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Capitolo 10

Esperimento # 8

Timing Rapido

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10.1 Introduzione

In molte esperienze del corso di laboratorio si utilizzano moduli di discriminatore a frazione costante (Constant Fraction Timing Discriminator, CFTD) per poter determinare con la minima indeterminazione possibile il tempo di arrivo di un evento. Questa informazione viene utilizzata sia per costruire coincidenze ad overlap per definire l’evento sia per misurare differenze temporali tramite il convertitore tempo ampiezza (Time to Amplitude Converter). In tutte le esperienze vengono però utilizzati moduli di CFTD in cui è possibile impostare solo il valore della soglia di discriminazione mentre gli altri parametri del CFTD sono fissati dal costruttore. Scopo di questa esperienza è quello di poter studiare direttamente la precisione nella misura temporale (cioè la risoluzione in tempo) in funzione di una serie di parametri sia del rivelatore che del CFTD. Per comodità ricordiamo nel seguito di questo paragrafo il funzionamento del CFTD.

Il principio di funzionamento di un CFTD è mostrato in Fig. 10.1. In sintesi, il segnale in ingresso al discriminatore è sdoppiato. Il primo segnale è solo ritardato per una quantità che corrisponde ad una frazione fissa del tempo di salita, mentre il secondo viene invertito ed attenuato. I due segnali vengono a questo punto sommati, ottenendo un segnale bipolare. Si può dimostrare che la minima dispersione temporale si ottiene nell’attraversamento del livello di zero. In queste condizioni quindi si minimizza l’indeterminazione temporale associata alla presenza di ampiezze (o anche di tempi di salita) diverse.

Fig. 10.1: Formazione di segnali in un Discriminatore a Frazione Costante con compensazione di ampiezza e tempo di salita (ARC).

Lo schema funzionale del circuito di un Discriminatore a Frazione Costante è riportato in Fig. 10.2.

Fig. 10.2: Schema circuitale di un Discriminatore a Frazione Costante.

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10.2 Apparato sperimentale L’ apparato sperimentale per la misura di timing rapido è mostrato in Fig. 10.3.

Fig.10.3: Apparato sperimentale per la misura di timing rapido. Una debole sorgente di 22Na è posta al centro di un collimatore in piombo alle cui estremità sono posti due scintillatori organici cilindrici tipo EJ-228 di diametro 5 cm e spessore 5 cm. Questi vengono letti da due fotomoltiplicatori XP2020 connessi con basi PHOTONIS mod. VD124K/T. Questo tipo di base contiene il partitore di tensione per PMT a 14 o 12 stadi e fornisce in uscita due segnali: il segnale negativo di anodo (negativo) ed il segnale dell’ultimo dinodo (positivo). In questa esperienza viene utilizzato solamente il segnale di anodo. Ciascun rivelatore è alimentato da un modulo di Power Supply ORTEC mod. 556. I segnali di anodo sono inviati ad un QUAD LINEAR FAN IN/FAN OUT che ha la funzione di sdoppiare il segnale senza alterarne la forma. Un segnale per ogni rivelatore và nel Quad CFD ORTEC mod. 935 presentato in Fig. 10.4, mentre il secondo và nell’amplificatore analogico per l’acquisizione del segnale energetico.

Fig.10.4: Il Quad CFD ORTEC mod. 935.

Ciascun modulo presenta ha le seguenti caratteristiche: a) Accetta segnali di input nel range da 0 a -10 V.

