Digital Pulse Processing (DPP) in Fisica Nucleare
La trattazione «classica» dei segnali da rivelatori di particelle in fisica
nucleare e particellare fa uso abitualmente di:
- ADC (in tensione o carica) per l’analisi dell’ampiezza o della carica
- Discriminatori e TDC per le applicazioni di timing
Normalmente le condizioni di lavoro di questi moduli elettronici vanno
settate all’inizio e non possono essere modificate durante le misure.
Esempi:
- soglia nei discriminatori
- soppressione del pedestal
- gate di integrazione
- …
Digital Pulse Processing (DPP)
Molti di questi parametri potrebbero essere adattati agli eventi,
raggiungendo risultati migliori, se la forma del segnale fosse disponibile.
Vantaggi:
- Possibilità di testare algoritmi differenti scegliendo il risultato migliore
- Possibilità di trattare individualmente ciascun evento
- Possibilità di estrarre varie informazioni dallo stesso segnale
ad esempio: durata, forma, ampiezza, distorsioni eventuali, …
- Possibilità di utilizzare contemporaneamente diversi gate di integrazione
- Possibilità di utilizzare contemporaneamente diverse soglie
- …
il tutto mediante analisi off-line dei segnali
Digital Pulse Processing (DPP)
Algoritmi implementabili per l’analisi digitale dei segnali:
- Soppressione degli zeri
- Trattazione della baseline di un segnale
- Analisi delle ampiezze
- Integrazione in carica
- Discriminazione in forma dei segnali
- Misure di tempo
- …
Digitizers and Digital Oscilloscopes
Un campionamento del segnale può essere
ottenuto sia da oscilloscopi digitali che da
digitizer: in entrambi i casi un certo numero di
samples viene conservato in memoria.
Digitizers and Digital Oscilloscopes
Gli oscilloscopi digitali consentono di
conservare un segnale campionandolo
con un certo numero di
samples/secondo.
Esempi:
Lecroy WaveRunner 6030:
2.5 Gs/secondo, 4 channels
Digitizers and Digital Oscilloscopes
Un oscilloscopio Tektronix della serie
7000
2.5 GHz bandwidth
4 channels
40 Gs/secondo
Digitizers and Digital Oscilloscopes
Esistono tuttavia delle differenze tra le due soluzioni:
Nei digitizer:
Possibilità di effettuare analisi dei dati on-line mediante FPGA
Possibilità di sincronizzarsi con altri moduli per avere più canali
Multi-event memory buffer (no dead time between events)
…
Digital Pulse Processing (DPP)
Nell’analisi digitale dei segnali due approcci sono in linea di principio
possibili:
1) Acquisire e trasferire il flusso completo dei dati (raw data) e
fare tutta l’analisi off-line
- Metodo molto generale, conserva tutto il segnale e rende
possibile ogni tipo di analisi a posteriori
- Impraticabile con un flusso elevato di dati
1) Effettuare una prima analisi digitale on-line dei segnali acquisiti e
trasferire già le informazioni richieste
- Necessita di una elaborazione veloce dei segnali (FPGA)
- Consente di trattare flussi di dati elevati
- Impossibile una trattazione completa del segnale off-line
Digital Pulse Processing (DPP)
Stime numeriche:
1 ADC a 12 bit (1.5 byte) con un campionamento a 250 MSamples/secondo
produce 375 Mbytes/s in acquisizione continua
1 ADC a 12 bit con un trigger rate di 10 KHz ed eventi lunghi 1000 samples
(4 microsecondi) producono 15 Mbytes/s in acquisizione triggerata
Realisticamente si possono acquisire in modo completo segnali con un
trigger rate basso o in ogni caso per un campione limitato di eventi. Nella
maggior parte delle applicazioni, è necessario implementare degli algoritmi
on-line per la trattazione del segnale.
Digital Pulse Processing (DPP)
Funzioni di un digitizer
Nella modalità oscilloscopio, il digitizer si limita ad acquisire e conservare le
forma d’onda dei segnali, con le limitazioni di rate viste prima.
Nella modalità DPP, il digitizer utilizza uno o più algoritmi per l’analisi on-line
dei segnali.
Algoritmi diversi possono essere caricati nel firmware, utilizzando lo stesso
hardware.
