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Strumentazione elettronica Strumentazione elettronica durata: 32 ore Prof. Alberto Pullia – tel. 02-50317735 Dottorato di ricerca.

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1 Strumentazione elettronica Strumentazione elettronica durata: 32 ore Prof. Alberto Pullia – tel Dottorato di ricerca in Fisica Laurea in Fisica Università degli Studi di Milano

2 topserver.mi.infn.it/mies/labelet_iii Sito web del corso : topserver.mi.infn.it/mies/labelet_iii Lesame consiste in un colloquio Il materiale didattico utilizzato verrà reso disponibile sul sito web.

3 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

4 Rivelatore + criostato + strumentazione

5 Ingresso, uscita e ENC Rivelatore HPGe PreamplificatoreAmplificatore formatore La formatura è data da questo tuttuno ! Dalla misura di H si ricavano a ritroso Q ed E. Segnale: ENC = Equivalent Noise Charge (Rumore della misura espresso in carica rms allingresso) Il rumore visto alluscita dellamplificatore formatore va anchesso riferito allingresso dividendolo per il guadagno H/Q della catena elettronica. ENC = Equivalent Noise Charge (Rumore della misura di H espresso in carica rms allingresso) Rumore: E Q Q Area = Q elettroni INGRESSO I(t) impulsivo I t USCITA V o (t) H Ampiezza = H H Q H VoVo t E Fotone / particella ionizzante (energia E)

6 Amplificatore formatore analogico quasi Gaussiano (spectroscopy amplifier ORTEC mod. 572) Segnale del preamplificatore Stesso segnale dopo la formatura Perchè formare (o filtrare) il segnale ? 2 << 1 : la formatura abbatte il rumore elettronico ! 2 << 1 : la formatura abbatte il rumore elettronico ! 50 µs 1 2

7 Tempo di formatura Per tempi di formatura crescenti V o (t) si allarga ma non cambia di forma Esiste un tempo di for- matura ottimo dove il rumore è minimo. E il giusto compromesso per il rumore serie (formatura stretta) e il rumore parallelo (formatura larga).

8 Lamplificatore formatore modifica la forma del segnale del preamplificatore per ridurre il rumore elettronico.

9 Formatura ottima a cuspide a) Cuspide infinita, ottimo assoluto (senza rum 1/f) b) Triangolare, ENC cresce solo dell8% Per ridurre il pileup, cioè la sovrapposizione di più segnali si può utilizzare una fz peso tempo limitata (ad es. triangolare). C = noise corner time C T = capacità totale ingresso preamp. (dovuta al preamp stesso e al rivelatore) a,b = intensità rumori elettronici di tipo serie e parallelo

10 Formature sub-ottime Rumore serie bianco Rumore par bianco Rum 1/f cc ( senza rumore 1/f ) 1.10

11 Formatura a campionamento correlato

12 Esempi di formature a campionamento correlato a) b) c) d) e) a) p = 25 ns, b) p = 150 ns, c) p = 400 ns, d) p = 800 ns, e) p = 1200 ns

13 Classificazione eventi Gli eventi vanno classificati. Per fare ciò è necessario istogrammare linformazione dinteresse (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). 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). canale A Conteggi A MCA SCA t A

14 Esempio di segnali classificati: spettro energetico

15 Convertitori ADC veloci (flash) formare il segnale tramite filtraggio numerico I flash ADC sono molto veloci (tempo di conversione dellordine del ns). E possibile campionare lintera forma donda del preampli- ficatore e formare il segnale tramite filtraggio numerico. preamp Filtro numerico Prefiltro Flash ADC (a) preamp Anti aliasing Flash ADC Filtro numerico (b) T conv ns

16 Sintesi dei pesi {a i } del filtro numerico = UAY u1u1 u2u2 … unun y1y1 y2y2 ykyk … Questo sistema in matlab si risolve immediatamente, digitando: A=U\Y 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 campioni pesaggio a 1, a 2, …, a n × Rif. Rib1

17 Ci vediamo dopo Pasqua


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