核电子学技术原理

陈 炼近代物理系419, 63607152

Email: chenlian@ustc.edu.cn

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课件地址：

http://staff.ustc.edu.cn/~chenlian/NuclearElectronics

主要参考书：

[1]、核电子学方法，虞孝麒编，科大自编讲义

[2]、核电子学原理，王芝英等，原子能出版社

[3]、核电子学，王经谨等，原子能出版社

[4]、粒子探测器与数据获取,谢一冈等,科学出版社

[5]、粒子探测技术,汪晓莲等,中国科学技术大学出版社

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核电子学研究对象

微观粒子相互作用过程中产生的各种辐射，是揭示微观世界奥秘的重要观察对象

辐射粒子的类型

粒子的能量动量

各种辐射粒子间的时间关系

辐射粒子在空间穿越的径迹等

核电子学

利用核辐射探测器来传递核辐射信息，并将其转换成电信号，进而用电子学方法来获取和处理核信息

研究对象：核辐射探测器给出的电信号

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核电子学研究对象

微观粒子的探测过程 辐射源：放射源、对撞机、激光束、固定靶 . . .

探测器：电离室、正比管、闪烁体 . . .

电信号：电信号检出、前置放大、阻抗变换 . . .

模拟处理：放大、成形、滤波 . . .

数字化：ADC、TDC、甄别器、计数器 . . .

数据获取系统：数据处理、在线分析、数据存储 . . .

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当代核物理实验发展趋向

CERN ATLAS探测器

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当代核物理实验发展趋向

ATLAS探测到Higgs粒子

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当代核物理实验发展趋向

LHC 加速器升级

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当代核物理实验发展趋向

ATLAS Muon谱仪

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当代核物理实验发展趋向

ATLAS Muon谱仪

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当代核物理实验发展趋向

ATLAS NSW端盖触发系统升级

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当代核物理实验的特点

事例率高 实验规模大、粒子能量高

探测单元数量大、类型多和体积规模庞大

实验自动化程度越来越高

精度要求高 事例/本底比越来越小

在线与离线处理形成一个整体

核电子学系统能够对高事例率信号实现高精度处理

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核电子学的特点

电子学和计算机技术与实验物理学的交叉学科

处理信号的对象是电脉冲

时间和幅度上随机变化

测量精度高

时间、幅度、位置

信息量大

探测系统由成千上万个探测单元组成

一个事例可能需要包含全部探测信息

测量时间长、条件恶劣

有时需要连续运行3-6个月

强辐射、强磁场、高温、高压

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核电子学的基本技术

专门的电子技术

随机信号处理技术

快电子学技术

实时技术

总线技术

成像技术

网络技术

离线处理技术

...

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核电子学的基本技术

随机信号处理技术

脉冲幅度分析

模拟信号的成形、放大，模数变换，数据采集

噪声处理

针对探测器输出信号特点，提高信噪比

时间分析

时间测量、定时分析、符合测量等

粒子分辨

脉冲形状甄别、飞行时间谱仪、径迹测量等

触发判选

从噪声和本底信息中提取有效的事例信息

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核电子学的基本技术

快电子学技术 由于核衰变的寿命非常短只有几十ns或ps量级，对撞的周期也

越来越短，要准确捕捉这类事例，要求电子学能达到此量级，也称为纳秒或亚纳秒电子学

实时技术 实时了解测量结果和实验运行状态

从大量的实验数据中，实时选出代表性的数据

快速处理和显示这些数据

根据数据来主动干预实验

其他的实时处理技术，如压缩、判选、存储...

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核电子学的基本技术

总线技术 NIM（60年代）

CAMAC（70年代）

Fast Bus（80年代）

VME、VXI （90年代）

GPIB

PCI、PXI

USB

ATCA

...

