盾 于是就有了探测器世界的多样性！ 不同的探测器被用于不同的测量任务中。,一项新的、富有挑战的任务？！,从材料和结构上进行改善和突破，力图同时满足核探测对能量、时间、效率的需求。进而追求成本、寿命、性价比,对探测器性能的追求和研究的投入客观上带动了材料科学和应用电子学的进步和发展。 在探测器研究中更大的前景和挑战是？,作业1,1. 查阅一种核探测器，描述关于它的全方位信息（原理、实现方法、应用范围、改进和发展前景）,2. 提出一种新的核探测器原理和实现思路。,二选一,1.3 核电子学系统的任务,接受核探测器的输出信号，并提取、处理、重建
4、、显示。,阻抗匹配、幅度放大、抑制噪声、结果提取、展示,核探测器输出的电信号携带着核素和核反应信息。如：1）信号的幅度可能代表粒子的能量； 2）信号的形状可能反映粒子类别； 3）信号的时间关系可能代表激发态寿命，或者反映出粒子飞行速度和径迹的空间分布； 4）电脉冲信号的计数率则代表辐射强度。,作业2,从理论和物理原理上对上述结论进行说明，给出支持，每人整理一项测量原理。,核探测器输出的电信号携带着核素和核反应信息。如：信号的幅度可能代表粒子的能量；信号的形状可能反映粒子类别；信号的时间关系可能代表激发态寿命，或者反映出粒子飞行速度和径迹的空间分布；电脉冲信号的计数率则代表辐射强度。,1.4核电
5、子学的发展引领潮流,对相关领域的贡献：,总是最快速、最主动应用相关领域的先进成果。 其发展极大促进和催生相关领域理论和技术的进步,核仪器拟完成的任务：,获取核辐射的事件数,获取探测器输出脉冲的幅度,获取探测器输出脉冲的宽度,获取相邻脉冲时间间隔,获取脉冲形状,100M/s或更高,mV量级的脉冲高度下分辨出eV量级的能量,10-9s以上的计时精度,每一项都是挑战电子学网络设计极限。,核电子学从上世纪初开始形成专门学科研究,电子管时代：,晶体管时代,一次理论和技术上的重大突破,极大促进了电子学领域从理论到实现上的进步，催生了毫微秒脉冲技术和快电子学分支的形成。,在这期间，核仪器实现了标准化，商品化
6、，有了插件组合模式。,同时被推进的研究更有：,核科学研究（加速其理论、研制、粒子物理、天体物理、宇宙空间物理） 核试验测试 （核弹实验，核侦测） 核技术应用（环境监测、国土安全、反恐、核医学、工业自动化 ）,1883年美国发明家爱迪生发现了热电子效应，随后在1904年弗莱明利用这个效应制成了电子二极管，并证实了电子管具有“阀门”作用，,1906年美国的德弗雷斯在弗莱明的二极管中放进了第三个电极栅极而发明了电子三极管，从而建树了早期电子技术上最重要的里程碑。半个多世纪以来，电子管在电子技术中立下了很大功劳；但是电子管毕竟成本高，制造繁，体积大，耗电多，,大规模和超大规模集成电路技术被核电子学充分
7、享用。使模拟式核电子学仪器快速发展和优化。,1947年12月23日，那是圣诞节的前一天，威廉 肖克力把车开到离纽约市20公里的贝尔实验室。那时天空阴暗，才早上7点，他匆忙走过空空荡荡的走廊，到达二楼办公室。在那里，他心情激动的等待着他的同事们。因为当天下午他们要向贝尔实验室的领导演示他们的新发明不用电子管的放大器。 大约一个小时后，约翰 巴丁和瓦尔特 布莱顿陆续来到实验室。巴丁进行了一些简单的计算，布莱顿和他的助手再一次检查对那个神秘装置的接线。布莱顿望着窗外连绵的细雨，心里嘀咕那是吉祥还是灾难的预兆。 午餐后，贝尔实验室的各方面负责人来到实验室，其中有固体小组组长肖克力，肖克力的上司、声学家
8、Fletcher，贝尔实验室的研究室主任Bown，此外还有提供锗样品的Gibney，和巴丁、布莱顿在同一试验室的Pearson，负责接线测试的Moore. 展示在他们面前的，除了常规的仪器设备如示波器、信号发生器、变压器、话筒、耳机、电表、转换开关之外，就是被他们围绕着的神秘装置。它是由两边包着金箔的塑料楔形体，由弹簧压在锗半导体表面上所组成的，两部的金箔分别接信号的输入端和输出端，锗半导体底部为共同端。 在简短介绍之后，布莱顿接通电源和信号。从示波器荧光屏上显示的，经放大器前后的波形对比，可以看到信号是显著的被放大了。布莱顿然后对着话筒随意讲一些话，带着耳机的Bown脸上立刻露出惊奇的神情。
9、它把耳机传给Fletcher，Fletcher听了之后不断的摇头惊叹。这激动人心的情景，令人回忆起70年代前电话的发明者亚历山大贝尔在波士顿住所的阁楼上拿着话筒对他的助手说：华生先生到这里来，我需要你的现场。他们似乎预感到，科学发展史中另一个新篇章已经开始了。,根据小组成员对这项工作的贡献大小，推举巴丁和布莱顿为发明人。考虑肖克力在发明前后对晶体管理论的研究成就，他和巴布三人共同获得1956年诺贝尔物理学奖。,1.5 数字化核仪器萌芽,ADC和多道分析器,最早的ADC出现在上世纪30年代,用于电话技术中,ADC最初扮演编码器的身份。,实现上：最早的ADC由电子管制成。,尽管存在与光束规整有关的
