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1、第五章第五章时间分析时间分析1概概述述2定时方法定时方法3符合符合4时间量变换方法时间量变换方法5脉冲波形甄别脉冲波形甄别u核激发态寿命测量；核激发态寿命测量；u正电子湮没寿命测量；正电子湮没寿命测量；u正电子发射断层扫描；正电子发射断层扫描；u高能粒子径迹探测；高能粒子径迹探测；u粒子鉴别；粒子鉴别；u符合技术与反符合技术；符合技术与反符合技术；u中子飞行时间望远镜测量法；中子飞行时间望远镜测量法；1.概概 述述一、时间信息分析所要解决的基本问题一、时间信息分析所要解决的基本问题二、时间信号的检出二、时间信号的检出一、时间信息分析所要解决的基本问题一、时间信息分析所要解决的基本问题1、时间间
2、隔甄别、时间间隔甄别时间间隔甄别应用实例时间间隔甄别应用实例时间间隔甄别器的基本功能时间间隔甄别器的基本功能2、时间间隔测量、时间间隔测量时间间隔测量应用实例时间间隔测量应用实例时间分析器的基本功能时间分析器的基本功能时间间隔甄别应用实例时间间隔甄别应用实例电子正电子对撞实验中，产生电子正电子对撞实验中，产生+和和-的事例的事例探测器探测器D1和探测器和探测器D2相距有几十米以相距有几十米以上，对称排布，用来测定上，对称排布，用来测定 子。子。因为因为 +和和 -的动量相等，且对面碰撞，的动量相等，且对面碰撞，根据动量守恒定律，和飞行方向相反，根据动量守恒定律，和飞行方向相反，飞行速度近似相同
3、，从对撞点飞出，应飞行速度近似相同，从对撞点飞出，应几乎同时分别击中几乎同时分别击中D1和和D2。随着击中随着击中D1和和D2位置不同信号位置不同信号S1和和S2产生时刻发生差别，如果最大时差值为产生时刻发生差别，如果最大时差值为5ns，那么，那么S1和和S2时间间隔小于时间间隔小于5ns的事例应该是的事例应该是 +和和 -事例的事例的的一个的一个“候选候选”条件，这样可以排斥掉很多本底事件。例如宇宙射线穿过探测器系统条件，这样可以排斥掉很多本底事件。例如宇宙射线穿过探测器系统，D1和和D2是先后被击中，是先后被击中，S1和和S2的时间间隔将会大于的时间间隔将会大于5ns，不满足此，不满足此“
4、候选候选”条条件，应该被排斥掉件，应该被排斥掉。需要用一个时间间隔甄别器来作为事例的选择需要用一个时间间隔甄别器来作为事例的选择。时间间隔甄别器的基本功能时间间隔甄别器的基本功能lN个信号加入它的输入端为个信号加入它的输入端为u1,u2.ui.uN-1,uN，它们分别它们分别在在ti（i=1,2N）时刻到达甄别器时刻到达甄别器的输入端，其中任意一对信号间的的输入端，其中任意一对信号间的时间差都满足：时间差都满足：- 1titj0）在输出端产生逻辑信号输出在输出端产生逻辑信号输出，只要有任意一对信号不满足上述，只要有任意一对信号不满足上述条件，将不产生输出。条件，将不产生输出。经常遇到的情况是处
5、理二个输入信号的符合电路，称为二重符合电路。二个输经常遇到的情况是处理二个输入信号的符合电路，称为二重符合电路。二个输入信号到达的时间分别为入信号到达的时间分别为t1和和t2，若满足，若满足- 1t1t20）在输出端产生逻辑信号输出，否则将不产生输出在输出端产生逻辑信号输出，否则将不产生输出。 1 2为其分辨时间。为其分辨时间。选择选择 1= 2= ，则分辨时间为，则分辨时间为2 （或称为符合时间窗宽）。（或称为符合时间窗宽）。具有这种功能的电路通常称为符合电路具有这种功能的电路通常称为符合电路， 1 2为其分辨时间。（也为其分辨时间。（也就是时间间隔阈值）。就是时间间隔阈值）。时间间隔测量应