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b) Threshold (Soglia) con valore impostabile tra -10 mV e -1000 mV. Il valore può essere misurato direttamente con un multimetro.

c) Tre connettori di output (standard NIM -800 mV) di cui è possibile impostare la durata temporale tramite il potenziometro W da 4 a 200 ns.

d) Delay esterno impostabile tramite cavetto. e) Potenziometro Walk Adjustment Z per ottimizzare il punto di zero crossing (+ 15 mV) con

possibilità di misura tramite multimetro. Il funzionamento di questo specifico CFTD è riassumibile seguendo la Fig.10.5. Innanzi tutto questo circuito utilizza una frazione fV del 20% fissata dal costruttore. Il segnale diretto viene sdoppiato ed uno dei due segnali è attenuato di questa frazione. Il secondo segnale è invertito e ritardato di una quantità pari alla differenza temporale tra il massimo negativo del segnale ed il tempo corrispondente alla frazione fV del massimo (cioè il ritardo deve corrispondere al 80% del tempo di discesa del segnale se fV=20%). In questo modo, quando si sommano i due segnali il massimo negativo del segnale attenuato corrisponde in tempo al punto in cui il segnale invertito arriva al 20%. Poiché il segnale invertito è stato attenuato della stessa frazione, in quel punto si avrà l’attraversamento dello zero che definirà il tempo dell’evento. Per utilizzare questo CFTD bisogna prima di tutto determinare all’oscilloscopio il tempo di discesa caratteristico del segnale e quindi scegliere un cavo LEMO di lunghezza tale da ritardare il segnale dell’80% del tempo di salita.

Fig. 10.5: Principio di funzionamento del CFTD 935. Da ciascuno dei due rivelatori i segnali di anodo sono inviati in input al FANIN-FANOUT per sdoppiarli e mandarli poi ai CFTD e agli amplificatori. L’output del rivelatore R#1 viene inviato allo start di un Time to Amplitude Converter (TAC) mentre il rivelatore R#2 fornisce lo stop al TAC tramite una cassetta di ritardi. La descrizione dettagliata del TAC è fornita nella dispensa sui Raggi Cosmici. In questo esperimento del TAC si utilizzeranno sia l’uscita analogica, proporzionale al ritardo tra lo start e lo stop, che quella logica di

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VALID CONVERSION che viene generata quando si ha uno stop dopo uno start entro il range impostato, cioè il TAC ha effettuato la misura del ritardo tra start e stop. Questo segnale è mandato all’ADC#1 del sistema di acquisizione che viene usato come MASTER TRIGGER, cioè quando si ha un segnale valido in questo ADC si vanno a scaricare anche i dati dagli altri ADC. L’uscita analogica del TAC viene mandata all’ADC#2 mentre i due amplificatori saranno inviati agli ADC#3 e ADC#4. Per ogni evento valido si acquisiranno quindi le ampiezze dei due segnali e la loro differenza temporale. Uno degli obiettivi di questa esperienza è la verifica della dipendenza della risoluzione temporale dal valore del ritardo esterno. Infine, si studieranno anche le caratteristiche dei rivelatori in funzione del valore di HV. Gli scintillatori organici contengono solo elementi leggeri (H e C) per cui la sezione d’urto per effetto fotoelettrico è trascurabile per i fotoni della sorgente di 22Na (511 e 1275 keV) e la possibilità di assorbimento totale dell’energia del fotone tramite scattering Compton multipli è anch’essa trascurabile date le dimensioni dei rivelatori. La funzione di risposta dei rivelatori sarà quindi dominata dagli eventi di singolo scattering Compton, cioè da un continuo di energia che corrisponde ai diversi angoli di scattering con un “Compton Edge” all’energia massima, come mostrato in Fig. 10.7. Le energie nominali del Compton Edge, ECE, cioè le energie corrispondenti al massimo trasferimento in una collisione fotone-elettrone, sono calcolabili secondo la formula I Compton Edge dei due fotoni a 511 e 1275 keV corrispondono quindi a 340 e 1062 keV.

Fig.10.7: Tipico spettro dei fotoni della sorgente di 22Na misurato con uno scintillatore organico. Le frecce indicano le posizioni dei Compton Edge relative ai raggi gamma di 511 e 1275 keV.

Tuttavia la posizione dei massimi in Fig. 10.7 dipende non solo dall’energia nominale del Compton Edge, ma anche dalla risoluzione in energia dello scintillatore. Questo fatto è dimostrato in Fig.10.8 dove una distribuzione teorica degli eventi di scattering Compton (curva a) è stata processata includendo una dispersione in energia corrispondente a = 5, 10, 15, 25 keV (curve b, c, d, e).