Digital Pulse Processing (DPP)
Modalità oscilloscopio
Digital Pulse Processing (DPP)
Modalità DPP
Zero suppression
Rimuove dall’intervallo di acquisizione quelle parti
che non contengono informazione utile
Pulse height Analysis
Implementazione digitale di shaping amplifier + Peak sensing ADC
Schema a blocchi per Pulse Height Analysis
Decimator: Riduce il rate
TRG Filter: Identifica l’arrivo del segnale
Energy Filter: Fa uno shaping del segnale mediante filtro trapezoidale e valuta
l’ampiezza
Memory Manager: Costruisce l’evento da memorizzare
Digital Charge Integration
Implementazione digitale di
discriminatore, gate generator e QDC
Determinazione automatica del gate
Eliminazione del pedestal
Informazione su energia e tempo
Schema a blocchi per Charge Integration
Digital Pulse Processing (DPP)
Utilizzo di digitizer per l’analisi di
segnali da SiPM
1 fotoelettrone
2 fotoelettroni
…
Un segnale da SiPM
Osservato in persistenza…
Digital Pulse Processing (DPP)
Spettro in carica integrato da un
digitizer
Pulse Shape Discrimination
- Possibilità di introdurre (sia on-line che nell’analisi offline) gates differenti su cui integrare il segnale
- Possibilità di valutare il rise-time dei segnali
Identificazione di particelle mediante fast-slow
Identificazione con la tecnica del rise- time
Integrazione fast e slow di un segnale
Applicazione di un doppio gate (fast e slow) per l’integrazione di
un segnale. Il rapporto tra le due componenti dipende dal tipo di
particella.
Schema a blocchi per Pulse Shape Discrimination
Digital Pulse Processing (DPP)
Un esempio di applicazione alla discriminazione ngamma in uno scintillatore liquido BC501 + PMT
Timing Analysis
In alcuni casi l’informazione sul timing estratta da digitizer può
essere migliore rispetto ad una catena elettronica tradizionale:
- Misure di tempo combinate con misure di energia, carica, etc…
- Risoluzione temporale da ottimizzare
- Opportunità di confrontare diversi algoritmi per il timing
- Bursts di eventi molto vicini
Algoritmi per il timing dei segnali
Interpolazione tra i vari samples: migliora la risoluzione temporale
Algoritmi per il timing
Possibilità di implementare off-line algoritmi per
simulare il comportamento di un discriminatore
- Leading Edge
- Constant Fraction Discriminator
… e molto altro
Il sistema CAEN
Uno dei digitizer CAEN (DST20)
adoperato in laboratorio:
2 canali
250 Ms/secondo
12 bits
Full scale 1 V
Esempio: spettrometria gamma
Un esempio di spettro gamma da 137Cs
misurato con uno scintillatore NaI (spettro
blu=prima della sottrazione del fondo, spettro
rosso= dopo la sottrazione del fondo)
Esempio: spettrometria gamma
Uno spettro (già sottratto del fondo),
da 60Co.
Esempio: spettrometria gamma
Risultati ottenuti con ADC
tradizionali
Energia(MeV)
Fwhm (Canali)
Risoluzione (%)
Ba133
0,081
10,181 ± 0,026
36,485 ± 0,094
Na22
0,511
22,024 ± 0,045
15,087 ± 0,031
Cs137
0,662
24,228 ± 0,066
12,946 ± 0,035
Mn54
0,835
27,339 ± 0,106
11,723 ± 0,046
Zn65
1,115
32,216 ± 0,188
10,447 ± 0,061
Co60
1,173
41,408 ± 0,624
12,791 ± 0,193
Na22
1,275
35,812 ± 0,172
10,247 ± 0,049
Co60
1,332
31,936 ± 0,546
8,631 ± 0,148
Esempio: spettrometria gamma
Analogo spettro del 137Cs, ottenuto
da integrazione del segnale
digitalizzato
Esempio: spettrometria gamma
Idem, per il 60Co
Esempio: spettrometria gamma
Risultati ottenuti con il digitizer
Energia(Me
V)
Centroide
(Canali)
σ (Canali)
Ba133
0,081
480,081 ± 0,410
50,486
0,452
Na22
0,511
1374,17 ± 0,211
87,595 ± 0,223
Cs137
0,662
1692,27 ± 0,274
80,543 ± 0,229
Mn54
0,835
2053,17 ± 0,594
102,08 ± 0,468
Zn65
1,115
2632,43 ± 0,804
113,919 ± 0,598
Co60
1,173
2742,98 ± 1,503
144,84 ± 2,159
Na22
1,275
2959,40 ± 0,616
128,763 ± 0,524
Co60
1,332
3112,07 ± 1,946
107,570 ± 1,607
±
Digital Pulse Processing (DPP)
Energia (MeV)
Risoluzione (%) ADC
Risoluzione (%) DPP
0,081
36,485 ± 0,094
24,766 ± 0,223
0,511
15,087 ± 0,031
15,012 ± 0,038
0,662
12,946 ± 0,035
11,209 ± 0,032
0,835
11,723 ± 0,046
11,709 ± 0,054
1,115
10,447 ± 0,061
10,191 ± 0,054
1,173
12,791 ± 0,193
12,435 ± 0,185
1,275
10,247 ± 0,049
10,247 ± 0,042
1,332
8,631 ± 0,148
8,140 ± 0,122