Strumentazione elettronica
durata: 32 ore
Prof. Alberto Pullia
[email protected] – tel. 02-50317735
Dottorato di ricerca in Fisica
Laurea in Fisica
Università degli Studi di Milano
L’esame consiste in un colloquio
Sito web del corso :
topserver.mi.infn.it/mies/labelet_iii
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
Fotone / particella
ionizzante (energia E)
La formatura è data da questo tutt’uno !
Preamplificatore
S
Amplificatore formatore
38 mm
18 mm
EQ
USCITA Vo(t)
Rivelatore
HPGe
INGRESSO I(t)
impulsivo
QH
H
Vo
I
t
t
Area = Q elettroni
Ampiezza = H
Segnale:
Dalla misura di H si ricavano a ritroso Q ed E.
Rumore:
Il rumore visto all’uscita dell’amplificatore formatore va
anch’esso riferito all’ingresso dividendolo per il guadagno
H/Q della catena elettronica S.
ENC = Equivalent Noise Charge
(Rumore
(Rumoredella
dellamisura
misuradiespresso
H espresso
in
incarica
caricarms
rmsall’ingresso)
all’ingresso)
Perchè “formare” (o filtrare) il segnale ?
Segnale del
preamplificatore
Stesso segnale dopo la
formatura
s2
s1
50 µs
50 µs
Amplificatore formatore
analogico quasi Gaussiano
(spectroscopy amplifier
ORTEC mod. 572)
s2 << s1 : la formatura abbatte il rumore elettronico !
Tempo di formatura
Esiste un tempo di formatura ottimo dove il
rumore è minimo. E’ il
giusto
compromesso
per il rumore serie
(formatura stretta) e
il
rumore
parallelo
(formatura larga).
Per tempi di formatura crescenti Vo(t) si allarga ma non cambia di forma
L’amplificatore formatore modifica la forma
del segnale del preamplificatore per ridurre
il rumore elettronico.
Formatura ottima “a cuspide”
a) Cuspide infinita,
ottimo assoluto
(senza rum 1/f)
b) Triangolare,
ENC cresce solo
dell’8%
C = noise corner time
Per ridurre il pileup, cioè la sovrapposizione
di più segnali si può utilizzare una fz peso
tempo limitata (ad es. triangolare).
 C  CT
a
b
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
Rumore serie
bianco
ENC  CT a
2

A1

Rumore par
bianco
Rum 1/f
 kA2  b A3
2
 dh 
  dt  dt


2
h
(
t
)
 dt


2
 d ½h 
  dt½  dt

 
C  C
a
b
 opt 
A1
C
A3
2
ENCopt
ENC2
 A1 A3
( senza rumore 1/f )
c
c
1.10
Formatura a campionamento correlato
Esempi di formature a campionamento correlato
e)
d)
c)
a)
b)
a) p = 25 ns, b) p = 150 ns, c) p = 400 ns, d) p = 800 ns, e) p = 1200 ns
Classificazione eventi
A
Conteggi
canale
A
t
A
MCA
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).
SCA
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).
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 preamplificatore e formare il segnale
tramite filtraggio numerico.
preamp
Prefiltro
Flash
ADC
Filtro
numerico
preamp
Anti
aliasing
Flash
ADC
Filtro
numerico
(a)
Tconv  5-100 ns
(b)
Sintesi dei pesi {ai} del filtro numerico
U
A
u1
u2 
un
a1
u2
u3  un1
a2
y2




an
yk

uk uk 1  un k 1
un
Y
=
y1
u1 u2
×
pesaggio
y1 y2
yk
P
0

0
0
0
P

0
0




0
0
P
0
a1, a2, …, an
Rif. Rib1
Questa sottomatrice opzionale consente di minimizzare il rumore
di quantizzazione (QN). Più è grande P maggiore è la reiezione al
QN. Tipici valori di P: da 0.01 a 1

Da risolvere ai minimi quadrati
Questo sistema in matlab si risolve
immediatamente, digitando: A=U\Y
Ci vediamo dopo Pasqua