EcmEE

eCE 2

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2

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Fig.10.8: Effetto della risoluzione in energia sulla forma del Compton Edge.

Notiamo come l’effetto della risoluzione finita del rivelatore comporti non solo la crescita della coda ad alta energia, ma anche uno spostamento a bassa energia del massimo. Partendo dallo spettro sperimentale è possibile eseguire un fit gaussiano in una regione che andrà da prima del massimo alla coda ad alta energia, come mostrato in Fig.10.9.

Fig.10.9: Fit Gaussiano sul Compton Edge. Dal fit Gaussiano avremo la determinazione del centroide della distribuzione (C) e della sigma (), espresse in canali. Con questi due valori è possibile calcolare direttamente il parametro adimensionale C. Basandosi su uno studio delle funzioni di risposta calcolate come quelle di Fig.10.8, è possibile correlare empiricamente il valore del parametro C con il valore in keV della come mostrato in Fig. 10.10a (511 keV) e 10.10c (1275 keV). Una volta determinato il valore calibrato in energia della , è possibile determinare empiricamente, sempre da analisi di funzioni di risposta calcolate, il corrispondente valore dello shift nella posizione del massimo, come mostrato nelle Fig. 10.10b (511 keV) e 10.10d (1275 keV) . In definitiva, utilizzando queste figure è possibile ottenere in maniera semplice una stima dello shift del massimo presente nello spettro gamma misurato con uno scintillatore organico rispetto al valore nominale del Compton Edge. Una volta determinati i valori corrispondenti ai massimi delle strutture presenti nello spettro è quindi possibile calibrare in energia lo spettro stesso.

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Fig. 10.10: Correlazione tra il parametro C misurabile direttamente dallo spettro gamma tramite fit Gaussiano e la in keV e correlazione tra quest’ultimo parametro e lo shift tra il valore del massimo nello spettro e l’energia nominale del Compton Edge. Nei due riquadri

superiori i grafici per il compton edge del fotone a 511 keV, nei due riquadri in basso le stesse quantità per il fotone da 1275 keV.

10.3 Misura di timing con un Digitizer DT5720

In laboratorio i sistemi di acquisizione sono fatti di moduli analogici, ogni blocco della catena analogica ha una funzione specifica, ed è necessario collegare diversi moduli al fine di realizzare un sistema in grado di estrarre le grandezze di interesse per lo specifico esperimento (tempo, energia, coincidenze, etc).

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Fig. 10.11 Classica catena analogica di processamento dei segnali. Con i digitizer, viene eliminata tutta la catena elettronica analogica per sostituirla con un solo modulo digitale che acquisisce direttamente il segnale di anodo del rivelatore, lo digitalizza e lo trasferisce sul pc. Un esempio di digitalizzazione in figura 10.12. Questo processo permette di salvare il dato “grezzo”, per poi svolgere tutte le analisi necessarie offline anche a distanza di mesi. E’ possibile integrare l’intero segnale per avere la carica totale, oppure simulare un CFTD per avere una misura di timing. Troverete sulla scrivania un Digitizer Desktop della CAEN modello DT5720. In entrata sul digitizer verranno collegati al canale #0 e #1 i segnali di anodo provenienti dai due rivelatori. Il digitizer usato in laboratorio campiona i segnali ogni 4 ns (250 Ms/s) con una risoluzione di 12bit. Esistono vari tipi di digitizer che si differenziano per velocità di campionamento, risoluzione dell’ADC e range dinamico dei segnali in input, a seconda delle caratteristiche del detector utilizzato, viene scelto il digitizer più opportuno. Sul sito www.caen.it sono presenti vari approfondimenti sull’uso dei digitizer. In figura 10.13 è riportata una tabella di varie tipologie di digitizer con tutte le caratteristiche fondamentali.

