Segnali dai rivelatori ed elettronica associata 1 Rivelatori

Segnali dai rivelatori ed elettronica associata 1 Rivelatori visuali ed elettronici 2 I segnali dai rivelatori: caratteristiche 3 Come trasportarli 4 Come visualizzarli

I primi rivelatori di particelle erano basati sulla visualizzazione delle tracce delle particelle, ad esempio in pellicole fotografiche. Traccia lasciata da un nucleo di Uranio in una emulsione nucleare

Oppure in rivelatori (camere a nebbia) capaci di visualizzare il percorso della particella

Un altro dispositivo per visualizzare le tracce delle particelle: la camera a bolle

Camera a bolle Gargamelle, CERN, 1970

L’analisi di queste tracce richiedeva in genere un lungo lavoro manuale…

I rivelatori più recenti producono un segnale elettrico di varia natura, che fornisce informazioni sul tipo di particella, sull’energia, sul tempo di arrivo, … Esso necessita di una opportuna elettronica

Un esempio di rivelatore a gas multifili: il segnale presente sul filo o sui fili interessati permette di ricavare la posizione

In un tipico esperimento di fisica questi segnali sono trasportati da cavi elettrici di varia natura… Più il rivelatore è complesso, più cavi ci sono! Un singolo contatore Geiger e il suo cavo

Un intrico di cavi in uno dei sottorivelatori dell’esperimento ATLAS al CERN

Il passaggio di questi cavi (cabling) richiede spesso doti di acrobazia…

In un grande esperimento a LHC la lunghezza totale dei cavi richiesti può anche essere di 3000 km!

Ma cosa viene trasportato in questi cavi? Alte e basse tensioni (cavi alimentazione) Segnali di varia natura dai rivelatori Segnali di controllo per le apparecchiature

Ma cosa viene trasportato in questi cavi? Ci concentreremo su Segnali di varia natura dai rivelatori

Segnali impulsivi Per estrarre l’informazione dai rivelatori è necessario che il segnale sia processato da un sistema elettronico, allo scopo di: Distinguere segnali di tipo differente Estrarre l’informazione sull’energia Estrarre l’informazione temporale In fisica nucleare l’informazione è tipicamente sotto forma di segnali impulsivi, in corrente o tensione, e l’informazione è legata ad una o più caratteristiche del segnale, ad esempio l’ampiezza, la polarità, la forma del segnale, il tempo al quale si osserva un dato segnale, …

Terminologia Baseline Livello al quale il segnale tende asintoticamente Ampiezza ( o pulse height) Dalla baseline al suo massimo Larghezza (Width) Larghezza a metà altezza (FWHM) Leading edge Fronte iniziale del segnale Falling (trailing) edge Fronte finale del segnale Rise time Tempo per passare dal 10% al 90% della sua ampiezza Fall time Tempo per decadere dal 90% al 10% della sua ampiezza Possibili distorsioni di un segnale

Terminologia/2 I segnali possono essere unipolari o bipolari Unipolari: un solo lobo Bipolari: attraversano la baseline Analogici: l’informazione è codificata in modo continuo in una caratteristica del segnale (ampiezza, forma), proporzionale al valore dell’informazione (ad esempio l’energia) Logici: i segnali hanno solo un numero discreto di stati (tipicamente 0 e 1), codificati in qualche modo. Anche se trasportano meno informazione rispetto ad un segnale analogico, sono più affidabili in quanto è più difficile che l’informazione sia deteriorata

Segnali lenti e veloci Distinzione tra segnali veloci e lenti: Veloci: tempi di salita di alcuni nanosecondi o meno Lenti: tempi di salita di ~100 ns o più (microsecondi) I segnali veloci si usano nelle applicazione di timing e ad alte frequenze di conteggio I segnali lenti si usano in spettroscopia essendo più immuni al rumore I segnali veloci sono più facilmente distorti da piccole componenti capacitive, induttive e resistive parassite presenti nei circuiti e nelle loro interconnessioni Inoltre i segnali veloci possono essere distorti dalle riflessioni nelle interconnessioni, perché questi segnali hanno durate paragonabili ai tempi di transito

Banda passante Finora abbiamo guardato i segnali nel tempo. E’ importante però, in elettronica nucleare, considerare i segnali in termini di componenti spettrali La trasformata di Fourier ci dice che ogni segnale f(t) puo’ essere decomposto in una sovrapposizione di segnali sinusoidali puri dove g( ) e’ la trasformata di Fourier di f(t). Invertendo si ha

Banda passante/2 Curva di risposta tipica di un sistema: l’intervallo di frequenze delimitato dai punti in cui la risposta scende a -3 d. B è chiamata banda passante del sistema d. B = decimo di Bel 1 d. B = 10 log 10 V 1/V 2 3 d. B equivale a dire 10 log 10 V 1/V 2 = 3 log 10 V 1/V 2 = 0. 3 V 1/V 2 = 10 0. 3 = 1. 995 (circa 2)

Effetto della banda passante Trasformata di Fourier g( ) di un impulso rettangolare f(t) trasformazione inversa limitando il range di integrazione fino ad una certa frequenza di taglio f

Effetto della banda passante/2 Una minima banda passante f 1/T è necessaria per fornire una ragionevole approssimazione dell’impulso Esempio: per trattare impulsi da 5 ns -> bande passanti almeno di 200 MHz La tipica elettronica nucleare ha bande passanti dell’ordine di 500 MHz Non è facile avere sistemi con bande passanti di 500 MHz!

