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Instrumentação Nuclear Roberto V. Ribas. Eletrônica NIM (Nuclear Instrumentation Modules) Cabos Coaxiais Conformadores de Pulsos Pulsos NIM Pré-Amplificadores.

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1 Instrumentação Nuclear Roberto V. Ribas

2 Eletrônica NIM (Nuclear Instrumentation Modules) Cabos Coaxiais Conformadores de Pulsos Pulsos NIM Pré-Amplificadores Amplificadores Analisador Mono Canal (SCA) Módulos Lógicos Contadores, Relógios e Medidores de Taxa Geradores de Marca de Tempo Conversor Tempo-Amplitude Aquisição de Dados

3 Cabos Coaxiais Cabos coaxiais são caracterizados pela impedância característica e pela velocidade de propagação (tipo de dielétrico). Em física nuclear usamos cabos de 50 e de 93. A velocidade de propagação é em geral de cerca de 65% da velocidade da luz. 1.Cabos de 50 : pulsos rápidos 2.Cabos de 93 : pulsos lentos (a tendência atual é utilizar-se cabos de 50 ohms para todos os tipos de sinais NIM) 3.Um pulso é rápido se o seu tempo característico de subida ou descida multiplicado pela velocidade de propagação for menor que o comprimento do cabo.

4 Cabo Coaxial RG58 (50 ohms) Z=sqrt(L/C) Perdas~0.17 dB/m V~0.65c (20 cm=1 ns)

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7 Ao se conectar um cabo de uma certa impedância característica portando sinais rápidos, deve-se certificar que o módulo que recebe o sinal tenha impedância de entrada igual à impedância do cabo. Módulos do padrão NIM para sinais rápidos têm sempre impedância de entrada igual a 50. Osciloscópios têm em geral sua impedância de entrada igual a 1 M. Para se observar sinais rápidos NIM num osciloscópio, deve-se sempre terminar a entrada com um resistor de 50.

8 Cabos utilizados em sinais (baixa tensão, até 1 kV) empregam conectores BNC ou Lemo. Cabos utilizados em altas tensões (1-5 kV) empregam conectores SHV ou MHV (há também conectores da série Lemo para alta tensão mas ainda são pouco empregados em nosso laboratório)

9 Conformadores de Pulsos Na manipulação de sinais proveniente de detectores, pelos módulos NIM, é em geral necessário modificar a forma do pulso produzido pelo detector. Os pulsos produzidos pelos detectores de Si ou Ge, por exemplo, são caracterizados por uma rápida subida e um decaimento exponencial muito mais lento. Esta forma de pulso não é adequada para análise, que permitirá determinação da energia da partícula. Circuitos diferenciadores e integradores RC são utilizados nos amplificadores, para modificar a forma do pulso produzido pelos detectores.

10 A integração é necessária para coletar toda a carga elétrica produzida no de- tector pela partícula. A diferenciação pode ser utilizada para eliminar a parte lenta do pulso, produ-zindo um pulso rápido, capaz de carac- terizar melhor o instante de chegada da partícula no detector.

11 Pulsos NIM Analógicos: de 0 a 10V Saída de amplificadores, TAC. Podem ser positivos ou negativos (em geral positivos) Lógicos: NIM Lento ou NIM velho: Falso 0V Verdadeiro 5V (TTL a 50 ohms) NIM Rápido ou NIM novo: Falso 0V, Verdadeiro -0.7V (em 50 ohms)

12 Pré-Amplificadores Detectores coletam uma quantidade de carga proporcional à energia da partícula. O pré- amplificador sensível à carga deve transformar essa quantidade de carga em um pulso, cuja altura (V) é proporcional à quantidade de carga deixada pela radiação no detector. Devem ainda incorporar o circuito necessário para aplicar a tensão de polarização (bias) no detector. Para maximizar a relação sinal/ruído, os pré- amplificadores devem ser colocados o mais próximo possível do detector. No caso de detectores de Ge para raios gamas, o transistor FET é colocado dentro do criostato do detector, à temperatura de N2 líquido.

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18 Bastidor NIM Módulos NIM se alojam em um bastidor (BIN) que fornece as tensões necessárias para o funcionamento dos módulos. Bastidores mais antigos fornecem +- 12V e +- 24V. Bastidores mais novos fornecem também +-6V.

19 Amplificadores Espectroscópicos Amplificadores espectroscópicos são utiliza-dos em circuitos de medição de energia. O sinal do préampli-ficador é transformado por sucessivas diferenciações e integra- ções em um pulso aproximada- mente gaussiano, de altura ajustá- vel entre 0 e 10V. As constantes de tempo de integração e diferenciação podem ser ajustadas em combina- ções denominadas tempo de con- formação (shapping time), e que variam entre cerca de 0.5 a 10 us.

