核电子学实验

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1、四川大学本科实验教学大纲课程名称：核电子学实验英文名称： Experiments of Nuclear Electronics课程性质：专业实验课程代码：20225930-0本大纲主笔人：王广林杨朝文等面向专业：核工程与核技术专业实验指导书名称：核电子学实验出版单位：原子能出版社出版日期：1982年主编：徐钧山等实验讲义名称：核电子学实验讲义编写单位：四川大学核工程与核技术物理系出版单位：自编出版日期：2005. 9一、课程学时学分课程总学时：56学时课程总学分：3学分实验总学时：56学时实验总学分：3学分二、实验的地位、作用和目的掌握核工程与核技术常用一起的结构性能及指标的测量方法，为正确使

2、用仪器、组成测 量系统打基础。学生在学习了 “核电子学”课程的基础上通过对几个常用的核电子学电路的性能指标的测 试，掌握核电子仪器的工作原理、常用仪器的使用方法和基本的测量方法。三、基本原理及课程简介核电子学实验是一门实践性很强的课程，可帮助学生巩固加深和补充课堂所学的“核 电子学”的内容。通过对几个常用的核电子学电路的性能指标的测试，掌握常用的核电子仪 器的工作原理，掌握常用仪器的使用方法，掌握单元电路的测量方法，整机的性能指标的基 本测量方法，正确地整理、分析实验结果和数据，并能检查和排除常见的故障使电路正常工 作，培养分析问题和解决问题的能力，为核物理的测量工作中正确选择仪器奠定一定的基

3、础。 各实验的原理如下：实验一探测器输出信号波形的观测核电子学研究的是如何测量、分析、处理核辐射探测器给出的模拟电信号。这些信号携 带核辐射的各种信息。比如，信号幅度代表粒子能量、信号的形状可能反应粒子的类别、信 号的时间关系可能代表粒子寿命或者作用的过程。在射线作用下，探测器内产生电离，产生的正负离子在电场的作用下向两极运动。负离 子被阳极收集，正离子被阴极收集。于是产生相应的脉冲电信号。脉冲信号幅度、上升时间、 宽度等与探测器种类、结构、和工作电压有关，与射线能量有关或者无关。实验中利用不同探测系统分别探测不同的射线a 8 y，调整探测器工作条件，观察波形的 相应变化和特征。实验二电荷灵敏

4、前置放大器半导体探测器输出电压幅度为：U = Q/匕，这里Q是收集到的电荷量，结电容随外 界温度和外界偏压而改变，使得输出信号的幅度不稳定，给能谱测量带来很大困难。为解决 此问题，需要使用电荷灵敏放大器以极大地提高等效输入电容，当C/为反馈电容时，放大器 的输出信号幅度为U广-K - U广-Q,由此可见，电荷灵敏放大器的输出信号幅度就f仅与探测器输出的电荷Q成正比，而与探测器的结电容C和放大器的输入电容c无关。实验三线性脉冲放大器线性脉冲放大器用来放大探测器输出的微弱信号，要求它有良好的线性，即输出与输入 之间成正比关系。通过调节放大器的工作条件，可以改变放大器的相关参数，这对于能谱测 量也有

5、重要的影响。放大器的成形时间包括微分电路时间常数、积分电路时间常数对后面的能谱测量也有重 要的影响。通过调节这些常数，观察能谱分辨能力的变化，求出在特定条件下达到最佳能谱 分辨的相关参数。实验四核信号幅度分选与单道脉冲分析单道脉冲幅度分析器要求只有输入脉冲落入给定的电压（阈点平）范围（V -V）之内时， H L才输出逻辑脉冲。而输入脉冲幅度小于VL或大于VH大时皆无输出信号。单道脉冲发生器由输入衰减器、基线恢复器、加法器和减法器、甄别器（电压比较器） 和成型电路、反符合门电路、输出放大器六个部分组成，实验要求学生熟悉每个部分的工作 原理，测量各级静态工作点，用滑移精密脉冲发生器输入信号到单道，

6、用示波器观察各级波 形，测量单道甄别阈的积分非线性和道宽的微分非线性，测量单道的分辨时间、最高工作频 率。实验五核信息时间分选与符合反符合在核物理实验中，常遇到需要记录两个或两个以上时间上有规律性联系的事件或同时发 生的事件。例如要记录正负电子相遇发生淹没，转换成两个光子的事件，需要符合电路。当 电路的各输入端都有脉冲输入，而且这些脉冲是在一定的时间间隔内出现时，电路能产生一 个输出脉冲。来源于同一核事件的两个脉冲产生的符合叫真符合，而来源于不相关核事件的 脉冲在电路的分辨时间内同时到达所产生的符合成为偶然符合。实验六核数据获取中的定时与计数电路时间-数字变换电路主要用于时间测量，如激发态的寿

