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Digital Pulse Processing (DPP) in Fisica Nucleare La trattazione «classica» dei segnali da rivelatori di particelle in fisica nucleare e particellare fa.

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Presentazione sul tema: "Digital Pulse Processing (DPP) in Fisica Nucleare La trattazione «classica» dei segnali da rivelatori di particelle in fisica nucleare e particellare fa."— Transcript della presentazione:

1 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 - …

2 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

3 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 - …

4 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.

5 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

6 Un oscilloscopio Tektronix della serie GHz bandwidth 4 channels 40 Gs/secondo Digitizers and Digital Oscilloscopes

7 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) … Digitizers and Digital Oscilloscopes

8 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

9 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.

10 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.

11 Digital Pulse Processing (DPP) Modalità oscilloscopio

12 Digital Pulse Processing (DPP) Modalità DPP

13 Zero suppression Rimuove dall’intervallo di acquisizione quelle parti che non contengono informazione utile

14 Pulse height Analysis Implementazione digitale di shaping amplifier + Peak sensing ADC

15 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

16 Digital Charge Integration Implementazione digitale di discriminatore, gate generator e QDC Determinazione automatica del gate Eliminazione del pedestal Informazione su energia e tempo

17 Schema a blocchi per Charge Integration

18 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…

19 Digital Pulse Processing (DPP) Spettro in carica integrato da un digitizer

20 Pulse Shape Discrimination - Possibilità di introdurre (sia on-line che nell’analisi off- line) 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

21 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.

22 Schema a blocchi per Pulse Shape Discrimination

23 Digital Pulse Processing (DPP) Un esempio di applicazione alla discriminazione n- gamma in uno scintillatore liquido BC501 + PMT

24 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

25 Algoritmi per il timing dei segnali Interpolazione tra i vari samples: migliora la risoluzione temporale

26 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

27 Il sistema CAEN Uno dei digitizer CAEN (DST20) adoperato in laboratorio: 2 canali 250 Ms/secondo 12 bits Full scale 1 V

28 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)

29 Uno spettro (già sottratto del fondo), da 60Co. Esempio: spettrometria gamma

30 Risultati ottenuti con ADC tradizionali Energia(MeV)Fwhm (Canali)Risoluzione (%) Ba 133 0,08110,181 ± 0,02636,485 ± 0,094 Na 22 0,51122,024 ± 0,04515,087 ± 0,031 Cs 137 0,66224,228 ± 0,06612,946 ± 0,035 Mn 54 0,83527,339 ± 0,10611,723 ± 0,046 Zn 65 1,11532,216 ± 0,18810,447 ± 0,061 Co 60 1,17341,408 ± 0,62412,791 ± 0,193 Na 22 1,27535,812 ± 0,17210,247 ± 0,049 Co 60 1,33231,936 ± 0,5468,631 ± 0,148 Esempio: spettrometria gamma

31 Analogo spettro del 137Cs, ottenuto da integrazione del segnale digitalizzato Esempio: spettrometria gamma

32 Idem, per il 60Co Esempio: spettrometria gamma

33 Risultati ottenuti con il digitizer Energia(Me V) Centroide (Canali) σ (Canali) Ba 133 0,081480,081 ± 0,410 50,486 ± 0,452 Na 22 0, ,17 ± 0,21187,595 ± 0,223 Cs 137 0, ,27 ± 0,27480,543 ± 0,229 Mn 54 0, ,17 ± 0,594102,08 ± 0,468 Zn 65 1, ,43 ± 0,804113,919 ± 0,598 Co 60 1, ,98 ± 1,503144,84 ± 2,159 Na 22 1, ,40 ± 0,616128,763 ± 0,524 Co 60 1, ,07 ± 1,946107,570 ± 1,607 Esempio: spettrometria gamma

34 Digital Pulse Processing (DPP) Energia (MeV)Risoluzione (%) ADCRisoluzione (%) DPP 0,08136,485 ± 0,09424,766 ± 0,223 0,51115,087 ± 0,03115,012 ± 0,038 0,66212,946 ± 0,03511,209 ± 0,032 0,83511,723 ± 0,04611,709 ± 0,054 1,11510,447 ± 0,06110,191 ± 0,054 1,17312,791 ± 0,19312,435 ± 0,185 1,27510,247 ± 0,04910,247 ± 0,042 1,3328,631 ± 0,1488,140 ± 0,122


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