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核电子学的基本技术

成像技术

径迹重建

通过径迹室，如核乳胶、固体径迹探测器等，测量粒子飞行方向、动量等

事例重建

图像重建

断层扫描技术（CT）：利用X射线照射人体，通过测量不同组织

或器官的灰阶影像对比分布，进而以病灶的相对位置、形状、大小等改变来判断病情

正电子发射断层成像（PET）：通过测量示踪剂在体内产生的湮没光子，显示出靶器官的断层图像并给出定量的生理参数

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核电子学的基本技术

网络技术 高能物理界是网络技术的首个民用领域

CERN、FERMILAB、KEK、BROCKHEAVEN等

局域网技术

为提高数据的处理能力，大型加速器的探测器系统需要成千上万个CPU参与运算

网格计算

将分布的计算机组织起来，协同解决复杂的科学和工程计算问题

网格能充分吸纳各种计算资源，并将其转化为可靠、标准的计算能力

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核电子学的基本技术

离线技术 数据处理

专家决策

系统模拟

总之：核电子学是一门交叉学科，当一种新的技术出现时，往往很快就被应用到核电子学领域。核电子学的发展，一直跟踪着最先进的电子技术和计算机技术。

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核电子学系统的组成

核电子学系统的基本结构 电信号模拟调理电路

前置放大器、主放大器等

事例选择电路

符合电路、触发判选电路等

模数转换电路

幅度-数字变换器（ADC）、时间数字变换器（TDC）、位置数

字编码等

数据获取电路

专用硬件数据获取系统（如多道分析器）和基于计算机的数据获取系统等

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核电子学系统的组成

核电子学系统的基本结构

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核电子学系统的组成

核电子学系统的基本结构 前端电子学系统

实现滤波、成形处理、信号放大等功能

触发系统

一次作用产生一个结果，其结果的信息集合称为一个事例

判选原则：必须与作用时间相关联、不丢失好事例、尽可能剔除本底事例、尽可能减少死时间

一般采用多级触发判选对原始事例进行甄别，产生事例的选通

数据获取系统

将前端电路各部分信息按一定格式收集,组成事例信息集合

对事例进行预处理、判选后，记录在永久媒体中

实验的在线监测和检测

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核仪器系统的标准化

NIM系统（Nuclear Instrument Modules） 1964年提出

机械尺寸和供电电源上规定了统一标准

规定了逻辑信号电平

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核仪器系统的标准化

NIM系统（Nuclear Instrument Modules） 机箱：19英寸宽， 12个单位宽度的插槽，每个单位宽度插槽

宽度34.4mm，一个电路单元可装配在单宽或多宽插件中

每个插件用42线标准插座与机箱后面板连接

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核仪器系统的标准化

NIM系统（Nuclear Instrument Modules） 供电电源：±24V，±12V，±6V

NIM慢正逻辑电平

NIM快负逻辑电平（50欧姆负载时）

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逻辑 输出电压电平 输入电压电平

1 +4 ~ +12V +3 ~ +12V

0 +4 ~ -2V +1.5 ~ -2V

逻辑 输出 输入

1 -14 ~ -18mA -12 ~ -36mA

0 -1 ~ +1mA -4 ~ +20mA

带数据总线的标准系统

CAMAC系统（Computer Automated Measurement And Control） 1975年被推荐

不仅在机械结构、供电电源、逻辑电平等方面作了统一规定

还规范了与计算机连接的总线结构

Fast Bus

70年代末提出

速度上比CAMAC快一个量级

引入了分布式处理的概念

用于信息量大、在线分析要求复杂的粒子物理实验

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通用标准总线与核科学领域结合

VME总线（VersaModule Eurocard） 结合了Motoral公司Versa总线的电器标准和欧洲Eurocard标准

的机械形状

机械结构大小分为3种型号：3U、6U、9U

总线分类：数据传输总线、数据传输仲裁总线、优先中断总线、通用总线

信号模式：TTL电平信号

VXI总线（VME bus Extensions for Instrummentation）

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通用标准总线与核科学领域结合

PCI总线（Peripheral Component Interconnect） 1993年Intel公司提出

高速性、即插即用性、可靠性、扩展性好 ...

CompactPCI总线 电气、逻辑、软件与PCI标准兼容

更加适用于工业测控领域

PXI总线（PCI extensions for Instrumentation） 1997年由NI公司发布

机械结构与CompactPCI总线要求相同

对机箱和印制电路板的温度、湿度、振动、冲击、电磁兼容性和通风散热等提出了要求

利用PCI-PCI桥技术可扩展多台PXI系统 28

通用标准总线与核科学领域结合

USB总线（Universal Serial Bus） 1994年由Intel、IBM、Microsoft等公司联合提出

采用通用连接器、自动配置、热拔插技术和相应的软件，实现资源共享和外设简单快速连接

较快的传输速度

通用的连接接口

支持热拔插连接和即插即用

采用星型层式结构和Hub技术，允许一个USB主控机连接最多127个外设

总线提供电源，可供低功耗设备使用

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通用标准总线与核科学领域结合

ATCA（Advanced Telecom Computing Architecture） 开放性，支持多种标准协议

模块化设计，易于扩展及管理维护

支持电信级操作系统，提供扩展API

提供高可靠性服务

减少开发时间和成本

广泛应用于电信、电力、铁路交通等领域

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通用标准总线与核科学领域结合

ATCA vs. CPCI

ATCA

PICMG 3.0

CompactPCI

PICMG 2.16

互联带宽 40 Gbps1Gbps (PICMG 2.16)

