Prezentacja wykonana w ramach przedmiotu Metody i Techniki

Prezentacja wykonana w ramach przedmiotu: Metody i Techniki Jądrowe w Środowisku, Przemyśle i Medycynie Temat 11: Układy elektroniczne i systemy akwizycji danych współpracujące z detektorami promieniowania Prowadzący przedmiot: autor opracowania: prof. nzw. dr hab. Jan Pluta inż. Janusz Kosko Wydział Fizyki Politechniki Warszawskiej Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej

Detekcja promieniowania polega nie tylko na wykazaniu obecności promieniowania jądrowego, lecz także na pomiarze jego ilości, energii i własności pokrewnych. Układ detekcyjny można uważać jako połączenie dwóch części: detektora i przyrządu pomiarowego. Detektor jest miejscem oddziaływania promieniowania na układ. Przyrząd pomiarowy połączony jest z wyjściem detektora i dopełnia czynności niezbędnych do realizacji pomiaru.

Pomiary dokonywane przez przyrządy pomiarowe [1] Można wyróżnić różne typy pomiarów dokonywane przez przyrządy pomiarowe: § Liczenie cząstek § Analiza amplitudy impulsów § Pomiary koincydencyjne § Układy detekcji średniego poziomu

Liczenie cząstek [1] § Liczba impulsów opuszczających detektor równa się liczbie cząstek trafiających detektor, pomnożonej przez współczynnik wydajności detektora. § Układy działające na tej zasadzie Układy zliczające określają liczbę impulsów, występujących w określonym przedziale czasowym mierniki częstotliwości średniej obliczają wprost średnią częstotliwość impulsów, dzięki odpowiedniemu układowi elektronicznemu

Liczenie cząstek cd. Detektor Zasilacz Wys. Napięcia Wzmacniacz wstępny Wzmacniacz Dyskryminator Rejestrator Wzmacniacz rejestratora Przelicznik Schemat blokowy układu liczącego cząstki jądrowe Impuls prądowy z detektora dostaje się na wejście wzmacniacza wstępnego.

Liczenie cząstek cd. § Wzmacniacz wstępny – dopasowuje impedancję, pośredniczy w przekazaniu sygnału napięciowego z obwodu wejściowego o małej pojemności do wyjściowego o dużej pojemności, przy czym napięcie sygnału pozostaje w przybliżeniu niezmienione § Wzmacniacz – zapewnia pożądaną wielkość impulsów § Dyskryminator - przepuszcza tylko te impulsy, których amplituda przekracza określone minimum, odcina szum, impulsy z dyskryminatora mają znormalizowaną amplitudę i zazwyczaj stałą szerokość

Liczenie cząstek cd. § Przelicznik - dzieli częstotliwości impulsów aż do uzyskania takiej częstotliwości, za którą zdoła nadążyć numerator § Wzmacniacz rejestratora – dopasowuje wielkość impulsów do obwodu wejściowego rejestratora § Rejestrator – dokonuje właściwego pomiaru

Detektor YAP [2, 3] § Detektor stanowi matryca słupków kryształu YAP pokrytych światłowodami WLS § Dolna warstwa światłowodów odpowiada za detekcję w kierunku X a górna w kierunku Y § Dzięki informacjom z górnej i dolnej warstwy można uzyskać dwuwymiarowy rozkład promieniowania § Słupki są izolowane warstwą aluminiową

Detektor YAP cd. Stosując odpowiednio cienką warstwę YAP można użyć jednolitej warstwy kryształu (jeden kryształ zamiast słupków z izolacją Al). Możliwe konfiguracje A – optycznie izolowane kryształy YAP B – cienki monokryształ YAP C – układ wielowarstwowy

Detektor YAP cd. Uzyskane obrazy dla konfiguracji A i B

Detektor YAP cd. rozkład X, rozkład Y i obraz po zdekodowaniu

Detektor YAP cd. właściwości § Możliwość wykrycia promieniowania na poziomie jednego fotoelektronu § Wysoka rozdzielczość czasowa i wydajność detekcji dla promieniowania gamma w przedziale 50 – 200 ke. V i więcej § Konfiguracja A zapewnia dobrą rozdzielczość przestrzenną (+) ale ze względu na szeroką warstwę YAP znaczna część światła jest pochłaniana (-) § Konfiguracja B ma gorszą rozdzielczość przestrzenną (-) oraz mniejszą wydajność detekcji (-), ale mniej światła jest pochłaniane w warstwie YAP (+)

Detektor YAP cd. wzmacniacz dyskryminator dynody dyskryminator anody moduł koincydencji koder magistrala VME szesnastokanałowy fotopowielacz mikser pamięć SIMM komputer

Detektor YAP cd. Urządzenie składa się z dwóch części § detektora YAP wraz z fotopowielaczami § układu elektronicznego Fotopowielacze zamieniają sygnał optyczny pochodzący ze światłowodów na sygnał elektryczny, który następnie ulega obróbce w układzie elektronicznym. Układ wyjściowy fotopowielacza stanowi 16 anod i jedna dynoda służąca do identyfikacji danego powielacza. Wszystkie sygnały są podawane na wejście miksera.

