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Strumentazione Strumentazione elettronicaelettronica durata: 32 ore
Prof. Alberto PulliaProf. Alberto [email protected] – tel. [email protected] – tel. 02-50317735
Dottorato di ricerca in FisicaDottorato di ricerca in FisicaLaurea in FisicaLaurea in Fisica
Università degli Studi di MilanoUniversità degli Studi di Milano
Sito web del corso :
topserver.mi.infn.it/mies/labelet_iii topserver.mi.infn.it/mies/labelet_iiiSito web del corso :
topserver.mi.infn.it/mies/labelet_iii topserver.mi.infn.it/mies/labelet_iii
L’esame consiste in un colloquio
Il materiale didattico utilizzato verrà reso disponibile sul sito web.
Argomenti trattati
– Segnale e rumore elettronico
– Rivelatori a semiconduttore di radiazioni ionizzanti (X, gamma)
– Preamplificazione e amplificazione del segnale
– Ottimizzazione del rapporto segnale rumore
– Conversione analogico-numerica del segnale, filtraggio digitale
Rivelatore + criostato + strumentazione
Ingresso, uscita e ENC
38 mm
18 m
m
20
mm
88 mm
Rivelatore HPGe
Preamplificatore Amplificatore formatore
La formatura è data da questo tutt’uno !
Dalla misura di H si ricavano a ritroso Q ed E.Dalla misura di H si ricavano a ritroso Q ed E.Segnale:Segnale:
ENC = Equivalent Noise Charge (Rumore della misura espresso
in carica rms all’ingresso)
ENC = Equivalent Noise Charge (Rumore della misura espresso
in carica rms all’ingresso)
Il rumore visto all’uscita dell’amplificatore formatore va anch’esso riferito all’ingresso dividendolo per il guadagno H/Q della catena elettronica .
Il rumore visto all’uscita dell’amplificatore formatore va anch’esso riferito all’ingresso dividendolo per il guadagno H/Q della catena elettronica .
ENC = Equivalent Noise Charge ENC = Equivalent Noise Charge (Rumore della misura di H (Rumore della misura di H
espresso in carica rms espresso in carica rms all’ingresso)all’ingresso)
Rumore:Rumore:
E E Q Q
Area = QQ elettroni
INGRESSO I(t) INGRESSO I(t) impulsivoimpulsivo
INGRESSO I(t) INGRESSO I(t) impulsivoimpulsivo
I
t
USCITA USCITA VVoo(t)(t)
USCITA USCITA VVoo(t)(t)
Ampiezza = HH
H
Q Q H H
Vo
t
Fotone / particella ionizzante (energia
EE)
Amplificatore formatore analogico quasi
Gaussiano (spectroscopy amplifier
ORTEC mod. 572)
Segnale del preamplificatore
Stesso segnale dopo la formatura
Perchè “formare” (o filtrare) il segnale ?
22 << << 11 : la formatura abbatte il rumore elettronico ! : la formatura abbatte il rumore elettronico ! 22 << << 11 : la formatura abbatte il rumore elettronico ! : la formatura abbatte il rumore elettronico !
50 µs 50 µs
12
Tempo di formatura
Per tempi di formatura crescenti VPer tempi di formatura crescenti Voo(t) si allarga ma non cambia di forma(t) si allarga ma non cambia di forma
Esiste un tempo di for-matura ottimo dove il rumore è minimo. E’ il giusto compromesso per il rumore serie (formatura stretta) e il rumore parallelo (formatura larga).
Esiste un tempo di for-matura ottimo dove il rumore è minimo. E’ il giusto compromesso per il rumore serie (formatura stretta) e il rumore parallelo (formatura larga).
L’amplificatore formatore modifica la L’amplificatore formatore modifica la forma del segnale del preamplificatore forma del segnale del preamplificatore per ridurre il rumore elettronico.per ridurre il rumore elettronico.
L’amplificatore formatore modifica la L’amplificatore formatore modifica la forma del segnale del preamplificatore forma del segnale del preamplificatore per ridurre il rumore elettronico.per ridurre il rumore elettronico.