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Fig 10.12 Esempio di digitalizzazione di un segnale analogico

Fig. 10.13 Famiglie di digitizer prodotti dalla CAEN Uno dei problemi di un approccio completamente digitale è ovviamente la grande quantità di dati che deve essere immagazzinata sul pc. Questo crea dei problemi sia in fase di salvataggio che in

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fase di reanalisi. Per questo sono stati recentemente sviluppati algoritmi per l’analisi on-line dei segnali direttamente all’interno del digitizer tramite l’utilizzo di potenti FPGA, trasformando una sequenza raw di dati in informazioni fisiche richieste dall’esperimento (ad esempio carica totale, PSD, misura di timing etc), minimizzando il dataflow e massimizzando l’efficienza. Lo scopo di questa parte di esperienza è confrontare i risultati di timing ed energia ottenuti con i due tipi di acquisizione. In particolare capire quali sono i vantaggi, ma anche gli svantaggi, di avere un segnale digitalizzato. Non useremo algoritmi di analisi on-line dei segnali all’interno dei digitizer, ma i segnali saranno trasferiti grezzi all’interno del pc organizzati in file root. In questo modo potrete familiarizzare con i digitizer e con gli algoritmi di integrazione e CFTD digitale. Il digitizer è già configurato per acquisire i segnali in coincidenza fra il canale #0 e #1. Il programma di controllo del Digitizer (VERDI) è installato in un server ubuntu, a sinistra del NIM BIM. Aprite un terminale, entrate nella cartella verdi e fate partire l’eseguibile:

-> cd verdi

-> ./verdi

Una volta aperto VERDI, la schermata di acquisizione dati si presenta come in figura 10.14. Il programma è molto semplice ed intuitivo da usare, le principali funzioni sono:

- Configure: serve per riconfigurare il digitizer dopo aver modificato il file di configurazione. Questo tasto non viene usato durante il laboratorio, il programma configura il digitizer automaticamente all’apertura.

- Start: serve per far partire un’acquisizione. Al contrario di MCA, in questo caso non è necessario aprire preventivamente i file prima di iniziare un’acquisizione.

- Timer: è possibile settare il tempo di acquisizione prima dello start - Stop: ferma l’acquisizione se non si è impostato il timer - Save: salva i dati dell’ultima acquisizione in un file root nella cartella specificata. - View Mode: è possibile selezionare cosa visualizzare nel grafico realtime. Nel nostro caso

avremo DGTZ#0 (abbiamo solo un digitizer), CH0 o CH1 e waveform. Le waveform (o forme d’onda) sono il segnale di anodo digitalizzato nei due canali. Le funzioni spectrum e PSD plot non sono abilitate per il firmware di base installato sul digitizer.

- Channel Status: è riportato il numero di eventi totali ed il rate di acquisizione per ogni canale. Il digitizer è settato per acquisire i due canali in coincidenza e quindi il rate ed il numero di eventi nei due canali dovrà essere identico.

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Fig 10.14: schermata di funzionamento di VERDI

Analizzando più in dettaglio il segnale acquisito (fig. 10.15) possiamo evidenziare alcuni particolari utili a capire il funzionamento dei digitizer. I segnali hanno polarità negativa: quello che osserviamo è un calo del segnale rispetto ad un valore di rifermento, detto baseline, che nel nostro caso troviamo intorno al canale 3950. Il trigger avviene quando la discesa del segnale oltrepassa un valore di soglia (Threshold). Da questo valore di riferimento, si torna indietro di un numero fissato di BIN (Pre Gate) per poi aprire un intervallo di integrazione (Long Gate) che rimane aperto per tutta la durata del segnale e fornisce il valore di carica totale del segnale.