Un esempio di segnale veloce

Un esempio di segnale lento

Come passare da segnali analogici a segnali logici

Segnali analogici e logici segnale analogico segnale logico (NIM o ECL) discriminatore logica soglia Standard segnali logici TTL 28/10/2020 1 2 -5 V 0 0 0 V 1 ECL NIM -0. 90 V -1. 75 V -0. 8 V 28

Segnali logici NIM, TTL ed ECL TTL (Transistor-Transistor Logic), logica positiva talvolta utilizzata in moduli di elettronica NIM. ECL (Emitter-Coupled Logic). Logica più moderna, molto veloce. Necessità di opportuna conversione per essere utilizzata in standard NIM e CAMAC. State 0 State 1 NIM 0. 0 -0. 8 TTL 0 -0. 8 2 -5 ECL -0. 9 -1. 75 Logica ECL: impedenza d’ingresso, meno sensibile al rumore, possibile utilizzo di cavi meno costosi (twisted-pair) e ingombranti, cavi piatti. Convertitori logici NIM-TTL-ECL 28/10/2020 29

Trasmissione dei segnali Apparentemente banale. Trasferimento di un’informazione, analogica o digitale, da un punto ad un altro di un sistema, senza deteriorare la qualità dell’informazione stessa. Un segnale “tipico” contiene praticamente un intervallo di frequenze illimitato trasmissione di un intervallo illimitato di frequenze, distanze anche dell’ordine di decine di metri. Impossibile. In pratica un limite superiore di 1 GHz è “ragionevole”. T ~ 1 ns = 10 -9 sec = 1/T = 109 Hz Interesse pratico nel range 0 -100 MHz 28/10/2020 30

Cavi coassiali guaina schermo dielettrico conduttore Conduttore (portante del segnale) Dielettrico di separazione tra segnale e massa Schermo di fili intrecciati ritorno a terra filtro da campi elettromagnetici esterni (gabbia di Faraday) Guaina di protezione in materiale plastico 28/10/2020 31

La presenza del dielettrico (normalmente polietilene o teflon) comporta v<c: il cavo induce ritardo. Per i cavi coassiali normalmente utilizzati in laboratorio il ritardo è di circa 5 ns/m (per confronto: velocità luce= 30 cm/ns, circa 3. 3 ns/m) Larga varietà di cavi sono disponibili sul mercato, con diverse impedenze caratteristiche, coassiali o triassiali. I più utilizzati sono comunque l’RG-58 C/U e il RG-174/U (50 Ohm) 28/10/2020 Tipo Ritardo ns/m Diametro cm Capacità p. F/m RG 58 5. 14 0. 307 93. 5 RG 174 5. 14 0. 152 98. 4 32

Riflessione Coefficiente di riflessione di segnale in un cavo Z 0 impedenza del cavo, Z impedenza del carico esterno Impedenza esterna zero (corto circuito): =-1, cioè riflessione uguale ed opposta al segnale. Impedenze uguali (Z=Z 0): =0, caso ottimale, nessuna riflessione 28/10/2020 33

E’ necessario “terminare” un cavo coassiale con la sua resistenza caratteristica per evitare distorsioni nel segnale. Lo standard NIM parzialmente risolve questo problema, poichè la larga maggioranza dei moduli viene prodotta con impedenze di ingresso ed uscita pari a 50 Ohm. In alcuni casi ciò non è possibile (oscilloscopio). In questi casi la terminazione può essere realizzata utilizzando una resistenza (verso massa) esterna. 28/10/2020 34

Come fare dei semplici calcoli relativi all’utilizzo di cavi coassiali: Esempio: Uso di nomogrammi per valutare la relazione tra lunghezza-attenuazione-frequenza In alternativa, siti Web on-line per eseguire il calcolo http: //www. ocarc. ca/coax. htm

Esempio di nomogramma per valutare l’attenuazione di onde e. m.

