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电荷灵敏前置放大器在核电子学中的重要性

发布时间:2016-10-21浏览次数:388

  电子学是在核辐射探测技术和电子技术基础上发展起来的电子学与核科学间的一门交叉学科。它是以核科学、高能物理等学科的基础研究为依托而兴起的,而且是以各种电学技术的不断发展而逐步蓬勃发展的一门学科,因此它的形成也即在于20世纪50年代。在物理的基础研究中,人类对微观世界的研究是通过探测微观粒子间相互作用过程中产生的各种辐射、辨别辐射粒子的类型、测量其能量、确定各种辐射粒子间时间关系和重建辐射粒子在空间穿越的径迹等,从而获得微观粒子相互作用过程中各种信息,揭示出微观世界的奥秘。

                                    

  因此,无论是在核物理和粒子物理实验研究中,或者是在核科学与技术的实际应用中, 都需要采用电子学方法对核辐射进行测量, 都需要对核探测器输出的信号进行处理与分析。整个过程可简单描述为:用电子学方法收集辐射粒子在探测器内产生的电荷而形成电信号,经过信号模拟处理(放大或成形)和数字化之后,送入专用的数字化处理系统或计算机进行处理和分析,从而得到这些辐射粒子所携带的各种物理信息(能量、时间和空间等方面特性)。简单流程示意如下:辐射→探测器→形成电信号→模拟处理→数字化→计算机或专用设备数据采集→在线分析。其中从形成电信号道数据采集和再现分析这一过程就是核电子学的研究范围。

  由于探测器输出信号往往比较小, 一般情况下, 首先要通过放大器进行放大,也即是在上述流程中的形成电信号→模拟处理这一过程中,因此与探测器输出直接相联的电路即称为前置放大器。前置放大器最主要的功能是放大来自探测器的信号, 并尽可能低的产生附加噪声贡献, 并对随后传输的电信号尽量减少外界电磁场的影响。对应于不同类型的探测器将有不同的前置放大器与之相配, 根据探测器输出信号成形方式的特点分类, 前置放大器可分为电压灵敏前置放大器、电流灵敏前置放大器和电荷灵敏前置放大器三大类。电流灵敏前置放大器属于电流型的放大器,一般在时间谱仪或高计数率测量中的核仪器,是为了使电子学电路不增加信号持续时间,尽可能得到与探测器输了出的电流信号在宽度或形状上相近的电信号。而属于积分型的前置放大器电压灵敏和电荷灵敏前置放大器则一般是在能谱仪中,是为了获得幅度正比电荷量的电压信号,即正比于探测器电流信号对时间的积分。

  电荷灵敏前置放大器是目前高分辨能谱测量系统中用得最多的前置放大器, 它输出增益稳定、噪声低、性能良好。但是随着实验技术的不断发展, 核物理研究的实验规模越来越大, 在一个实验测量系统中, 需要的探测单元也越来越多, 每一个探测单元需要配备一个前置放大器, 这样就需要许多个前置放大器。而且现在核技术的应用领域很广,这就需要一些小的探测器设备的出现才能使得核技术充分的在广泛的领域中应用。因此正由于这些需要我们考虑探测器的体积大小问题,但是传统的前置放大器一般采用分立元器件或混合集成电路设计的,这种在尺寸和性能上很难满足现在实验及应用的要求。因此目前如何设计出小尺寸的前置放大器以及如何将前置放大器的电子元件高度集成化是两个重要课题和任务。另外在现代的高能物理研究中,核反应产物日趋复杂,出射粒子道变得极为复杂和丰富,被测粒子除了能量信息外,其位置信息也很重要,这时就需要多路的前置放大器来探测其中的物理信息。


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