~ 4Gbps (PCI only)

尺寸~ 140 sq. in.(930 sq. cm)

~ 58 sq. in.(374 sq. cm)

电源 -48 VDC 3.3，5，±12 VDC

功率 120 ~ 200 W 50 ~ 60 W

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核电子学应用领域

随着实验物理的不断发展，核电子学技术也渗透到其他应用领域中，并不断促进着电子技术的发展

原子核物理和粒子物理

等离子体物理

天文物理

量子光学

核技术应用等

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核电子学应用：ICF实验

ICF（惯性约束聚变，Inertial Confinement Fusion）是实现受控热核聚变很有希望的途径

在60年代初，我国物理学家王淦昌教授和美、苏科学家几乎同时提出利用高功率脉冲激光束辐照聚变燃料靶丸产生高温高密度等离子体，在极短时间和惯性约束状态下引发热核聚变

ICF的长远目标和MCF（磁约束聚变）一样，是实现经济、干净的聚变能源

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核电子学应用：ICF实验

ICF实验物理过程示意图

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核电子学应用：ICF实验

我国的ICF实验研究装置： “神光-I”激光装置（1986年完成）

“神光-II”激光装置（2001年完成）

“神光-III”原型激光装置

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核电子学应用：ICF实验

ICF实验物理诊断 ICF实验的研究对象是高温高密度的等离子体，其产生的辐射

几乎遍布所有的电磁辐射波段，同时还伴随发射大量的电子、中子、和各种状态的离子

为研究ICF物理实验过程，需要建立一系列的诊断设备，对X

光、可见光、粒子等进行能谱、时间、空间的全面诊断，以提供充分的物理信息

ICF诊断技术几乎包含了所有的辐射和粒子诊断技术

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核电子学应用：ICF实验

神光III原型实验中靶室诊断设备布局：

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核电子学应用：ICF实验

ICF时间同步机 ICF实验诊断中使用了多种探测器，对应的数据获取系统也很

复杂，从规模、复杂度、时序、技术结构方面来看， ICF实验

数据采集系统是由不同的探测器类型、不同的数据获取子系统组成的庞大的综合系统

为了获得时间上精确一致的测量信息，实验大多数诊断装置都需要采用外触发的方式获取实验数据，而不同类型和精度的探测设备所需的触发信号延时量和时间精度都是不同的，因此需要一套时间同步系统，也就是ICF时间同步机