Attenuazione cavi d. B / 100 m Tipo cavo RG 58 A/U RG 58/U RG 8/X RG 213/U 50 MHz 11. 1 10. 8 4. 1 8. 7 5. 6 100 MHz 15. 6 6. 3 12. 8 7. 6 200 MHz 22. 3 23. 6 9. 4 18. 8 11. 1 400 MHz 31. 3 35 14. 6 27. 8 16. 3 700 MHz 41. 7 48. 7 20. 2 38. 6 24 900 MHz 48 55. 7 23. 3 44. 5 27. 8 Formula di calcolo attenuazione: RL=R*L/100 ALL=RL*SQRT(FA/FR) R: valore conosciuto della perdita ad una data frequenza (d. B/100 m o d. B/100 ft) L: lunghezza del cavo (m o ft) FR: frequenza alla quale è data la perdita (MHz) FA: frequenza di lavoro alla quale si vuole calcolare la perdita (MHz) ALL: perdita totale del cavo a lunghezza L e frequenza FA

Alle estremità dei cavi: … i connettori Standard per l’elettronica nucleare: BNC, LEMO, … (segnali, cavi a 50 Ohm) Alta tensione: SHV, MHV, … Tipologia di connettori: maschio, femmina, T, I, adattatori a 50 Ohm, adattatori BNC/LEMO e viceversa, …

Che cosa è un connettore BNC? Più propriamente conosciuto come connettore Bayonet Neill. Concelman, il BNC è uno dei più diffusi connettori presenti oggi sul mercato.

Eventuali disadattamenti di impedenza producono distorsioni nei segnali Distorsione di un impulso rettangolare

Come visualizzare i segnali: l’oscilloscopio Possiamo considerare l’oscilloscopio semplicemente come un voltmetro in grado di mostrare il grafico della tensione in funzione del tempo Oggi gli oscilloscopi sono in realtà degli strumenti avanzatissimi, in grado di fare moltissimi tipi di misure diverse Esistono vari tipi di oscilloscopi, sia analogici che digitali Abbiamo già fatto in Laboratorio quest’anno una esercitazione sull’utilizzo di un oscilloscopio digitale per visualizzare segnali Usare le slides successive come promemoria

Oscilloscopio Analogico

Banda Passante / Tempo di salita E’ di fondamentale importanza la banda passante dell’amplificatore di ingresso per fare in modo che l’oscilloscopio rappresenti il segnale in modo corretto, in particolare per quel che riguarda il tempo di salita dei segnali Una formula approssimata è la seguente: Se ho un segnale con un fronte di salita trise, questo verrà visto sull’oscilloscopio con un tempo di salita tmeas pari a

Stadio di Input Come ogni buon voltmetro, l’oscilloscopio ha una alta impedenza di ingresso, tipicamente 1 M , in parallelo con una capacità di qualche decina di p. F E’ possibile cambiare l’impedenza di ingresso a 50 direttamente sull’oscilloscopio, per terminare correttamente il cavo che trasporta il segnale Lo stadio di ingresso puo’ essere: DC: accoppiato in continua, modalità normale di funzionamento AC: viene filtrata la componente in continua GND: l’ingresso è messo a ground Un oscilloscopio ha tipicamente tra 2 e 4 ingressi indipendenti

Scala Orizzontale e Verticale: permette di regolare a quanti m. V corrisponde una divisione Orizzontale: permette la scelta della base dei tempi Ritardo: permette di scegliere con quanto ritardo rispetto al segnale viene fatta partire la “sweep” – nei moderni oscilloscopi digitali si può anche scegliere un ritardo negativo

Trigger Il trigger definisce la condizione per fare partire la “sweep” (osc. analogico) o l’acquisizione (osc. digitale) Sorgente del trigger: Internal: il riferimento usato è uno dei segnali External: un canale aggiuntivo usato solo per un segnale di trigger Condizioni Slope: trigger su fronte discesa o salita Level: valore della soglia alla quale scatta il trigger Modi Normal: trigger solo se sono verificate le condizioni Auto: autotrigger (analog) o anche autolevel Single: un solo campionamento o una sola sweep alla volta

Un esempio di oscilloscopio analogico

Un esempio di oscilloscopio digitale

Analogico vs. Digitale Accuratezza A: dipende dalla BW del sistema D: dipende dalla BW analogica e dalla frequenza di campionamento Repetition rate A: idealmente 1/sweep_time; l’intensita’ e’ proporzionale alla freq. di trigger; grazie alla “memoria” del fosforo molte forme d’onda possono essere visualizzate assieme! D: dipende! Nei primi modelli poche forme d’onda/s; nei nuovi (DPO, digital phosphor) anche 3600/s, e simulazione digitale della memoria dei fosfori Singoli eventi A: praticamente invisibili o quasi D: se ci sono si vedono (se si riescono a triggerare), ma se sono rari occorrono alte frequenze di acquisizione (5 GS/s nel TDS 3054 B)

Analogico vs. Digitale/2 Trigger A: tradizionalmente solo sul livello D: trigger avanzato su livelli, combinazioni logiche di segnali, … …e ancora A: poco altro D: storage dei segnali, analisi dei segnali in tempo reali, interfaccia strumento al computer, …