Instrumentação NuclearRoberto V. Ribas

Eletrônica NIM(Nuclear Instrumentation Modules)

Cabos Coaxiais

Conformadores de Pulsos

Pulsos NIM

Pré-Amplificadores

Amplificadores

Analisador Mono Canal (SCA)

Módulos Lógicos

Contadores, Relógios e Medidores de Taxa

Geradores de Marca de Tempo

Conversor Tempo-Amplitude

Aquisição de Dados

Cabos Coaxiais Cabos coaxiais são caracterizados pela impedância

característica e pela velocidade de propagação (tipo de dielétrico). Em física nuclear usamos cabos de 50 e de 93. A velocidade de propagação é em geral de cerca de 65% da velocidade da luz.

1. Cabos de 50: pulsos rápidos

2. Cabos de 93: pulsos lentos (a tendência atual é utilizar-se cabos de 50 ohms para todos os tipos de sinais NIM)

3. Um pulso é rápido se o seu tempo característico de subida ou descida multiplicado pela velocidade de propagação for menor que o comprimento do cabo.

Cabo Coaxial RG58 (50 ohms)

Z=sqrt(L/C)Perdas~0.17 dB/mV~0.65c (20 cm=1 ns)

Ao se conectar um cabo de uma certa impedância característica portando sinais rápidos, deve-se certificar que o módulo que recebe o sinal tenha impedância de entrada igual à impedância do cabo.

Módulos do padrão NIM para sinais rápidos têm sempre impedância de entrada igual a 50.

Osciloscópios têm em geral sua impedância de entrada igual a 1 M. Para se observar sinais rápidos NIM num osciloscópio, deve-se sempre terminar a entrada com um resistor de 50.

Cabos utilizados em sinais (baixa tensão, até 1 kV) empregam conectores BNC ou Lemo.

Cabos utilizados em altas tensões (1-5 kV) empregam conectores SHV ou MHV (há também conectores da série Lemo para alta tensão mas ainda são pouco empregados em nosso laboratório)

Conformadores de PulsosNa manipulação de sinais proveniente de detectores, pelos módulos NIM, é em geral necessário modificar a forma do pulso produzido pelo detector. Os pulsos produzidos pelos detectores de Si ou Ge, por exemplo, são caracterizados por uma rápida subida e um decaimento exponencial muito mais lento. Esta forma de pulso não é adequada para análise, que permitirá determinação da energia da partícula.

Circuitos diferenciadores e integradores RC são utilizados nos amplificadores, para modificar a forma do pulso produzido pelos detectores.

A integração é necessária para coletar toda a carga elétrica produzida no de-tector pela partícula.

A diferenciação pode ser utilizada para eliminar a parte lenta do pulso, produ-zindo um pulso rápido, capaz de carac-terizar melhor o instante de chegada da partícula no detector.

Pulsos NIM

Analógicos: de 0 a 10V Saída de amplificadores, TAC. Podem ser

positivos ou negativos (em geral positivos)

Lógicos: NIM Lento ou NIM velho: Falso 0V Verdadeiro

5V (TTL a 50 ohms) NIM Rápido ou NIM novo: Falso 0V, Verdadeiro

-0.7V (em 50 ohms)

Pré-Amplificadores

Detectores coletam uma quantidade de carga proporcional à energia da partícula. O pré-amplificador sensível à carga deve transformar essa quantidade de carga em um pulso, cuja altura (V) é proporcional à quantidade de carga deixada pela radiação no detector. Devem ainda incorporar o circuito necessário para aplicar a tensão de polarização (bias) no detector.

Para maximizar a relação sinal/ruído, os pré-amplificadores devem ser colocados o mais próximo possível do detector. No caso de detectores de Ge para raios gamas, o transistor FET é colocado dentro do criostato do detector, à temperatura de N2 líquido.

Bastidor NIM• Módulos NIM se alojam em um bastidor (BIN) que

fornece as tensões necessárias para o funcionamento dos módulos. Bastidores mais antigos fornecem +- 12V e +- 24V. Bastidores mais novos fornecem também +-6V.

Amplificadores Espectroscópicos

Amplificadores espectroscópicos são utiliza-dos em circuitos de medição de energia. O sinal do préampli-ficador é transformado por sucessivas diferenciações e integra-ções em um pulso aproximada-mente gaussiano, de altura ajustá-vel entre 0 e 10V. As constantes de tempo de integração e diferenciação podem ser ajustadas em combina-ções denominadas tempo de con-formação (shapping time), e que variam entre cerca de 0.5 a 10 us.