7、命、粒子识别、中子的飞行时间测 量等。时间-数字变换电路，就是将两个相关事件的时间间隔，线性地变换成数字脉冲，根据数 字脉冲数的多少，确定所测事件的时间间隔。该电路有两路输入信号，一路作为起始脉冲， 一路作为停止脉冲，由起始脉冲触发一个双稳态电路，停止脉冲复位该双稳态电路，双稳态 电路的输出端控制一个与门电路，让高频晶振信号经过该与非门，用一个高速计数器记录通 过与非门的晶振脉冲信号，其脉冲个数即与起始信号和停止信号之间的时间间隔成正比。时间-数字变换电路的指标有（1）时间变换的量程；（2）线性；（3）计数率效应；（4） 电子学分辨时间；（5）温度稳定性。实验七核电子学中可编程器件及应用集成电

8、路的蓬勃发展使得数字电路的研究及应用出现非常大的发展空间。使用 FPGA（Field Programmable Gate Array）或 CPLD（Complex Programmable Logic Device）的设计软 件可将设计好的程序烧写入FPGA器件，如同自行设计集成电路一样，可节省电路开发的费 用与时间。由于集成化程度提高，使仪器的体积减小，焊点数量大大减少，从而使仪器的可 靠性和稳定性大大提高，所以在核电子学中可编程器件得到广泛的应用。本实验从使实验者 熟悉的目的出发，所以只用MAX+plus II中的电路图编辑器。将设计好的电路经MAX+plus II 中的编译器编译产生烧写

9、文件*.pof，通过下载线将实验板与计算机的并口相连，通过 MAX+plus II的烧写功能，将*.pof文件烧写至MAX系列器件或下载至FLEX系列器件。实验八核辐射探测信号波形高速采样与处理传统的核信号测量一般采用低速ADC，仅能采集信号的幅度信息。信号的上升时间、信 号宽度、信号形状等信息丢失。利用高速ADC对整个信号波形采样，然后利用DSP强大的数 字信号处理能力，对这些数据进行处理，可以获得比传统测量方法更多的信息。通过现场编写程序，验证各种算法，从能谱分辨率的变化，观察算法效果，寻求最佳的 算法程序。四、实验方式及基本要求要求学生实验前认真预习实验原理，熟悉仪器的使用方法；以科学的

10、态度认真做每一个实 验；对实验数据认真分析和总结；独立完成实验报告和回答思考题。在进行试验之前要求，1. 课外预习。2. 课内提出问题，有任课教师解答，并提问。3. 明确试验的目的意义及试验要求及步骤后方可开始实验。当堂记录好实验数据。五、实验报告1. 实验后第二周交实验报告。2. 实验报告必须写清以下内容实验题目实验目的、意义实验原理（以文字形式加以说明给出必要的原理图）实验仪器（给出实验方框图、列出试验中所使用的仪器及型号、规格）实验数据处理（按实验的具体要求处理数据，给出必要的计算公式。数据使用表格形 式给出，要求规范清晰。作图要求必须使用标准坐标纸做图）在实验报告中明确给出试验结果。并

11、进行必要的讨论按照每一个实验的具体要求选作思考题。六、考核与考试1. 实验总成绩由实验考核和理论考核两部分组成：实验考核占70%，理论考核占30%。2. 实验考核成的评定：每一实验的成绩由任课教师根据预习、实验和实验报告综合评定给出成绩，实验考核 部分的成绩采用平均值的方法计算。七、基本设备与器材配置（名称及数量）题目一：探测器输出信号波形的观测序号设备名称数量备注1a p y放射源3各12电离室1DL-5043G-M计数管10J701-Y43He正比计数器1ZJ-12115离子注入半导体探测器2U-012-025-1006电荷灵敏放大器1FH1047A7线性放大器2BH12188脉冲发生器1

12、NF15119示波器1TDS4042B10NIM机箱2FH0001A11NIM插件低压电源2FH1222N123Kv高压电源1FH191013高速波形采集卡、配套软件1200M14计算机2组装题目二：前置电荷灵敏放大器序号设备名称数量备注1示波器1TDS10122数字万用表1EDM-82B3NIM插件低压电源1FH1222N4线性放大器1BH12185直流稳压电源1BJ17326脉冲发生器1NF15117电荷灵敏放大器1FH1047A8快定时前置放大器1VT120B9超高频毫伏表1YB2174题目三：核能谱测量中的线性脉冲放大器序号设备名称数量备注1任意函数波形发生器1332202线性混合放大

