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Rivelatori di Particelle1 Lezione 21 Cenni di elettronica Elettronica Acquisizione dati.

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Presentazione sul tema: "Rivelatori di Particelle1 Lezione 21 Cenni di elettronica Elettronica Acquisizione dati."— Transcript della presentazione:

1 Rivelatori di Particelle1 Lezione 21 Cenni di elettronica Elettronica Acquisizione dati

2 Rivelatori di Particelle2 Lezione 21 Cenni di elettronica Gli apparati del giorno doggi, sia che siano per targhetta fissa o Collider sono fatti a cipolla ( o a spicchi di cipolla) e coinvolgono un gran numero di sotto- apparati. Ogni foglia di cipolla è un diverso sotto-apparato. Lo scopo di questi diversi rivelatori è quello di ottenere informazioni su : Tempo di arrivo Direzione di incidenza Energia Impulso Tipo di particella ecc. Luscita dei vari apparati è un segnale elettrico.

3 Rivelatori di Particelle3 Lezione 21 Cenni di elettronica

4 Rivelatori di Particelle4 Lezione 21 Cenni di elettronica Vedremo, in breve: Tecniche di elettronica usate per processare linformazione analogica alluscita dei vari sottorivelatori. Luscita analogica viene quasi sempre trasformata, il più presto possibile, in digitale. Tecniche ed architetture usate per il trigger. Il trigger seleziona gli eventi interessanti fra tutti gli eventi presenti. Decide se levento deve essere letto ed immagazzinato. Se ad esempio vogliamo misurare il rate di al livello del mare con un telescopio di scintillatori è sufficiente contare i segnali al di sopra di una certa soglia. I possono essere selezionati da una coincidenza fra tutti gli scintillatori. Altre particelle ad esempio protoni possono essere aboliti richiedendo un certo livello di penetrazione ( assorbitore in ferro). In esperimenti più complicati servono trigger selettivi spesso costituiti di più livelli.

5 Rivelatori di Particelle5 Lezione 21 Elettronica di lettura Terminologia. Quasi tutte le uscite degli apparati sono segnali di natura elettrica. Generalmente linformazione è sotto forma di impulsi, ovvero brevi variazioni nel tempo di una corrente o di un voltaggio. ampiezza tempo Tempo di salita larghezza ampiezza Base line

6 Rivelatori di Particelle6 Lezione 21 Elettronica di lettura Per ottenere il funzionamento ottimale lapparato e la sua elettronica di lettura devono essere ben adattati luno all altro. Le parti che ci interessano normalmente in un segnale sono: Ampiezza del segnale, forma energia depositata nellapparato. Tempo del segnale tempo di passaggio della particella. I segnali sono in generale: Piccoli (dellordine del pC ~ 10 6 e - (fotomoltiplicatori camere a fili)) Molto piccoli (dellordine dei fC ~ 10 3 e - (Silici o microcamere a gas)) Corti ( dellordine dei s (apparati spessi)) Molto corti (dellordine dei ns (apparati sottili)) E lapparato è ad una certa distanza dallelettronica di lettura (può essere 100m)

7 Rivelatori di Particelle7 Lezione 21 Elettronica di lettura Il segnale deve essere: Amplificato Formato Discriminato Digitizzato Trasferito I segnali sono soggetti a distorsioni: Intrinseche, rumore Esterne (pickup, instabilità nel voltaggio, masse cattive) Spesso il rapporto segnale/rumore (S/N) è la quantità che dobbiamo ottimizzare.

8 Rivelatori di Particelle8 Lezione 21 Elettronica di lettura Amplificatori Lo scopo di un amplificatore è quello di raccogliere un segnale debole da un apparato, amplificarlo e trasmetterlo via cavo allelettronica successiva (formatore, discriminatore, contatore). A titolo di esempio consideriamo uno scintillatore spesso 1 cm. Uno scintillatore rilascia in media per una particella al MIP 2 MeV/cm di energia corrispondente a ~40000 fotoni ( si hanno ~20000 fotoni per MeV). Se leggo il mio scintillatore con un fotodiodo (Q.E. ~80%) ho ~ coppie elettrone lacuna. La capacità di un fotodiodo è 10÷100 pF. Q=1.6x x3x10 4 ~5x C V=Q/C~5x x10 11 ~5x10 -4 V=0.5 mV Devo amplificare il segnale