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Fig 10.15. Schema di funzionamento di integrazione di un segnale di digitizer Troverete una macro di root con cui leggere i dati salvati da VERDI. All’interno della macro c’è una funzione per leggere i segnali “grezzi” ed integrare la carica totale del segnale come spiegato in figura 10.15. Per avere il CFTD digitale, come in quello analogico dovrete sdoppiare il segnale, ritardare il primo segnale di una quantità D e sommarlo al secondo invertito ed attenuato di una frazione F. Otterrete un segnale bipolare come in fig. 10.16. Lo zero crossing del segnale sarà il vostro riferimento temporale, facendo la differenza del punto di zero crossing fra i segnali nei due rivelatori in coincidenza avrete la vostra misura di tempo, ossia, facendo un confronto con l’analogico, avrete il valore in uscita dal TAC. A questo punto è possibile costruire un grafico di risoluzione temporale, come in figura 10.16.

Fig 10.16: a sinistra un esempio di CFTD digitale, a destra lo spettro di timing ottenuto

digitalmente.

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I parametri che ottimizzano la risoluzione temporale saranno oggetto di studio come nel caso analogico. Dovrete variare tramite il CFTD virtuale la frazione F ed il ritardo D del CFD digitale per trovare quali sono i due valori che minimizzano la FWHM. Confrontate poi i risultati in ottenuti con quelli analogici.

N.B. Lo zero crossing è riferito al valore della baseline, che nel nostro caso non è 0 ma è un valore compreso fra 3900 e 4000. E’ possibile calcolare la baseline come spiegato in figura 10.15. Per trovare lo zero crossing (o baseline crossing) si consiglia interpolare una retta passante per i due bin sopra e sotto il valore di riferimento e poi calcolare il valore di crossing con questa retta. Ricordate che il digitizer campiona ogni 4 ns, quindi i valori di waveform salvati nel file root hanno un bin che è largo 4 ns. Questo valore è la vostra calibrazione temporale del segnale 4ns/BIN. 10.4 Protocollo Sperimentale Scopo di questo esperimento è:

a) Misurare l’andamento del guadagno dei PMT in funzione della tensione applicata determinando il punto di lavoro ottimale;

b) Determinare la calibrazione di energia degli scintillatori organici e la risoluzione in energia dall’analisi dei Compton Edge;

c) Determinare il ritardo esterno del CFTD che ottimizza la risoluzione temporale del sistema; d) Determinare l’andamento della risoluzione temporale in funzione del range dinamico dei

segnali analizzati dal CFTD. e) Confrontare i risultati ottenuti dalla catena analogica con una digitale.

Troverete la sorgente di 22Na già inserita all’ interno dell’apparato. Gli alimentatori HV sono settati inizialmente a circa 1700 V. Operazioni iniziali 1) Collegate il segnale di anodo del rivelatore R#1 all’oscilloscopio staccando il cavo dall’ingresso del FAN IN/FAN OUT. Osservate il segnale all’oscilloscopio e prendete nota della polarità, ampiezza e tempo di discesa e di salita del segnale. 2) I due rivelatori sono già collegati alle sezioni degli amplificatori ORTEC 855. Collegate l’uscita bipolare dell’amplificatore del rivelatore R#1 all’oscilloscopio e verificate l’effetto dei diversi parametri dell’amplificatore (Coarse e Fine Gain). Identificate all’oscilloscopio la posizione corrispondente al Compton Edge della transizione di 511 keV. Settate i valori dell’amplificatore, agendo sul guadagno (Coarse e Fine Gain), in modo da avere il Compton Edge del fotone di 511 keV tra 0.5 ed 1 V (n.b. l’ ADC converte fino a 5 V). 3) Ripetete questa procedura per il rivelatore R#2. 4) Ricollegate ora i due cavi dei segnali di anodo alle sezioni del FAN IN/FAN OUT. Troverete inserito nelle due sezioni del CFTD un ritardo costituito da un cavetto Lemo lungo 50 cm. Collegate una delle uscite del CFTD di R#1 all’oscilloscopio ed utilizzare questo segnale come trigger. Collegate nel secondo canale dell’oscilloscopio il segnale bipolare dell’amplificatore

