Strumentazione elettronica 4 CFU – 32 ore Alberto Pullia alberto.pullia@mi.infn.it – tel. 02-50317735 Laurea in Fisica – Università di Milano Bicocca

Argomenti trattati Spettrometri di radiazioni ionizzanti (per misure tipo PIXE, PIGE, XAS, etc.) 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

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.

Rivelatore + criostato PIXE Dewar azoto liquido Typical 80mm² Si(Li) detector for PIXE applications. Shown mounted on a manual slide with vacuum chamber interface. The base plate is used for mounting the detector for 'in-air' analysis. Dito freddo + rivelatore Slitta movimentazione Modulo preamplificatore + alta tensione

INGRESSO I(t) impulsivo Ingresso, uscita e ENC Fotone / particella ionizzante (energia E) S La formatura è data da questo tutt’uno ! Preamplificatore Amplificatore formatore E  Q Area = Q elettroni INGRESSO I(t) impulsivo I t Rivelatore HPGe USCITA Vo(t) Ampiezza = H H Q  H Vo t Dalla misura di H si ricavano a ritroso Q ed E. Segnale: ENC = Equivalent Noise Charge (Rumore della misura espresso in carica rms all’ingresso) 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 della misura di H espresso in carica rms all’ingresso) Rumore:

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 for-matura 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% tC = noise corner time CT = capacità totale ingresso preamp. (dovuta al preamp stesso e al rivelatore) a,b = intensità rumori elettronici di tipo serie e parallelo Per ridurre il pileup, cioè la sovrapposizione di più segnali si può utilizzare una fz peso tempo limitata (ad es. triangolare).

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

Formatura a campionamento correlato

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

Classificazione eventi Conteggi A canale A t 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 preampli-ficatore e formare il segnale tramite filtraggio numerico. preamp Filtro numerico Prefiltro Flash ADC (a) preamp Anti aliasing Flash ADC Filtro numerico (b) Tconv  5-100 ns

Sintesi dei pesi {ai} del filtro numerico Y = campioni un … u1 u2 × yk … y1 y2 pesaggio 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 mercoledì