6、用实例时间间隔测量应用实例l飞行时间计数器是在高能物理实验中经常用到的探测器系统，飞行时间计数器是在高能物理实验中经常用到的探测器系统，用来测量带电粒子的飞行时间，其主要功能是通过所测量粒子用来测量带电粒子的飞行时间，其主要功能是通过所测量粒子的飞行时间信息，结合其它探测器测得粒子的动量和径迹，从的飞行时间信息，结合其它探测器测得粒子的动量和径迹，从而辨别粒子的种类。而辨别粒子的种类。l测量探测器的信号和测量探测器的信号和e+e-的作用发生时刻之间的时间间隔，的作用发生时刻之间的时间间隔，就可以测量到粒子的飞行时间信息。就可以测量到粒子的飞行时间信息。时间分析器的基本功能时间分析器的基本功能l
7、由时间间隔编码器与数据获取系统组成的时间分析器，用来完成时间间隔由时间间隔编码器与数据获取系统组成的时间分析器，用来完成时间间隔测量。测量。l时间间隔编码电路是时间间隔测量中关键部件，通常称它为时间数字转时间间隔编码电路是时间间隔测量中关键部件，通常称它为时间数字转换器（换器（TDC ,TDC ,TimetoDigitConversion）。）。l输出端的数码值为输出端的数码值为其中其中T0为为LSB所对应的时间间隔。所对应的时间间隔。lTDC的输出再送到数据获取系统进行数据采集与存储，它的功能与多道幅的输出再送到数据获取系统进行数据采集与存储，它的功能与多道幅度分析器中数据获取系统相同。度分
8、析器中数据获取系统相同。 探探测测器器定时电路定时电路时间-数字变换启动启动停止停止输出输出时间信息时间信息参考时间信号参考时间信号放大器放大器定时道的组成定时道的组成l无论是送到符合电路还是送到无论是送到符合电路还是送到TDC的信号，的信号，要求它的出现时刻与粒子击中探测器的时刻要求它的出现时刻与粒子击中探测器的时刻能精确地相对应。事件的产生到信号进入时能精确地相对应。事件的产生到信号进入时间信息分析电路之间，大体上如以下过程所间信息分析电路之间，大体上如以下过程所示：示：核事件产生粒子（核事件产生粒子（t1时刻时刻)探测器被击探测器被击中（中（t2时刻）时刻）探测器信号输出（探测器信号输出
9、（t3时刻出现时刻出现信号）信号）电子学电路信号处理（前放（电子学电路信号处理（前放（t4时刻）时刻）放大、成形（放大、成形（t5时刻）时刻）时检电路检出信号时检电路检出信号（t6时刻）送到时间信号分析电路或符合电路时刻）送到时间信号分析电路或符合电路输入端（输入端（t6时刻出现信号）。时刻出现信号）。时间信号的检出时间信号的检出ttttttt1t2t6t5t4t3t1：核事件发生t2：粒子进入探测器t3：产生的电流脉冲t4：前置放大器输出的电压脉冲t5：主放大器输出的电压脉冲t6：定时甄别器输出的脉冲l在讨论时间信号检出时，从探测器输出的电流信号有以下在讨论时间信号检出时，从探测器输出的电流
10、信号有以下几点需要考虑：几点需要考虑：1.延迟。延迟。t3在在t2之后一定时间之后出现之后一定时间之后出现2.展宽。实际的电流信号不是一个展宽。实际的电流信号不是一个 信号信号3.涨落。涨落。(t3-t2)是一个随机量，而且信号形状也是一个随机量，而且信号形状也会随机变化。会随机变化。l定时电路的功能是使的涨落尽可能小，或者说的晃动很小。定时电路的功能是使的涨落尽可能小，或者说的晃动很小。时间信号的检出时间信号的检出2定时方法定时方法一、产生时间晃动的几个主要因素一、产生时间晃动的几个主要因素二、时间晃动大小的度量二、时间晃动大小的度量三、前沿定时甄别器三、前沿定时甄别器-固定阈值甄别器固定阈
11、值甄别器四、恒比定时甄别器四、恒比定时甄别器（CFD）五、幅度和上升时间补偿定时五、幅度和上升时间补偿定时（ARC） 一一产生时间晃动的几个主要因素产生时间晃动的几个主要因素输入到时间信息分析系统的信号出现时间晃动主要输入到时间信息分析系统的信号出现时间晃动主要有以下几个因素：有以下几个因素：1、探测器的固有晃动。、探测器的固有晃动。2、噪声引起时检电路输出的时间晃动。、噪声引起时检电路输出的时间晃动。3、幅度时间游动效应。、幅度时间游动效应。4、上升时间游动效应。、上升时间游动效应。5、超阈延迟、超阈延迟以上几种因素在不同条件下对晃动所起的影响是不以上几种因素在不同条件下对晃动所起的影响是不