Formatura ottima “a cuspide”
b
aCTC
b
aCTC
a) Cuspide infinita, ottimo assoluto (senza rum 1/f)
b) Triangolare, ENC cresce solo dell’8%
Per ridurre il Per ridurre il pileup, pileup, cioè la cioè la sovrapposizione di più segnali si può sovrapposizione di più segnali si può utilizzare una fz peso tempo limitata (ad utilizzare una fz peso tempo limitata (ad es. triangolare). es. triangolare).
Per ridurre il Per ridurre il pileup, pileup, cioè la cioè la sovrapposizione di più segnali si può sovrapposizione di più segnali si può utilizzare una fz peso tempo limitata (ad utilizzare una fz peso tempo limitata (ad es. triangolare). es. triangolare).
C = noise corner time
CT = capacità totale ingresso preamp. (dovuta al preamp stesso e al rivelatore)
a,b = intensità rumori elettronici di tipo serie e parallelo
Formature sub-ottime
32
12 AbkAA
aCENC T
dtth
dtdt
dh
2
2
)(
Rumore serie bianco Rumore par
bianco
Rum 1/f
dt
dt
hd2
½
½
cc
b
aCC
Copt A
A 3
1
312
2
AAENC
ENCopt
( senza rumore 1/f )
1.10
Formatura a campionamento correlato
Esempi di formature a campionamento correlato
a)
b)
c)
d)
e)
a) p = 25 ns, b) p = 150 ns, c) p = 400 ns, d) p = 800 ns, e) p = 1200 ns
Classificazione eventi
Gli eventi vanno classificati. Per fare ciò è necessario istogrammare l’informazione d’interesse (ampiezza, tempo di arrivo, o altro). Lo strumento che conta gli eventi in molti possibili “canali” (v. Figura) è detto MCA (Multi-Channel Analyzer). Fa uso di un convertitore analogico-digitale (ADC).
Gli eventi vanno classificati. Per fare ciò è necessario istogrammare l’informazione d’interesse (ampiezza, tempo di arrivo, o altro). Lo strumento che conta gli eventi in molti possibili “canali” (v. Figura) è detto MCA (Multi-Channel Analyzer). Fa uso di un convertitore analogico-digitale (ADC).
In alcuni casi può essere sufficiente selezionare solo alcuni eventi e contarli. In questo caso basta un analizzatore a singolo canale, SCA (Single-Channel Analyzer).
In alcuni casi può essere sufficiente selezionare solo alcuni eventi e contarli. In questo caso basta un analizzatore a singolo canale, SCA (Single-Channel Analyzer).
canale
A Conteggi
A
MCA
SCA
t
A
Esempio di segnali classificati: spettro energetico
Convertitori ADC veloci (flash)
I flash ADC sono molto veloci (tempo di conversione dell’ordine del ns). E’ possibile campionare l’intera forma d’onda del preampli-ficatore e formare il formare il segnale tramite filtraggio segnale tramite filtraggio numericonumerico.
I flash ADC sono molto veloci (tempo di conversione dell’ordine del ns). E’ possibile campionare l’intera forma d’onda del preampli-ficatore e formare il formare il segnale tramite filtraggio segnale tramite filtraggio numericonumerico.
preampFiltro
numericoPrefiltro
FlashADC
(a)
preampAnti
aliasingFlashADC
Filtronumerico
(b)
Tconv 5-100 ns
Sintesi dei pesi {ai} del filtro numerico
P
P
P
uuu
uuu
uuu
knkk
n
n
00
00
00
11
132
21
na
a
a
2
1=
0
0
0
2
1
ky
y
y
U A Y
u1u2
…un
y1 y2
yk…
Questo sistema in matlab si risolve immediatamente, digitando: A=U\YQuesto sistema in matlab si risolve immediatamente, digitando: A=U\Y
Questa sottomatrice opzionale consente di minimizzare il Questa sottomatrice opzionale consente di minimizzare il rumore di quantizzazione (QN). Più è grande P maggiore è la rumore di quantizzazione (QN). Più è grande P maggiore è la reiezione al QN. Tipici valori di P: da 0.01 a 1reiezione al QN. Tipici valori di P: da 0.01 a 1
Da risolvere ai minimi quadrati
campion
i
pesaggioa1, a2, …, an
×
Rif. Rib1
Ci vediamo dopo PasquaCi vediamo dopo PasquaCi vediamo dopo PasquaCi vediamo dopo Pasqua