13、器2FH1018A3线性主放大器1BH12184NIM机箱1FH0001A5机箱电源1BH12226示波器1TDS10127通用前置放大器1142IH8通用主放大器1575A题目四：核信号幅度分选与单道脉冲分析序号设备名称数量备注1单道分析器1FH12192NIM机箱1FH0001A3机箱电源1BH12224插道式定标器1BH12205示波器1TDS10126数字万用表1EDM-82B7定时单道分析器1590A题目五：核信息时间分选与符合反符合序号设备名称数量备注1示波器1TDS10122脉冲发生器14483直流稳压电源1BJ17324智能化定标器1FH463B5离子注入位置灵敏硅探测器1P-

14、055-0847-1006塑料闪烁探测器1905-21-S7符合反符合电路2BH12218延迟器电路2FH1055A题目六：核数据获取中的定时与计数电路序号设备名称数量备注1时间数字变换器1自制2直流稳压电源1DH1715A-53示波器1TDS10124快速自动定标器1自制5数字万用表1EDM-82B6脉冲发生器14487定时器与定标器1871题目七：核电子学中可编程器件及应用序号设备名称数量备注1示波器1TDS10122数字万用表1EDM-82B3计算机1P4 2G4直流稳压电源1BJ17325两通道计数器1CMC2516实验用电路板和下载线4自制7脉冲发生器1448题目八：核辐射探测信号波

15、形高速采样与处理序号设备名称数量备注1超薄窗241Am源1Am-1C2Au(Si)面垒半导体探测器1GM1013真空室18074便携式真空系统1ALPHA-PPS-2305电荷灵敏放大器1FH1047A6线性放大器1BH12187脉冲发生器1NF15118NIM机箱1FH0001A9NIM插件低压电源1FH1222N10高速波形采集卡1200M11DSP开发套件1TI6200系列12计算机1组装13自制电路板2八、实验项目及内容提要实验室名称：核工程与核技术序 号实验名称内容提要实验性质实 验 类 别现有套数每组人数实 验 时 数备注（学分）1探测器输 出信号波 形的观测1. 通过对G-M计数

16、管、闪烁探测 器和金硅面垒半导体探测器输 出信号的观测，掌握各种的探 测器输出信号的特点。2. 掌握各种探测器的工作条件。3. 思考对各种信号处理的电路的 要求。331272电荷灵敏前置放大器1. 了解电荷灵敏放大器的电路结 构和工作原理。2. 学习电荷灵敏放大器性能指标 的测试方法。3. 掌握电荷灵敏放大器的特点和 用途。331273核能谱测 量中的线 性脉冲放 大器1. 掌握线性脉冲放大器的工作原 理。2. 通过实验掌握线性脉冲放大器 的主要指标的测量方法。3. 熟悉线性脉冲放大器的用途。331274核信号幅 度分选与 单道脉冲分析器1. 掌握单道脉冲幅度分析器的工 作原理。2. 掌握单道

17、脉冲幅度分析器的甄 别阈及道宽线性的测量方法。3. 掌握单道脉冲幅度分析器的分 辨时间的测量方法。4. 熟悉单道脉冲幅度分析器的用 途。331275核信息时 间分选与 符合反符 合1. 通过符合和反符合电路的波形 观测，进一步掌握符合和反符 合电路的工作原理。2. 学习符合电路指标的测试 方 法。3. 掌握符合和反符合电路的 用 途。331276核数据获 取中的定 时与计数 电路1. 掌握时间-数字变换电路的原 理。2. 学习时间-数字变换电路的主 要指标的测试方法。3. 通过实验掌握时间测量的方法 和用途。331277核电子学 中可编程 器件及应 用1. 了解复杂可编程器件的结构特 点（以A

18、LTERA公司的EPM7128 为例）。2. 熟悉ALTERA公司的复杂可编程器件使用环境3. 掌握图形方式设计的方法和对 器件进行编程4. 通过实验能将复杂可编程器件 灵活运用于核电子学电路中。341278核辐射探测信号波形高速米样与处理1. 掌握核探测信号波形的高速AD 采样技术及原理。2. 掌握波形数据的处理方法，学 习DSP程序设计33127注：1、实验性质：1基础实验、2 专业（技术）基础实验、3 专业实验；2、实验类别：1 一演示、2验证（单元）、3综合、4一设计、5训练等;3、现有套数：指仪器设备套数，与该实验可同时开出的组数相对应；4、备注（学分）：已进行网上选课的实验项目填写学分；5、受学时所限，学生实验在以上内容中选作。