9 Rivelatori di Particelle9 Lezione 21 Amplificatori Lamplificatore va montato il più possibile vicino allapparato perché: Rumore generato vicino allapparato o nel cavo che lo connette allapparato viene amplificato cattivo rapporto segnale/rumore. Un cavo lungo attenua il segnale ( devo amplificarlo di nuovo alla fine del cavo) e può causare seri problemi di impedenze non adattate (loop). Notiamo che per evitare distorsioni dellimpulso anche alluscita del preamplificatore ci vuole un buon adattamento delle impedenze. Se si è costretti ad usare cavi lunghi usare twisted pair (cavi differenziali) ed amplificatori differenziali rimozione del rumore di modo comune. Con le tecnologie moderne (VLSI=very large scale integration) si cerca di mettere preamplificatori, amplificatori, discriminatori e perfino ADC il più vicino possibile allapparato in modo da trasmettere segnali digitali.

10 Rivelatori di Particelle10 Lezione 21 Amplificatori I preamplificatori si dividono grossomodo in 3 categorie: Amplificatori di carica Amplificatori di voltaggio Amplificatori di corrente I primi due sono i più importanti per le applicazioni che ci interessano. Sono in genere fatti con degli operazionali con un feedback negativo (controreazionati) o capacitivo o resistivo.

11 Rivelatori di Particelle11 Lezione 21 Amplificatori di carica Se lapparato è fatto di semiconduttori con piccola capacità C det (ed inoltre che può variare a seconda delle condizioni di operazione) bisogna usare un amplificatore di carica. Questo tipo di amplificatore ha in generale una capacità del circuito dingresso grande e stabile che integra la carica rilasciata nellapparato e produce alluscita un impulso in voltaggio.

12 Rivelatori di Particelle12 Lezione 21 Amplificatori di voltaggio Si usa un amplificatore in voltaggio quando lapparato ha una capacità C det grande quindi in grado di integrare la carica rilasciata e convertirla in un segnale in voltaggio V i =Q/ C det. Per avere un guadagno stabile la capacità del circuito dingresso deve essere costante. Luso di amplificatori di corrente è indicato nel caso di rivelatori a bassissima impedenza poco utile per apparati che rivelano radiazione in quanto essi hanno in generale unalta impedenza. V in R RfRf V out -A inverte feedback

13 Rivelatori di Particelle13 Lezione 21 Discriminatori e Formatori I discriminatori (formatori) servono essenzialmente come filtri per far passare il segnale e eliminare (per quanto possibile il rumore).

14 Rivelatori di Particelle14 Lezione 21 Discriminatori e Formatori Rumore

15 Rivelatori di Particelle15 Lezione 21 Discriminatori

16 Rivelatori di Particelle16 Lezione 21 Discriminatori e Formatori Una quantità molto utile è l ENC (equivalente in carica del rumore): F v ed F i sono dei fattori numerici che dipendono dai dettagli dei filtri per il rumore. t(ns) tempo di picco del formatore C i (pF)capacità totale dingresso (include sia la capacità dellapparato che quella dellamplificatore). densità equivalenti del voltaggio e della corrente del rumore.

17 Rivelatori di Particelle17 Lezione 21 Discriminatori Ricordiamo: Un segnale analogico fornisce informazioni oltre che sullampiezza del segnale, normalmente proporzionale alla perdita di energia della particella nellapparato, anche sulla forma (struttura temporale) del segnale. Segnali digitali o logici hanno normalmente due soli stati: segnale presente (1), segnale assente (0). Sono molto più facili da maneggiare ed inoltre poco sensibili al rumore, pick up, cross-talk ecc. Convertire il segnale analogico in digitale appena abbiamo estratto linformazione necessaria (e.g. altezza dimpulso). Gli impulsi digitali di un particolare tipo logico hanno unampiezza ben definita e talvolta anche una durata fissa. Tipo logicoNIMTTLECL 0-1 a 1mA0÷0.8 V-0.9 V 1-14÷-18mA2÷5 V-1.75 V NIM= Nuclear Instrument Module TTL=Transistor-Transistor Logic ECL=Emitter Coupled Logic

18 Rivelatori di Particelle18 Lezione 21 Discriminatori Per selezionare quali impulsi analogici devono essere trasformati in digitali si usano dei discriminatori. I più comuni sono i discriminatori a soglia. La discriminazione viene normalmente fatta sul tempo di salita del segnale analogico (leading edge) problemi di temporizzazione in quanto il voltaggio di soglia viene raggiunto a tempi diversi per segnali di ampiezze diverse (slewing). Questo problema può essere eliminato richiedendo che una frazione costante del segnale superi un valore preselezionato discriminatore a frazione costante. Per avere una buona risoluzione temporale può essere utile non utilizzare la salita del segnale, ma il momento in cui il segnale raggiunge il massimo. Questo si ottiene derivando il segnale e misurando il tempo al quale il segnale va a zero (zero crossing). Un discriminatore a soglia accetta e trasmette solo segnali al di sopra di una certa soglia di voltaggio (regolabile).