Amp. Espectroscópico Ortec

Ganho (grosso, fino)

Diferenciação (us)

Integração (us)

Polaridade Entrada

Forma Saída

Restauração da Linha de Base

Cancelamento de Polo-Zero

Formatação do Pulso (Integração/Diferenciação)

Formas de Pulso - Saída

Cancelamento de Pólo Zero

Restauração da Linha de Base

Rejeição de Empilhamento

Amplificadores Rápidos

Amplificadores com pequenas cons-tantes de tempo de diferenciação e integração (de dezenas a algumas centenas de ns) são utilizados para filtrar somente os componentes rápidos dos pulsos produzidos pelos detectores, para serem posterior-mente utilizados em circuitos gera-dores de marca de tempo. (São chamados Timming Filter Amplifiers).

Coincidências Temporais

Coincidência temporal: Partículas ou radiação são detectadas simultaneamente em 2 ou mais detectores.

Simultaneidade: Os sinais de dois detectores, ao serem analisados nos módulos NIM, ocorrem com uma certa diferença temporal entre eles.

Resolução: Dois eventos são simultâneos se ocorrem dentro de uma janela temporal;

Geradores de Marca de Tempo

Um discriminador de nível mínimo é o mais simples dos geradores de marca de tempo, produzindo um pulso lógico quando o sinal ultrapassa uma soleira (threshold).Variações na amplitude dos pulsos e o ruído sobreposto limitam a resolução temporal.

Discriminador por Fração Constante(Constant Fraction Discriminator)

O efeito da variação de amplitude pode ser corrigido com a técnica de CFD: O sinal original é atenuado por uma fração f e somado com o sinal original invertido e atrasado. O cruzamento por zero é independente de amplitude.

O método mostrado não corrige para diferenças de tempo de subida dos pulsos (produzidos em regiões diferentes no interior do detector, principalmente nos de grande volume)

Modo ARC: Amplitude and Risetime Compensation

Ajuste da referência de zero (walk)

Analisador Mono-Canal: (Single Channel Analizer) Módulo com entrada analógica e saída digital.

Saído quando na entrada Vi estiver com sua altura máxima entre dois valores V1 e V2. (Modo Normal)

Saida quando Vi>V1 (Integral)

Saída quando Vi >DV, DV o valor indicado no UL (Window)

Instante de tempo do pulso gerado depende de Vi

Saída gerada quando pulso atinge máximo (derivada=0)

Timing SCA: Saída gerada quando valor máximo do pulso de entrada cai por uma fração constante.

Conversor Tempo-Amplitude

Coincidência Rápido-Lento

Circuitos Lógicos (E, OU)

Medidor de Taxa (Rate Meter)

Aquisição de Dados

Detectores: Q Energia

Pré-Amp: Integram a carga: V Q

Amplificadores: Forma ~gaussiana

Aquisição de Dados: Analisadores de altura de pulso.

Analizador Multicanal

Um conversor analó-gico digital converte a altura do pulso em um número binário C (0-4095, p.ex.)O número de vezes N que um dado valor binário C ocorre é armazenado na posição de memória C (canal de histograma).

Sistemas Bi-paramétricos

ADC-E

MemóriaNxN (ExE)

ADC-E

Computador

Sistemas Multi-paramétricos

ADC-

Formatador e SequenciadorDe eventos

ADC-C

ComputadorADC-B

CAMAC

Computer Automated Measurement And ControlNormas desenvolvidas no início da década de 70, para resolver os problemas crescentes de complexidade dos sistemas de aquisição de dados em Física NuclearPosteriormente adotado na automação industrial.

NAF – Comando Camac

N (1-25) Estação: Posição do módulo no Crate.A (0-15) Sub-endereço: Um módulo pode conter até 16 sub-módulos idênticos.F (0-31) Função: A função a ser executada pelo módulo.

Algumas funções

F=(0-7): Leitura do MóduloF=0, A=3:Leitura da entrada A=3F=9 A=0: Clear ModuleF=2 A=(0-6): Leitura do MóduloF=2 A=7: Leitura e consecutivo Clear do módulo.

Sinais de Controle

LAM (Look At Me): Sinal de atenção que um módulo pode enviar expontaneamente ao controlador (e este ao computador), avisando que necessita atenção.Resposta Q: Sinal lógico que um módulo pode enviar ao controlador, avisando do sucesso ou não na execução de uma função.Resposta X: Sinal obrigatório, em que o módulo confirma o recebimento de uma função para ser executada.

VME e VXI

VME (Versa Module Eurobus) Barramento de Computador Módulos podem ser inteligentes

CPUs, Memória, placas de rede, etc. Processamento distribuído/paralelo

VXI (VME eXtension for Instrumentation)

FIM