10、机械和电子方面的问题，电子管编码技术还是在 世纪 年代中期达到了顶峰，这时试验成功了 采样率的 位编码器，随后电子管ADC逐渐被半导体器件取代。今天高性能ADC是超大规模集成电路中典型器件之一。,ADC器件的产品化，大大促进了核谱仪原理和技术的进步,多道分析器的成功，是数字化概念引入核仪器的关键一步。,出现了一系列以ADC为核心的ADC、TDC、FADC核仪器插件,同时被核仪器系统引入的技术还有 计算机技术,最早的计算机与ADC、电子管是同时代的产物。,世界上第一台电子计算机于1946年在美国研制成功，取名ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Ca
11、lculator）。这台计算机使用了18800个电子管，占地170平方米，重达30吨，耗电140千瓦，价格40多万美元，是一个昂贵耗电的“庞然大物“。由于它采用了电子线路来执行算术运算、逻辑运算和存储信息，从而就大大提高了运算速度。ENIAC每秒可进行5000次加法和减法运算，把计算一条弹道的时间短为30秒。它最初被专门用于弹道运算，后来经过多次改进而成为能进行各种科学计算的通用电子计算机。从1946年2月交付使用，到1955年10月最后切断电源，ENIAC服役长达9年。,计算机发展经历的4个阶段,第一代（19461957年）是电子计算机，它的基本电子器件是电子管，内存储器采用水银延迟线，外存
12、储器主要采用磁鼓、纸带、卡片、磁带等。,第二代（19581970年）是晶体管计算机。1948年，美国贝尔实验室发明了晶体管，10年后晶体管取代了计算机中的电子管，诞生了晶体管计算机。晶体管计算机的基本电子元件是晶体管，内存储器大量使用磁性材料制成的磁芯存储器。,第三代（19631970年）是集成电路计算机。随着半导体技术的发展，1958年夏，美国德克萨斯公司制成了第一个半导体集成电路。第三代集成电路计算机的基本电子元件是小规模集成电路和中规模集成电路，磁芯存储器进一步发展，并开始采用性能更好的半导体存储器，运算速度提高到每秒几十万次基本运算。,第四代（1971年日前）是大规模集成电路计算机。第
13、四代计算机的基本元件是大规模集成电路，甚至超大规模集成电路，集成度很高的半导体存储器替代了磁芯存储器，运算速度可达每秒几百万次，甚至上亿次基本运算。,数据传输和数字通信技术伴随核仪器的发展而发展,随着CAMAC、NIM系统出现的还有FastBus、VMEbus等技术和标准。,数据传输和仪器模块间的通信是核仪器研究和发展中需解决的另一重要问题。,20世纪60年代是一个很特殊的时代。60年代初，古巴核导弹危机发生，美国和原苏联之间的冷战状态随之升温，核毁灭的威胁成了人们日常生活的话题。,美国国防部认为，如果仅有一个集中的军事指挥中心，万一这个中心被原苏联的核武器摧毁，全国的军事指挥将处于瘫痪状态，
14、其后果将不堪设想，因此有必要设计这样一个分散的指挥系统它由一个个分散的指挥点组成，当部分指挥点被摧毁后其它点仍能正常工作，而这些分散的点又能通过某种形式的通讯网取得联系。,经过50年的发展，Internet目前已经联系着超过160个国家和地区、4万多个子网、500多万台电脑主机，直接的用户超过4000万，成为世界上信息资源最丰富的电脑公共网络。Internet被认为是未来全球信息高速公路的雏形。,今天核仪器在互联网利用上,还有很大的发展空间!,2. 数字化核仪器,2.1 核仪器结构的演变,计数定标,单道定标,多道定标,核谱仪,数字核谱仪,早期核测量系统,ADC和计算机出现后,计算机和通信技术更
15、发达 智能化核仪器,计算机软硬件高度发达虚拟核仪器,不怕做不到，只怕想不到,2.2数字化核仪器,数字化核仪器,数字核信号处理系统,各种数字化器件、高速高精度ADC、计算机软硬件、数字通信技术高度发达的今天,2019/6/20,27,结构功能对比,比传统模拟式系统具有明显的优越性,开创了新的研究领域和商机,提高了人类认识和利用自然规律的能力,2.3数字化核仪器的优点,提供了很自由的在线和离线处理的空间,起始,年左右,飞利浦实验室.KOEMAN等人,首先提出了数字核信号处理的思想,证明了核仪器数字化的可行性,缓慢,上世纪六十八十年代,模拟式核测量系统发展迅速,建立了较完整的模拟核信号处理理论和方法
16、,兴起,二十世纪八十年代末起,数字化器件和计算机技术飞跃前进激活了数字核测量领域,数字核仪器进入快速发展阶段,3. 数字化核仪器发展及现状,商品化,近几年,数字化核仪器占据了核仪器市场一半以上份额,核仪器公司致力于部件及小系统数字集成,突破,2001年,数字化核测量系统研究思路发生了革命性突破,开启了数字核仪器下一步研究方向： 核测量系统全局数字化的实现和完善,2019/6/20,29,首先提出了在核能谱测量中采用数字滤波器进行核信号处理的思想。,设计了横向数字滤波器，将核信号成形为梯形脉冲,建立了一套基于数字化横向滤波器的X射线谱测量系统。,采用3片2.5MHz，5bit，应答式ADC。导致系统结构复杂，死时间长。,成果未能引起广泛关注！,起始阶段,2019/6/20,30,缓慢发展阶段,模拟核信号处理理论和方法也在这段时期建立起来。,核测量系统噪声理论,最优化滤波器理论,核信号堆积,弹道亏损等理论,随着模拟核仪器