时间同步机的作用就是根据不同测量设备所需要的不同延时量和时间精度来给出正确的触发信号，去触发相应的数据采集设备获取待测信号

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核电子学应用：ICF实验

ICF时间同步机

按照数据采集设备对同步的时间精度、输出脉冲前沿和输出脉冲幅度要求可以分为快同步机、主同步机、副同步机和终端同步机四类

快同步机的延时精度为30ps，输出脉冲前沿小于200ps，幅度在10~15V ，用于触发超高速数据采集设备，如条纹相机、分幅幅机等

主同步机的延时精度为30ps，输出脉冲前沿小于200ps，幅度在5V，用于触发带宽10GHz以上的超高速数字化示波器等

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核电子学应用：ICF实验

ICF时间同步机 副同步机的延时精度为50ps，输出脉冲前沿小于200ps，幅度

约5V，用于触发高速数字化设备，如输入模拟带宽在1GHz的高速数字化示波器等

终端同步机的延时精度为5ns，输出脉冲前沿小于20ns，幅度

和极性可根据不同设备变化，用于触发低速数字化示波器、数据采集板卡、模块、积分类测量等设备

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核电子学应用：ICF实验

ICF时间同步机 快同步机和主同步机信号前沿小于200p，而幅度在10~15V 左

右，因此产生信号的摆率需要达到5*104V/us，要达到这么大

的信号摆率，一般的电路是无法实现的，只有雪崩电路才可能产生

利用时钟扇出方法，对来自主同步机的高速脉冲进行扇出，可作为副同步机的输出信号

终端同步机属于低精度同步机，其触发信号输入来自副同步机，输出信号一般用于触发中、低速设备

中、低速设备对触发信号的幅度、极性、延时量和宽度等要求种类繁多，因此终端同步机需要具备能够程控输出脉冲幅度、正负极性、延时、脉冲宽度的调节能力

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核电子学应用：ICF实验

ICF时间同步机

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核电子学应用：ICF实验

劳森判据与<ρR>诊断 要实现可控热核聚变点火，必须满足劳森判据，其中n为氘氚

燃料原子数密度，τ为核反应的持续时间：

在ICF研究中，劳森判据通常简化为压缩靶丸密度ρ和半径R的简单关系：

<ρR>是表针ICF靶丸质量和厚度的特征量，严重影响着点火靶

的关键方面，如靶自持燃烧程度、燃烧份额、增益等，因此是ICF实验诊断中的重要课题

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314 /10 cmsn

2/4.0 cmgR

核电子学应用：ICF实验

<ρR>诊断 ICF实验在内爆燃烧时刻会产生大量中子，其能量达几~几十

MeV，能轻松的从内爆核心区域逃逸出来

通过测量ICF内爆产生的次级中子，甚至三次中子能谱，就可给出<ρR>的实验值

建立大阵列中子探测器，利用飞行时间法（TOF）来测量产额极低的次级中子能谱，几乎是目前国际上进行<ρR>诊断的唯一手段，已成为当前ICF领域内的标准技术

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核电子学应用：ICF实验

飞行时间探测器阵列 神光-Ⅲ原型上的中子飞行时间探测器阵列（nTOF）有960个

独立通道，每个通道都有各自独立的闪烁体探测器、光电倍增管和电子学系统，阵列距靶室中心16.67米

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核电子学应用：ICF实验

飞行时间探测器阵列 16通道原型系统结构框图

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核电子学应用：ICF实验

飞行时间探测器阵列 80通道原型系统

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核电子学应用：量子光学

传统的RSA密码系统 其安全性建立在经典计算机分解大数因数的十分困难的基础

之上

是目前最广泛被采用的公钥密码系统

量子计算机 量子Shor算法，将大数因子分解的计算复杂度从指数关系转

为多项式关系

RSA公钥加密术将不再安全

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核电子学应用：量子光学

量子保密通信：基于量子力学的基本原理，而非计算的复杂性，来实现量子密钥的产生与分发，以保证信息的绝对安全

量子测量原理

不可克隆原理

量子不可分割

一次一密，完全随机

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核电子学应用：量子光学

量子保密通信的基本方案 BB84协议：基于两种共轭基的四态方案，利用单光子量子信

道中的测不准原理

B92协议：基于两个非正交量子态性质的Bennett方案，利用非正交量子态不能同时精确测量的原理

E91协议：基于量子纠缠ERP关联光子对的Ekert方案，利用ERP（Einstein-Podolsky-Rosen）效应

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核电子学应用：量子光学

基于QKD（Quantum Key Distribution）的量子保密通信

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核电子学应用：量子光学

基于QKD的量子保密通信

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核电子学应用：量子光学

基于QKD的量子保密通信 真正意义上的单光子源还无法实现，一个脉冲中有一定概率

会发射多个光子

如果从多光子态中分出一个光子，就可窃听到信息并不被通信方发现

Decoy（诱骗态）方案：在信号态中参杂部分Decoy态，其光强与信号光成一定比例，如果第三方用分光子的方法窃听，将导致接收方的信号态与Decoy态比值发生变化

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核电子学应用：量子光学

基于QKD的量子保密通信

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核电子学应用：量子光学

量子保密通讯中的核电子学： 单光子源

脉冲宽度窄

工作频率高

波长、线宽、功率稳定

高精度同步系统 时间晃动小

同步激光的发送与探测

单光子探测器 探测效率高

暗计数小

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核电子学应用：量子光学

量子保密通讯中的核电子学： 控制逻辑

同步

数据获取

密钥提取 身份认证

基矢对比

纠错

通讯管理 密钥管理

加密/解密逻辑

通讯控制

. . .