Detektor YAP cd. Na wyjściu miksera są dwie magistrale: § anodowa – 32 linie § dynodowa – 16 linii Dalej sygnały są wzmacniane i przechodzą przez dyskryminator, który zamienia je na sygnał logiczny zgodny ze standardem ECL. Następnie sygnały wchodzą na wejście modułu koincydencji, który stanowi układ trygera (wyzwalania) dla systemu akwizycji danych.

Detektor YAP cd. System akwizycji danych W skład systemu akwizycji danych wchodzą: § kodery § magistrala VME § pamięć SIMM § komputer Kodery zbierają sygnał z dyskryminatorów i są wyzwalane sygnałem trygera. Kodery przesyłają dane na magistralę VME, która jest połączona z pamięcią SIMM oraz komputerem

System akwizycji danych dla kamery Comptona [4] Kamera Comptona jest detektorem i zarazem układem wizualizacji promieniowania gamma. Składa się dwóch detektorów : - detektora rozproszeniowego - detektora absorpcyjnego Promieniowanie zostanie zarejestrowane w momencie gdy oba detektory zarejestrują obecność promieniowania w koincydencji czasowej. (Koincydencja - pojawienie się jednoczesne lub w ciągu określonego czasu (zwanego czasem rozdzielczym układu) impulsów w dwóch lub w kilku licznikach cząstek jonizujących)

System akwizycji danych dla kamery Comptona cd. detektory sygnał cyfrowy procesor kanałowy sygnał analogowy Filtry różniczkujące

System akwizycji danych dla kamery Comptona cd. System akwizycji danych składa się z dwóch modułów: § Zespołu procesorów kanałowych – CPM (Channel Processor Module) § Modułu EBM (Event Builder Module) Procesory CPM składają się z czterech 12 -bitowych przetworników analogowo/cyfrowych, wejściowy sygnał analogowy jest przetwarzany na postać cyfrową. Sygnał cyfrowy jest buforowany w module EBM i podawany do dalszej obróbki.

System akwizycji danych dla kamery Comptona cd. BUS MASTER jest kontrolerem, który rozdziela dane pochodzące od dwóch detektorów. Dane otrzymane z detektora absorpcyjnego są umieszczane w kolejce ABS_REG a dane z drugiego detektora w kolejce SCAT_REG.

System akwizycji danych dla kamery Comptona cd. Gdy nowe dane dotrą do kolejki ABS_REG, zawartość kolejki SCAT_REG jest czyszczona. Moduł coincidence logic sprawdza koincydencję czasową obu kolejek i jeśli mieści się ona w odpowiednim przedziale, dane są uznawane i przesyłane do kontrolera systemowego PSC – Programable System Controller. Następnie dane z PSC są przesyłane w odpowiedniej postaci do pamięci SRAM. Kontroler PSC jest także odpowiedzialny za prawidłową komunikację pomiędzy komputerem a pamięcią SRAM.

System BAT [5] BAT - Bonn ATLAS Telescope detektory mikropaskowe W układzie tym stosuje się wiązkę jonową. Badana próbka DUT (Device Under Test) odbija cząstki pochodzące z wiązki. Detektory mikropaskowe mierzą właściwości odbitych cząstek, które zawierają informacje o DUT

System BAT cd. W skład systemu BAT wchodzą: § cztery detektory mikropaskowe § jednostka logiczna trygera - TLU (trigger logic unit) § komputer PC zbierający dane - DAQ PC § testowana próbka DUT Wszystkie urządzenia są połączone cyfrową magistralą „blue-board bus” (BB). W momencie gdy do TLU dotrze sygnał pochodzący z modułu sprawdzającego koincydencję - trigger coincidence, TLC sprawdza status detektorów i DUT (za pomocą tzw. timing bus) i jeśli urządzenia te nie są zajęte pomiar jest wyzwalany.

System BAT cd. moduł detektora mikropaskowego Po otrzymaniu sygnału z TLU detektor dokonuje pomiaru. Otrzymane dane są od razu przetwarzane na postać cyfrową i podlegają wstępnej obróbce. Zebrane wyniki są przechowywane w wewnętrznej pamięci RAM modułu detektora mikropaskowego. Gdy w pamięci znajdzie się dostateczna ilość danych, moduł zawiadamia komputer i dane przesyłane są do pamięci komputera archiwizującego dane.

