付春亮 林江景 郭明 龔林華

中船重工集團公司第七一九研究所，湖北 武漢 430000

核電子學前端系統(tǒng)研究是整個核電子學研究的重點、熱點。光電倍增管是一種比較靈敏的檢測器，能夠在來自陰極的光電子脈沖這樣低的檢測水平下工作[1]。在核電子學前端系統(tǒng)的研究中的作用是比較大的。核電子學前端系統(tǒng)研究一直是核電子學研究的熱點，其前端系統(tǒng)的噪聲歷來是該領(lǐng)域的研究重點。

1 光電倍增管的噪聲源

光電倍增管的噪聲來源可以簡單地歸結(jié)為兩種類型：第一種是光電倍增管工作的時候所引起的噪聲。第二種就是光電倍增管設(shè)計和制造的方式及使用條件所引起的噪聲[2]。正因為噪聲的來源主要是這兩個方面，因此，在對噪聲進行特征描述的時候，需要進行更加細致的綜合分析。

首先，光子噪聲。光子噪聲主要來源于熱寬帶源，噪聲與平均光子達到速率和光陰極的時間有直接關(guān)系；其次，光陰極噪聲。光陰極電子流所產(chǎn)生的噪聲與量子效率以及單位時間內(nèi)發(fā)射熱電子的平均率有關(guān)；再次，二次發(fā)射噪聲。二次發(fā)射噪聲會隨著時間的變化而有所起伏，主要在電子與光電倍增管的撞擊后產(chǎn)生；最后，倍增極串的噪聲。這種噪聲會隨著倍增及的輸出撞擊而不斷增益，噪聲影響與第一次撞擊釋放的二次電子有直接關(guān)系。

除此之外，還有一些其他的原因造成的噪聲。比如在光電倍增管里的放射性所引起的噪聲源，根源不清的按脈沖所引起的脈沖隨機發(fā)射，以及光子發(fā)射和二次發(fā)射所引起的過剩噪聲等等，這些都是光電倍增管的主要噪聲源，對這些噪聲都會對光電倍增管下的核電子學前端系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響。想要對光電倍增管下的核電子學前端系統(tǒng)的噪聲問題進行分析，就需要明確各個噪聲的來源，以及他們的影響和計算方法，根據(jù)這些影響因素進行綜合計算，還可以根據(jù)這些噪聲影響建立一個光電倍增管的噪聲模型，以光電倍增管的噪聲模型為一個基點來計算核電子學前端系統(tǒng)的前置放大器噪聲模型和濾波形成電路的函數(shù)計算模型，最后進行綜合的模型計算，推動后續(xù)研究計算的發(fā)展。

根據(jù)上述分析可知，光電倍增管主要是由光陰極、若干二次發(fā)射倍增極和陽極構(gòu)成的，所以，當光量子達到光陰極的時候，光電子從陰極中釋放，并且從由級聯(lián)的二次發(fā)射過程倍增產(chǎn)生陽極電荷脈沖。所以，光電倍增管其實是一種帶有內(nèi)放大的真空光電探測器件，它的增益是非常高的，而且在整個系統(tǒng)中的影響范圍是比較大的。

2 核電子學前端系統(tǒng)噪聲分析

核電子學前端系統(tǒng)主要由光電倍增管、前置放大器和濾波成形電路兩方面組成，所以要分析探究核電子學前端系統(tǒng)的噪聲問題需要從噪聲的上下界入手，通過設(shè)定噪聲的適當范圍來進行研究分析[3]。研究的主要方法是利用計算模型的方式進行實驗檢測：建立一個核電子學前端噪聲模型，并根據(jù)此進行研究分析。

前置放大器的噪聲模型是根據(jù)光電倍增管噪聲模型而計算的，假設(shè)Rb為探測器的偏置電阻，Ri為前置放大器的反饋電阻，V為總輸出電壓，T為溫度，Ig為柵級漏電流，Acq為電荷靈敏前置放大器的變換增益，Ci為電荷靈敏前置放大器的反饋電容，Cin為電荷靈敏前置放大器的輸入電容，k為熱力學波爾茲曼常數(shù)，gm為JFE的跨導，γ為修正因子，Cgf為場效應管柵極電容，KF為工藝參數(shù)。因此，噪聲模型為：

根據(jù)計算可以通過依據(jù)實際情況，頻率不可能取負值，勢必在（0，+∞）中感興趣頻段，因此通過設(shè)置頻段上界在，下界在，簡化公式（1）可以得公式如下：

依據(jù)許茲瓦不等式有：

從這個模型中我們可以發(fā)現(xiàn)，對核電子學前端系統(tǒng)噪聲問題影響比較大的部分在前置放大器，運動的頻率對整個過程的影響正常，但是噪聲越大，核電子學前端系統(tǒng)的設(shè)計受到的影響越大，所以需要慎重對待核電子學前端系統(tǒng)噪聲問題，本次分析主要是采用計算的方式，將核電子學前端系統(tǒng)噪聲的上界進行限定，設(shè)置好上界之后就能夠順利找到一個比較適合的界線點，而這個點就是直接關(guān)系到最后設(shè)計系統(tǒng)的點，能夠?qū)⒃肼暱刂圃谝粋€合理的范圍內(nèi)。

總而言之，根據(jù)上述計算與分析中可以看出，分析探討核電子學前端系統(tǒng)的噪聲問題能夠?qū)穗娮訉W前端系統(tǒng)最大、最小噪聲的界限有所確定，這有助于有效解決噪聲問題，而對核電子學前端系統(tǒng)中噪聲問題的解決能夠幫助前端設(shè)計得到一個更好的發(fā)展，能夠確定一個比較好的設(shè)計參考目標[4]。另外，從模型計算分析中可以看出，核電子學前端系統(tǒng)中的前置放大器的整體噪聲的大小與頻帶是沒有關(guān)系的，只與參數(shù)有關(guān)，而當前的前端系統(tǒng)的總噪音其實與信號頻帶寬度有直接關(guān)系。