Prezentacja wykonana w ramach przedmiotu

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 keV 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 I
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 1ms do kilku
godzin.
Przenośny system pomiarowy
do badań znacznikowych cd.
sondy scyntylacyjne
zasilanie
Izolacja DC-DC zasilania
Izolacja optyczna sygnałów
Notebook PC
akumulatory
RS232
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 150keV”, 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