Modulistica per l’elettronica nucleare Lo standard NIM Moduli elettronici e rispettive funzioni Sistemi di trigger

Lo standard NIM Standard NIM = Nuclear Instrumentation Methods Stabilito nel 1964 per le apparecchiature dei fisici nucleari Sistema per consentire la modularità e interconnessione Moduli alimentati in contenitori (Crate) standard

Moduli e Crate NIM Crate di dimensioni meccaniche standard, alimentazioni standard (±6V,±12V,±24V). Moduli di dimensione standard, 12 stazioni singole per crate. Amplificatori, coincidenze, unità logiche, discriminatori, moduli di ritardo, tutti di dimensioni standard. Possibilità di controllo remoto, ma assenza di “intelligenza” di gestione del crate. Principalmente utilizzati nei sistemi di trigger veloci. 12/11/2018

Principali moduli di elettronica Linee di ritardo Fan-in, fan-out (OR) Discriminatori ADC TDC TAC Scale di conteggio Coincidenze (AND) Unità logiche Moduli di alta tensione Amplificatori 12/11/2018

Linee di ritardo Moduli (passivi o attivi) per introdurre ritardo tra un segnale in ingresso e l’uscita. - Per “piccoli” ritardi (~100 ns) si sfrutta la velocità di propagazione nei cavi coassiali (5 ns/m). Introducono attenuazione del segnale. Ritardi maggiori (micro o milli secondi) non possono essere ottenuti in questo modo, e necessitano elettronica attiva 12/11/2018

Fan-in e Fan-out (OR) Fan-in : moduli attivi in cui l’uscita è la somma analogica dei segnali in ingresso. Possono essere sia lineari che logici. Fan-out : moduli attivi in cui un singolo segnale viene distribuito su varie uscite. Da non confondersi con gli “splitters” passivi. Possono essere sia lineari che logici. FAN IN FAN OUT 12/11/2018

Discriminatori Danno un segnale in uscita se e solo se il segnale in ingresso è superiore ad un certo valore di soglia. Uscita: segnale logico standard NIM, Larghezza modificabile mediante un potenziometro - Uso: misure di tempo sistemi di trigger Soglie variabili da 20 a 1000 mV, larghezze da 5 a 1000 ns. 12/11/2018

Misure temporali tramite discriminatori: Discriminatori “leading edge” - segnali di ampiezza diversa (ma stessa forma!) hanno un segnale in uscita diverso  indeterminazione nella misura temporale, necessità di una correzione dipendente dall’ampiezza del segnale (che deve essere quindi necessariamente misurata...)‏ Discriminatori “a frazione costante” (CFD) - il discriminatore non “scatta” ad una data soglia (in mV) ma ad una determinata frazione dell’ampiezza del segnale: misura del tempo praticamente indipendente dall’ampiezza dell’impulso. 12/11/2018

Soglia T T1 12/11/2018

Discriminatore a frazione costante 50% T Discriminatore a frazione costante 12/11/2018

Convertitore ADC (Analog to Digital Converter) Strumento fondamentale, non solo nel campo della fisica nucleare e subnucleare. ADC = Analog to Digital Converter. Un segnale viene acquisito in modo analogico e convertito in informazione digitale tramite un elaborazione con elettronica di tipo logico. Analisi dei dati on/off-line. ADC sensibili al picco o all’integrale del segnale: es. ampiezza dell’impulso o carica totale del segnale. Curva di Landau, tipica della perdita di energia per ionizzazione con coda ad alti valori di E Piedistallo (integrale del rumore)‏ 12/11/2018

Calibrazione di un ADC A quanti conteggi di ADC corrisponde il rilascio di una data quantità di energia in uno scintillatore? Calibrazione in energia. Utilizzo di una sorgente di energia nota (sorgente radioattiva, Na22, Co60); utilizzo di una quantità di carica nota iniettata elettronicamente. 12/11/2018

Convertitori TAC (Time to Amplitude Converter) TAC : Converte una differenza di tempi in un segnale in ampiezza; questo può essere poi mandato in ingresso ad un ADC per ottenere un valore digitale. START 145, … STOP TAC ADC 12/11/2018

Convertitore TDC Converte una differenza di tempo (normalmente l’intervallo di tempo tra uno START ed uno STOP) in un valore digitale. Risoluzioni tipiche 50ps/conteggio (1024 o 2048 conteggi, a seconda del modello di TDC). START 145, … STOP TAC ADC 12/11/2018

Scale di conteggio Sensibilità, linearità, FADC............. Semplici contatori di impulsi digitali. Moduli NIM, CAMAC o VME. Programmabili. Dotati di un display a LED oppure soltanto “leggibili” via computer. Possono “lavorare” a frequenze di conteggio continuo fino a 100 MHz. Segnali di CLEAR e INHIBIT. 12/11/2018

Coincidenze (AND) Caso particolare di una più vasta classe di moduli di unità logiche. Utilizzati spesso, sopratutto nei sistemi di Trigger veloci, dove è necessario imporre la coincidenza di uno o più rivelatori. 12/11/2018

Coincidenze spurie Se T~50 ns, S0~S1~3KHz  Racc~1 Hz S0, Frequenza di conteggio singolo di S0 S1, Frequenza di conteggio singolo si S1 T larghezza dei segnali “discriminati” Frequenza di conteggi spuri Racc~ 2S0S1ΔT Se T~50 ns, S0~S1~3KHz  Racc~1 Hz 12/11/2018

Unità logiche Unità logiche di vario tipo (AND, OR, NAND, NOR...). Normalmente moduli NIM Moduli di tipo CAMAC o VME più frequentemente utilizzati in fisica delle particelle. Multi-ingresso (fino a 32 ingressi contemporanei), logiche programmabili, normalmente utilizzano lo standard ECL. 12/11/2018

Moduli di alimentazione Oltre agli alimentatori tradizionali singoli, esistono anche moduli di alimentazione in standard NIM Capaci di fornire sia basse che alte (10 kV) tensioni Sistemi di alimentazione gestiti via software tramite un controller

Elettronica NIM, alta tensione (HV), … modulo Crate Moduli HV alimentazione segnale alimentazione HV Rivelatore Controller HV 12/11/2018 Interfacce (seriale, internet, …)‏

Amplificatori Moduli utilizzati per l’amplificazione di un segnale (lento o veloce) e per lo “shaping” (forma del segnale) Scelta in base alla tipologia di segnali da trattare (lento/veloce), banda passante Possibilità di shaping differente e diversi guadagni

Sistemi di trigger Tabella di verità del circuito di coincidenza a 2 ingressi IN1 IN2 OUT 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 Per comunicare al sistema di acquisizione dati che un evento fisico misurato dai rivelatori è “buono” da acquisire, occorre un segnale di “trigger”. Un segnale di trigger è in genere una combinazione logica di più informazioni provenienti dai rivelatori. Segnale di trigger Esempio: la coincidenza tra 2 rivelatori Discrimin 1 & 2 AND