20 Amp. Espectroscópico Ortec Ganho (grosso, fino) Diferenciação (us) Integração (us) Polaridade Entrada Forma Saída Restauração da Linha de Base Cancelamento de Polo-Zero

21 Formatação do Pulso (Integração/Diferenciação)

22 Formas de Pulso - Saída

23 Cancelamento de Pólo Zero

24 Restauração da Linha de Base

25 Rejeição de Empilhamento

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27 Amplificadores Rápidos Amplificadores com pequenas cons- tantes de tempo de diferenciação e integração (de dezenas a algumas centenas de ns) são utilizados para filtrar somente os componentes rápidos dos pulsos produzidos pelos detectores, para serem posterior- mente utilizados em circuitos gera- dores de marca de tempo. (São chamados Timming Filter Amplifiers).

28 Coincidências Temporais Coincidência temporal: Partículas ou radiação são detectadas simultaneamente em 2 ou mais detectores. Simultaneidade: Os sinais de dois detectores, ao serem analisados nos módulos NIM, ocorrem com uma certa diferença temporal entre eles. Resolução: Dois eventos são simultâneos se ocorrem dentro de uma janela temporal;

29 Geradores de Marca de Tempo Um discriminador de nível mínimo é o mais simples dos geradores de marca de tempo, produzindo um pulso lógico quando o sinal ultrapassa uma soleira (threshold). Variações na amplitude dos pulsos e o ruído sobreposto limitam a resolução temporal.

30 Discriminador por Fração Constante (Constant Fraction Discriminator) O efeito da variação de amplitude pode ser corrigido com a técnica de CFD: O sinal original é atenuado por uma fração f e somado com o sinal original invertido e atrasado. O cruzamento por zero é independente de amplitude.

31 O método mostrado não corrige para diferenças de tempo de subida dos pulsos (produzidos em regiões diferentes no interior do detector, principalmente nos de grande volume) Modo ARC: Amplitude and Risetime Compensation

32 Ajuste da referência de zero (walk)

33 Analisador Mono-Canal: (Single Channel Analizer) Módulo com entrada analógica e saída digital. Saído quando na entrada V i estiver com sua altura máxima entre dois valores V 1 e V 2. (Modo Normal) Saida quando V i >V 1 (Integral) Saída quando V i >DV, DV o valor indicado no UL (Window) Instante de tempo do pulso gerado depende de V i

34 Saída gerada quando pulso atinge máximo (derivada=0) Timing SCA: Saída gerada quando valor máximo do pulso de entrada cai por uma fração constante.

35 Conversor Tempo- Amplitude

36 Coincidência Rápido-Lento

37 Circuitos Lógicos (E, OU)

38 Medidor de Taxa (Rate Meter)

39 Aquisição de Dados Detectores: Q Energia Pré-Amp: Integram a carga: V Q Amplificadores: Forma ~gaussiana Aquisição de Dados: Analisadores de altura de pulso.

40 Analizador Multicanal Um conversor analó- gico digital converte a altura do pulso em um número binário C ( , p.ex.) O número de vezes N que um dado valor binário C ocorre é armazenado na posição de memória C (canal de histograma).

41 Sistemas Bi-paramétricos ADC- E Memória NxN (Ex E) ADC-E Computador

42 Sistemas Multi-paramétricos ADC- Formatador e Sequenciador De eventos ADC-C Computador ADC-B

43 CAMAC Computer Automated Measurement And Control Normas desenvolvidas no início da década de 70, para resolver os problemas crescentes de complexidade dos sistemas de aquisição de dados em Física Nuclear Posteriormente adotado na automação industrial.

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48 NAF – Comando Camac N (1-25) Estação: Posição do módulo no Crate. A (0-15) Sub-endereço: Um módulo pode conter até 16 sub-módulos idênticos. F (0-31) Função: A função a ser executada pelo módulo.

49 Algumas funções F=(0-7): Leitura do Módulo F=0, A=3:Leitura da entrada A=3 F=9 A=0: Clear Module F=2 A=(0-6): Leitura do Módulo F=2 A=7: Leitura e consecutivo Clear do módulo.

50 Sinais de Controle LAM (Look At Me): Sinal de atenção que um módulo pode enviar expontaneamente ao controlador (e este ao computador), avisando que necessita atenção. Resposta Q: Sinal lógico que um módulo pode enviar ao controlador, avisando do sucesso ou não na execução de uma função. Resposta X: Sinal obrigatório, em que o módulo confirma o recebimento de uma função para ser executada.

51 VME e VXI VME (Versa Module Eurobus) Barramento de Computador Módulos podem ser inteligentes CPUs, Memória, placas de rede, etc. Processamento distribuído/paralelo VXI (VME eXtension for Instrumentation)

52 FIM


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