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corrispondente. Verificate quindi che la soglia del discriminatore sia la più bassa possibile senza che esso parta sul rumore. Ripetete questa verifica con il rivelatore R#2. 5) Le uscite del CFTD sono collegate allo start ed allo stop del TAC, con lo stop che passa attraverso una cassetta di ritardi. Notate che il MASTER GATE all’acquisizione è fornito da un segnale del TAC chiamato VALID CONVERSION che viene generato ogni volta che lo start è seguito da uno stop entro il range del TAC. 6) Mettete in funzione il sistema di acquisizione e registrate un primo file di prova. Notate che quando avviate l’acquisizione dati il sistema predispone in automatico il trigger sull’ADC#1 collegato al VALID CONVERSION. Misura del guadagno del rivelatore in funzione della HV. Scopo di questa parte dell’esperimento è lo studio dello spettro di energia dei due rivelatori in funzione dell’alta tensione applicata al fotomoltiplicatore nel range di valori HV=1400-1900 V. Si studierà prima il rivelatore R#1, mantenendo R#2 al valore di 1700 V e quindi lo studio sarà ripetuto per R#2 (mantenendo R#1 a 1700 V). Variando il valore di HV sarà necessario diminuire il valore del CG dell’amplificatore portandolo da x100 a x40 per i valori di HV 1800 e 1900 V. In questo caso è necessario verificare in primo luogo la linearità nella risposta dell’amplificatore.

1) Collegate una uscita del CFTD di R#1 all’oscilloscopio ed utilizzate questo segnale come trigger, collegate il segnale bipolare dell’amplificatore di R#1. Per ogni valore di HV controllate la soglia del CFTD agendo sul potenziometro T. Partite con HV=1400 e CG=x100 e registrate su file gli spettri (tempo di misura circa 10 minuti). Eseguite un fit gaussiano del Compton Edge corrispondente al fotone da 511 keV (come descritto in precedenza) in modo da determinare centroide e in funzione del valore di HV. Nel caso di HV=1700 V acquisite lo spettro per almeno 20 minuti in modo da poter ottenere un fit gaussiano anche per il Compton Edge a 1275 keV.

2) Registrate i valori ottenuti nel logbook; potete poi plottare l’amplificazione (in unità arbitrarie, per esempio relativa alla tensione più bassa) e la risoluzione (/centroide) in funzione del valore di HV. Per HV=1700 V potete inoltre ottenere la calibrazione in energia utilizzando la procedura descritta in precedenza, utilizzando i grafici di Fig.10.10 per ottenere anche lo shift del massimo del fotone da 1275 keV rispetto al valore nominale del Compton Edge.

3) Ripetete la procedura per il rivelatore R#2. Calibrazione del TAC e dei ritardi. Scopo di questa parte dell’esperienza è quello di ottenere una calibrazione in tempo dello spettro del TAC e di misurare il ritardo associato ai cavetti LEMO di differente lunghezza. Troverete il TAC impostato con un Range di 100 ns ed un ritardo di 30 ns sullo STOP (R#2) ottenuto selezionando gli interruttori +16, +8, +4, +2 ns. Registrate lo spettro del TAC con valori tra 4 e 30 ns ottenuti selezionando differenti combinazioni di ritardi ed eseguite i fit gaussiani per determinare il centroide del picco. Determinate la calibrazione (ns/canale) analizzando con una retta di regressione i valori di ns in funzione di Canali. Avete a disposizione un set di cavetti LEMO di lunghezza 50, 20, 10 cm. Riportate il valore dei ritardi a 30 ns e rimisurate il centroide del picco. Aggiungete un cavetto per ciascuna lunghezza in serie a quello che collega la scatola di ritardi con lo stop del TAC tramite un connettore I LEMO e rimisurate la posizione del picco determinandolo tramite fit gaussiano. Dalla differenza nel valore dei centroidi (con errore relativo) ottenuto dai fit gaussiani potete determinare il valore del ritardo utilizzando la calibrazione ns/canale ottenuta in precedenza. Riportate i dati nel logbook.