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核电子学应用：量子光学

单光子探测方式 光电倍增管

高灵敏度、高增益、响应快、成本低

需要工作高压，感光波段截止于1050nm，不适用光纤通讯

超导单光子探测器 暗计数低、重复频率高、后脉冲概率低

工艺复杂、生产成本高、需要制冷和真空环境，体积庞大

半导体单光子探测器 体积小、性能适中、功耗低

封装方便、生产运营成本低

是实用化量子保密通讯中理想的单光子探测设备

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核电子学应用：量子光学

半导体单光子探测器 Si-APD（400-1100nm）、Ge-APD（800-1550nm）、

InGaAs/InP-APD（900-1700nm）

在光纤通讯中，一般使用1310nm和1550nm两个波段，多采用InGaAs/InP-APD探测器

在自由空间通讯应用中，多采用Si-APD探测器

工作状态：盖革模式 自由模式：无同步信号、光子到达时触发雪崩

门模式：有同步信号、雪崩信号在门内被触发

由于材料工艺限制，暗计数和后脉冲较高，一般采用门模式

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核电子学应用：量子光学

自主研发的单光子探测器 计数频率：100MHz-1GHz

弱雪崩

采用门控模式

下一代单光子探测器 高重复频率：大于1GHz

探测效率：大于20%

暗计数：小于10-6/门

多通道、小型化、抗攻击 . . .

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核电子学应用：核技术应用

工业物料成分的实时在线检测技术 X荧光分析技术

红外分析技术

瞬发伽玛射线中子活化分析技术

瞬发伽玛射线中子活化分析（PGNAA）技术

中子与物料中核素发生辐射俘获、非弹性散射等反应时，会发射特征伽玛射线

通过检测特征伽玛射线的能谱，可辨别物料中元素的种类及其含量

已成为满足工业大块物料成分检测需求的最佳选择

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核电子学应用：核技术应用

PGNAA技术的应用 煤炭、水泥、钢铁等资源密集消耗型行业

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核电子学应用：核技术应用

PGNAA技术中的关键技术 DD/DT中子源

高产额

长寿命

小型化

大块物料核信息探测与采集 探测效率高

抗噪能力强

实时性强

能谱修正及信息一体化处理 多元耦合修正

快速信息处理

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核电子学应用：天文技术

我国的大型望远镜 郭守敬望远镜（LAMOST）

500米口径球面射电望远镜（FAST）

大型天文望远镜的发展 口径大，结构复杂

观测数据量大

设备平台多样化

空间跨度大，运行时间长

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核电子学应用：天文技术

国际主要的光学望远镜

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名称 口径 国家 建成

E-ELT 39.4米 欧南台 计划中

TMT 30米 美加日中印巴 计划中

GMT 21.4米 美澳 计划中

LBT 11.4米 美国 2004

GTC 10.4米 西班牙 2006

LAMOST 4.9米 中国 2008

核电子学应用：天文技术

国际主要的射电望远镜

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名称 口径 国家 建成

ALMA 12米*66 国际合作 在建

FAST 500米 中国 在建

GBT 110米 美国 2000

Arecibo 305米 美国 1963

Parkes 64米 澳大利亚 1961

Lovell 76米 美国 1957

核电子学应用：天文技术

科学级成像系统 CCD系统

数据获取系统

大容量高速数据的获取和传输

设备级的控制系统

望远镜管控系统

控制系统领域模型

系统架构

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核电子学应用：天文技术

科学级成像系统 CCD于1969年发明，目前已经成为地面和空间望远镜探测器

的首选

在天文学、高能物理、核物理等领域，越来越多的物理实验和大型科学仪器平台需要使用各种成像系统，如CCD成像天文观测、软X射线CCD成像、红外相机、基于CCD的暗物质搜索等

成像系统主要使用CCD，而科学级的CCD要求有更高的性能，如高的量子效率（在可见光和红外波段大于90%）、大的光子动态范围（超过100k电子）、更小的像素尺寸（10um左右）

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核电子学应用：天文技术

成像系统：

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核电子学应用：天文技术

CCD相机系统：

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核电子学应用：天文技术

TEC（Thermoelectric Cooler）温度控制系统： 热电杜瓦设计

TEC驱动电路

温度控制系统

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核电子学应用：天文技术

数据获取和传输： 基于光纤和USB的CCD前端集成系统

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核电子学应用：天文技术

数据获取和传输： 基于光纤的远距离传输和集成

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核电子学应用：天文技术

设备级控制系统： CCD数据获取中心控制系统

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核电子学应用：天文技术

望远镜管控系统： 望远镜控制系统的设计、集成

远程观测和维护平台

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核电子学应用：天文技术

FAST总控系统：

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核电子学应用：天文技术

FAST总控系统：

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核电子学应用：天文技术

天文技术中应用的核电子学关键技术： CCD前端低噪声读出

高速高精度ADC采样系统

高速数据读出与传输

低温低压条件下的电子学研究

控制节点的控制和处理 软件架构设计

控制流程研究

软硬件的集成

数据获取系统状态监控

故障诊断和处理

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