19 Rivelatori di Particelle19 Lezione 21 Discriminatori Unapplicazione del discriminatore a soglia (discriminatore differenziale) è fornita dal multicanale. Un amplificatore differenziale è indicato in figura: Vengono accettati solo segnali di ampiezza compresa fra V 1 e V 2. Se mettiamo assieme molti amplificatori differenziali (con diverse soglie) ( ) possiamo analizzare e riprodurre tutto lo spettro delle ampiezze dei segnali. V1V1 V2V V2V2 V1V1 V in V out &

20 Rivelatori di Particelle20 Lezione 21 Convertitori Fondamentali sono gli ADC (Analog to Digital Converter). Il principio di funzionamento del più semplice ADC è indicato in figura: Una modifica è lADC che usa sia la carica che la scarica (ADC a due rampe). Il tempo di conversione per questi ADC per avere una risoluzione ad n bit è x2 n, dove è il periodo del clock. Usando clock MHz e 10 bit t=20-5 s. Lingresso è usato per caricare una Capacità. Alla fine dellimpulso la capacità è scaricata ad un rate costante. Il tempo necessario per scaricare la capacità è misurato con un oscillatore (clock) il numero di impulsi è proporzionale alla carica accumulata nella capacità e quindi allampiezza dellimpulso dingresso.

21 Rivelatori di Particelle21 Lezione 21 Convertitori Molto più veloce è il convertitore ad approssimazioni successive. È un po un compromesso fra velocità e risoluzione. Il segnale dingresso viene successivamente paragonato ad un insieme di voltaggi di riferimento generati da un DAC. Linsieme dei bit abilitati o no nel registro è controllato da un circuito logico e va per approssimazioni. Si comincia col paragonare la V in con ½ V max se V in > ½ V max il bit va ad 1 (MSB) e viene posto ad 1 anche il bit successivo. (e.g. 8 bit MSB = ½ V max +1/4 V max = ¾ V max ). Se invece V in < ½ V max si scrive e si paragona con 1/4 V max e via di seguito. In questo caso servono solo xn passaggi per n bit.(in questo esempio n=8) D/A Converter Logic Unit Register V in Comparator Clock Buffer

22 Rivelatori di Particelle22 Lezione 21 Convertitori FADC Il tempo di conversione è essenzialmente dovuto al numero di passi n necessari per paragonare il segnale dingresso con i voltaggi di riferimento. Se quindi vogliamo eseguire la conversione in un solo passo bisogna avere 2 n comparatori che lavorano in parallelo e contemporaneamente 2 n voltaggi di riferimento che suddividono lampiezza del segnale in 2 n livelli (non necessariamente uguali).

23 Rivelatori di Particelle23 Lezione 21 Convertitori Il funzionamento di un FADC e semplice. Una catena di resistenze divide il segnale di riferimento in n valori che funzionano da soglia per i comparatori. Il segnale da analizzare e inviato contemporaneamente a tutti i comparatori. Ogni comparatore che vede un segnale più alto della sua soglia da unuscita. Le uscite dei comparatori entrano in un gate che converte le uscite (livelli) in numeri binari. Il comparatore con la soglia più alta fornisce limpulso.

24 Rivelatori di Particelle24 Lezione 21 Convertitori FADC In generale è più importante riprodurre la forma dellimpulso in digitale. Per questo motivo il segnale dingresso è suddiviso in fette (con un clock di frequenze fino ad 1 GHz). Linformazione per ogni ciclo del clock viene scritta in un buffer veloce enorme quantità di dati.

25 Rivelatori di Particelle25 Lezione 21 Convertitori TDC Converte un tempo in digitale. Il metodo più semplice usa un oscillatore (clock) ad alta frequenza connesso ad un contatore che è iniziato e fermato dagli impulsi. Per misurare tempi brevi meglio usare un TAC (time to amplitude converter) seguito da un ADC.


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