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Misura della risoluzione temporale in funzione del delay

Scopo di questa parte dell’esperienza è quello di verificare la dipendenza della risoluzione temporale dal valore del delay. Innanzi tutto verificate di essere con i valori di HV#1=HV#2=1700 V e controllate all’oscilloscopio che per i due rivelatori le soglie di discriminazione siano le più basse possibili. Osservando all’oscilloscopio il segnale di anodo dei rivelatori, si osserva come il tempo di discesa del segnale negativo sia di circa 5 ns. Questo implicherebbe, visto che la frazione del CFTD è fV=20%, che il ritardo ottimale dovrebbe essere di 4 ns. Poiché avete misurato il ritardo dei cavetti LEMO di diversa lunghezza, potete realizzare questo ritardo ed inserirlo nelle due sezioni di CFTD utilizzate per i due rivelatori. Potete ora guardare il segnale di CF MONITOR che corrisponderà al segnale bipolare creato dal CFTD. 1) Collegate una delle uscite del CFTD del R#1 all’oscilloscopio ed utilizzate questo segnale

come trigger. Collegate ora al secondo canale dell’oscilloscopio il segnale CF MONITOR. Osserverete il segnale bipolare generato dal CFTD come in Fig. 10.11

Fig.10.11 Segnale bipolare del CF Monitor

2) Agendo sul potenziometro WALK ADJ (Z) potete spostare il punto di attraversamento dello zero (lo zero crossing viene utilizzato per generare il segnale di uscita del CFTD) per minimizzare la dispersione. Operate questa ottimizzazione.

3) Ripetete l’operazione per il rivelatore R#2. 4) Registrate un file per 10 minuti e tramite fit gaussiano misurate la della distribuzione

temporale. 5) Selezionate altri due valori del delay del CFTD aggiungendo o togliendo 1 ns e ripetete il

procedimento. Ricordatevi che per ogni ritardo bisogna ricontrollare sia le soglie che il WALK ADJ dei due rivelatori.

6) Confrontate i valori di sigma ottenuti per i tre ritardi definendo quello che minimizza la . Se il trend non è chiaro continuate lo studio con uno o più ritardi.

Misura della risoluzione temporale in funzione dell’energia e del range dinamico.

Una volta che avete definito il valore che ottimizza la risoluzione temporale del sistema settate definitivamente i due CFTD (soglie e WALK ADJ) per i valori ottimali e registrate uno spettro su

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file per almeno un’ora. Utilizzerete questi dati per estrarre il picco di coincidenza per soglie crescenti in energia o finestre di energia selezionate sui due rivelatori.

Misura della risoluzione temporale in funzione dell’energia e del range dinamico

Cambiate pc, passando in quello a sinistra del NIM BIN cablato con il digitizer. Scollegate i cavo LEMO collegati all’anodo dei rivelatori e connettete i cavi LEMO già connessi al digitizer. Mettete il rivelatore di sinistra sul canale #0 del digitizer e quello di destra sul canale #1. Aprite il programma di acquisizione VERDI ed avviate l’acquisizione. Controllate il rate di coincidenze, i conteggi ed il rate fra canale #0 e #1 deve essere identico (acquisizione in coincidenza). Acquisite per un tempo sufficiente ad avere una ragionevole statistica per confrontare i risultati ottenuti con il sistema di acquisizione analogico. Confrontate il numero di eventi a parità di tempo per entrambi i sistemi per vedere se ci sono tempi morti nell’acquisizione.

ESPERIMENTO TIMING

SET UP DEI RIVELATORI

Gruppo........... Padova.......................... Segnali terminati su 50 Ohm HV=1.7 kV

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RIVELATORE #1 Tempo discesa

(ns) Vmax @511 keV (mV)

Tempo salita (ns)

Livello Rumore (mV)

OUTPUT Anodo Guadagno Amplificatore: Coarse...................... Fine..................................