System BAT cd. detektor mikropaskowy Układ przetwornika analogowo/cyfrowego programowalny układ wstępnego przetwarzania danych pamięć RAM kolejka FIFO schemat blokowy modułu detektora mikropaskowego

System BAT cd. System akwizycji danych systemu BAT składa się z dwóch poziomów. Poziom pierwszy (DAQ I) stanowi wewnętrzny układ każdego z detektorów. Poziom drugi (DAQ II) to komputer PC współpracujący z detektorami. Zaletą takiego rozwiązania jest to, że oba poziomy DAQ I i DAQ II pracują niezależnie, co ogranicza znacznie czas martwy układu. Gdy pamięć poziomu pierwszego będzie zapełniona w określonym stopniu układ wysyła przerwanie IRQ do poziomu drugiego. Po otrzymaniu przerwania układ elektroniczny poziomu drugiego przesyła dane z pamięci poziomu pierwszego do komputera

System BAT cd. detektor układ wstępnego przetwarzania danych generator przerwania IRQ układ zapisujący dane poziom II układ przechowujący dane

Przenośny system pomiarowy do badań znacznikowych [6] W przypadku pomiarów przemysłowych potrzebny jest przenośny układ pomiarowy, spełniający szereg wymagań: § cały układ w jednej obudowie § odporność na czynniki zewnętrzne (zapylenie, wilgotność, wahania temperatury) § niezawodność działania § własne, niezależne zasilanie § duża dokładność § stabilność § mała waga § nieduży pobór prądu

Przenośny system pomiarowy do badań znacznikowych cd. System pomiarowy jest połączony z komputerem poprzez kartę cyfrowego układu zbierania danych umieszczoną wewnątrz sonda komputera. scyntylacyjna Izolacja optyczna sygnałów A WN Scalone przeliczniki impulsów Programowalny zegar Dekoder adresów Bufor magistrali A - analizator jednokanałowy WN - zasilacz wysokiego napięcia sondy schemat blokowy karty PC

Przenośny system pomiarowy do badań znacznikowych cd. Wejściowy układ izolacji optycznej zapewnia galwaniczne oddzielenie komputera od układów radiometrycznych. Zapewnia to odporność na przekłamania rejestracji danych wynikające z zakłóceń na jakie narażony jest układ pracujący w warunkach przemysłowych. Zastosowanie cyfrowych liczników scalonych zwiększa niezawodność pracy systemu pomiarowego oraz pozwala na rozszerzenie zakresu czasu próbkowania poczynając od 1 ms do kilku godzin.

Przenośny system pomiarowy do badań znacznikowych cd. sondy scyntylacyjne zasilanie Izolacja DC-DC zasilania Izolacja optyczna sygnałów akumulatory Notebook PC RS 232 przelicznik impulsów klawiatura procesor i pamięć RAM wyświetlacz Schemat blokowy przenośnego systemu pomiarowego Powyższy, uniwersalny układ zbierania i przetwarzania danych radiometrycznych VMU może być stosowany w każdym urządzeniu wykorzystującym sondy scyntylacyjne, z wyjątkiem badań spektrometrycznych.

Referencje [1] Price, J. William, „Detekcja promieniowania jądrowego” 1960. [2] A. Gorin, K. Kuroda, I. Manuilov, A. Riazantsev, T. Ishikawa, H. Kamitsubo, M. Suzuki, H. Toyokawa, „Fundamental properties of YAP Imager”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A vol. 510 (2003) 76 -82 [3] K. Hirota, H. Toyokawa, M. Suzuki, T. Kudo, M. Nomachi, Y. Sugaya, M. Yosoi, A. Gorin, I. Manuilov, A. Riazantsev, K. Kuroda, „YAP imager and its application with high-energy X-ray beams up to 150 ke. V”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A vol. 510 (2003) 83 -91 [4] K. Nurdan, T. Conka-Nurdan, H. J. Besch, B. Freisleben, N. A. Pavel, A. H. Walenta, „FPGA-based data acquisition system for a Compton camera”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A vol. 510 (2003) 122 -125 [5] J. Treis, P. Fischer, H. Krüger, L. Klingbeil, T. Lari, N. Wermes, „A modular PC based silicon microstrip beam telescope with high speed data acquisition”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A vol. 490 (2002) 112 -123 [6] Leszek Furman, „Aparatura do badań znacznikowych”, Promieniowanie jako źródło informacji o właściwościach materii, Polskie Towarzystwo Nukleoniczne, PTN-5/2001 Warszawa 2001