12、相同的，因而要具体加以分析，分清主次。着重分相同的，因而要具体加以分析，分清主次。着重分析幅度和上升时间游动效应产生的时间晃动及其解析幅度和上升时间游动效应产生的时间晃动及其解决办法。决办法。探测器的固有晃动探测器的固有晃动不同的探测元件电流信号输出的时间晃动不一样，不同的探测元件电流信号输出的时间晃动不一样，它的产生原因也不相同，大致因为载流子在探测器内运它的产生原因也不相同，大致因为载流子在探测器内运动途径不同造成的动途径不同造成的。例：闪烁体和光电倍加管（例：闪烁体和光电倍加管（PMT）组成的闪烁计数）组成的闪烁计数器，由于粒子击中的位置不同使光传输到器，由于粒子击中的位置不同使光传输到
13、PMT的时间不的时间不同，使得其输出信号的时间发生差异，而击中的位置往同，使得其输出信号的时间发生差异，而击中的位置往往是随机的，因而信号输出的时间产生时间晃动。往是随机的，因而信号输出的时间产生时间晃动。噪声引起时检电路输出的时间晃动噪声引起时检电路输出的时间晃动噪声叠加在信号之上将引起时检电路输出的时间晃动。噪声叠加在信号之上将引起时检电路输出的时间晃动。2vnoVT2T1tTt2vnovVT2T2tTt噪声叠加于信号的影响噪声叠加于信号的影响噪声叠加于阈值的影响噪声叠加于阈值的影响幅度时间游动效应幅度时间游动效应不同幅度经过时检电路之后在输出时间上产生差异不同幅度经过时检电路之后在输出时
14、间上产生差异，探测器输出信号幅度的随机变化造成了时间上晃动，探测器输出信号幅度的随机变化造成了时间上晃动，称为称为幅度时间游动效应。幅度时间游动效应。上升时间游动效应上升时间游动效应l不同上升时间的信号经过时检电路之后会不同上升时间的信号经过时检电路之后会产生在输出信号时间上差异产生在输出信号时间上差异 ，而有些探测，而有些探测元件输出信号上升时间也存在随机变化，元件输出信号上升时间也存在随机变化，这也就带来了时检电路的输出信号在时间这也就带来了时检电路的输出信号在时间上晃动。这称为上晃动。这称为上升时间游动效应上升时间游动效应。 超阈延迟超阈延迟l任何触发器都存在超阈延迟。任何触发器都存在超
15、阈延迟。VTVTtL1tL2Vvi(t)tD二二时间晃动大小的度量时间晃动大小的度量l时检电路信号输出与粒子击中探测器之间的时间差时检电路信号输出与粒子击中探测器之间的时间差td=（t0-t0）是随机量，它服从一定的分布规律，是随机量，它服从一定的分布规律，td的概率密度函数为的概率密度函数为 Pd（td），），可以得到各级矩：可以得到各级矩：由此推知由此推知tdtd的随机变化情况，来度量的晃动大小的随机变化情况，来度量的晃动大小。一般可以假设一般可以假设td服从高斯分布，服从高斯分布，和和是关键参量是关键参量作为时间晃动的度量作为时间晃动的度量l二个信号时间间隔及其晃动量二个信号时间间隔及其
16、晃动量时间晃动大小的度量时间晃动大小的度量22时间晃动大小的度量时间晃动大小的度量l时间晃动实验测量时间晃动实验测量在实验上可以用在实验上可以用同一瞬间产生两个粒子的放射源（同一瞬间产生两个粒子的放射源（6060Co 源源，几乎是同时发射几乎是同时发射两个两个 粒子粒子 1 1和和 2）；）； 测量计数随测量计数随（即时间间隔）值变化曲线（即时间间隔）值变化曲线 ，图中求得，图中求得 和和半高全宽时间半高全宽时间FWHMtd , ,时间晃动为时间晃动为三三前沿定时甄别器前沿定时甄别器-固定阈值甄别器固定阈值甄别器1、前沿定时特性分析、前沿定时特性分析2、基本电路结构、基本电路结构触发电路VT输入输入信号信号输出输出信号信号vivovitVTvottL前沿定时特性分析（一）前沿定时特性分析（一）l将输入信号前沿近似看成线性上升，可用下述关系表示：将输入信号前沿近似看成线性上升，可用下述关系表示： 输出信号对输入信号的时间延迟可以表示为：输出信号对输入信号的时间延迟可以表示为：其中其中t ti i为输入信号从出现到上升为为输入信号从出现到上升为V VT T所需时所需时间，间，t t 为渡越
