【2017年整理】06谱仪放大器a.doc

PAGE 1 ·PAGE 18· 7 谱仪放大器 7.1 概 述 7.1.1 放大器在核测量系统中的作用 图7.1.1 放大器在测量系统中的位置前面阐明了前置放大器的功能是解决和探测器的配合以及对探测器信号进行初步放大和处理。但是前置放大器输出的脉冲幅度和波形并不适合后面分析测量设备（单道分析器、多道分析器等）的要求。所以对信号还需要进一步放大和成形，在放大和成形的过程中必须严格保持探测器输出的有用信息 图7.1.1 放大器在测量系统中的位置 图7.1.1给出了放大器在测量系统中具体位置。 通常在能谱测量中所用的放大器，主要看其在能谱测量中对能量分辨率的影响大小，尽可能降低它的影响，以至可以忽略不计。现在谱仪放大器的性能也日益完善，发展了滤波成形技术、基线恢复、堆积拒绝技术，建立了适用于高计数率高能量分辨率的谱仪放大器，较好地满足了核辐射能谱测量的需要。 放大器的输出信号要适应分析测量设备的要求，必须解决两个问题。一个是把小信号放大到需要的幅度。另一个是改造信号形状，通常称为滤波成形， 目的是放大有用的信号，降低噪声，提高信号噪声比，适合于后续电路的测量。当然在这个过程中尽可能不损失有用的信息。 为了说明放大器的任务，这里举一个简单的例子。 图7.1.2（a）所示的波形为前置放大器的输出信号，其尾部衰减时间常数通常在几十微秒以上，而上升时间通常为几十纳秒左右。这样的堆积信号是很难进行放大的，因为信号很容易使放大器阻塞而失去放大功能，而且后面分析测量设备也无法进行正常的分析及处理。 如果让信号通过一个由电阻R，电容C组成的微分电路，其RC时间常数远小于信号的衰减时间常数，就可以使堆积的信号分开，并从基线开始增长，如图7.1.2（b）所示的波形。这就是简单的滤波成形电路。无论是进一步放大或滤波成形，都必须保持由探测器输出的信息：幅度信息和时间信息。实际上，在能谱测量中对时间信息往往并无要求，所以在滤波成形时就不必考虑时间信息方面的要求，同样在时间测量中对能量信息无要求时，也不必考虑能量信息的要求。 图7.1.2 前置放大器输出信号通过RC微分电路后的波形 （a）前置放大器输出波形；（b）通过RC微分电路后的波形；（c）RC微分电路 7.1.2 谱仪放大器的框图介绍 过去在核物理实验中由于探测器本身的能量分辨率不高，一般的脉冲放大器就可以满足测量上的要求。随着探测器的发展，尤其是各种半导体探测器的出现，使探测器的性能有了很大的提高。往往要求放大器对总的能量分辨率的影响不超过万分之几，因此对放大器引起能量畸变的各种因素都要加以考虑。原有的放大器就不再能适应新的需要了。放大器的研制是放在提高测量能谱的精度和提高计数率的两个方面。在谱仪放大器中，为提高信号噪声比，采用滤波成形电路，往往采用一次微分和三次到四次的积分滤波成形电路。在计数率高的情况下，信号堆积或隔直电容充放电会引起的基线漂移使谱线变宽。分辨率变坏，峰位移动。要解决这些问题又引进了基线恢复器。另外高计数率条件下脉冲堆积的影响将是十分严重的，导致能量分辨率变差，能谱畸变。采用堆积拒绝电路，剔除堆积信号，将使放大器的性能进一步得到改善。 图7.1.3给出了几种常用谱仪放大器的框图。 图 7.1.3 谱仪放大器原理的方框图 从这些框图中也可以看出谱仪放大器的性能愈好，结构也就愈复杂。根据实验要求不同，谱仪放大器可以选择不同的形式。 7.1.3 放大器的基本参量及测量方法 一、放大器的放大倍数(增益)及其稳定性 放大器的放大倍数取决于前置放大器输出幅值和后续分析测量设备所要求的信号大小。通常各种探测器的输出信号由前置放大器放大后，其幅度约在毫伏到伏量级．而分析测量设置备要求多在几伏到十伏左右。由此，通用放大器的放大倍数要求几倍至几千倍，而且可以调节。 放大器的放大倍数稳定性是放大器在连续使用的时间内（如八小时）由于环境温度的变化，电源电压变化等因素导致放大器放大倍数的不稳定程度。其结果是使测量到的能谱产生畸变，实验结果误差增大。例如：在目前高分辨率谱仪中放大倍数的变化0.1%也会影响测量结果，所以通常要求放大倍数的温度系数在0.01%℃左右。当电源电压变化1%时，放大倍数变化应小于0.05%。 提高放大倍数的稳定性最有效的方法是采用深度负反馈，负反馈愈深，即A0F愈大，放大倍数的稳定性也就愈好。为放大器无反馈时的放大倍数，一般在几百至几千倍，为反馈系数，一般在零点几的量级。 对于谱仪放大器的放大倍数定义为：用阶跃电压或上升时间足够小，宽度足够宽的矩形脉冲作为输入信号，在一定的成形电路时间常数条件下，输出脉冲幅度和输入脉冲幅度之比。 测量放大倍数的实验装置，如图7.1.4所示。 图7.1.4 测量放大倍数的实验装置图 图7.1.4 测量放大倍数的实验装置图