RIVELATORE #2

Tempo discesa

(ns) Vmax @511 keV (mV)

Tempo salita (ns)

Livello Rumore (mV)

OUTPUT Anodo

Guadagno Amplificatore: Coarse...................... Fine..................................

ESPERIMENTO TIMING GUADAGNO IN FUNZIONE DEL HV

Gruppo........... Padova..........................

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RIVELATORE #1 HV#2 = 1700 V HV#1 Coarse Gain Centroide (Canali) (Canali) Guadagno(*) 1400 V 1.00 1500 V 1600 V 1700 V 1800 V 1900 V

* Normalizzato al valore del Centroide a 1400 V

HV#1 Compton Edge 511 keV Centroide(Canali)

Compton Edge 511 keV (Canali)

Compton Edge 1275 keV Centroide (Canali)

Compton Edge 1275 keV (Canali)

1700 V

RIVELATORE #2 HV#1 = 1700 V HV#1 Coarse Gain Centroide (Canali) (Canali) Guadagno(*) 1400 V 100 1.00 1500 V 100 1600 V 100 1700 V 100 1800 V 40 1900 V 40

* Normalizzato al valore del Centroide a 1400 V

HV#1 Compton Edge 511 keV Centroide(Canali)

Compton Edge 511 keV (Canali)

Compton Edge 1275 keV Centroide (Canali)

Compton Edge 1275 keV (Canali)

1700 V

ESPERIMENTO TIMING CALIBRAZIONE TAC E RITARDO CAVI LEMO

Gruppo........... Padova..........................

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HV#1=HV#2 = 1700 V Ritardo Centroide (Canali) (Canali) 30 ns

Calibrazione TAC: ……..ps/canale

Ritardo Centroide (Canali) (Canali) 30 ns 30 ns + Cavo LEMO 10 cm 30 ns + Cavo LEMO 20 cm 30 ns + Cavo LEMO 50 cm

ESPERIMENTO TIMING RISOLUZIONE TEMPORALE IN FUNZIONE DEL DELAY ESTERNO

Gruppo........... Padova..........................

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HV#1=HV#2 = 1700 V CAVO LEMO Ritardo (ns)

Centroide (Canali) (Canali) isoluzione Temporale [FWHM] ns

Calibrazione TAC: ……..ps/canale

SUGGERIMENTI PER L’ ANALISI DATI

In questa esperienza molti dei dati saranno analizzati direttamente in laboratorio tramite fit Gaussiano dei picchi utilizzando il sistema di acquisizione. Si suggerisce comunque di: a) registrare sempre su file gli eventi in modo da poter sempre ripetere l’analisi in caso di

necessità.

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b) Salvare lo spettro + fit gaussiano come file grafico (.gif). Nel caso della misura della risoluzione temporale con il setting finale dei ritardi, si suggerisce di operare nel seguente modo: a) calibrate in energia gli spettri dei due rivelatori. b) Ricavate lo spettro del TAC corrispondente a soglie in energia (su ambedue i rivelatori) di

50, 100, 150, 200, 250, 300 keV. Riportate la risoluzione temporale [FWHM] ottenuta e gli spettri in energia dei due rivelatori.

c) Operate come al punto precedente ma questa volta selezionate gli eventi per finestre di energia corrispondenti a [0-50 keV], [50-100 keV], [100-150 keV], [150-200 keV], [200-250 keV], [250-300 keV].

d) Commentate quanto ottenuto ai punti b) e c). Misura con i digitizer

a) commentare la struttura media del segnale, tempo di discesa medio del segnale (in bin) e tempo di salita

b) creare lo spettro energetico con la carica totale e confrontarlo con la misura analogica. Nella misura in coincidenza sarà presente principalmente il primo compton edge. Fate una calibrazione approssimativa sovrapponendo il compton edge con quello analogico.

c) ottimizzare i parametri D e F del CFTD virtuale per minimizzare la FWHM dello spettro dei tempi. Variate il delay D fra 1 e 3 bin e la frazione F fra 0.2 e 0.8.

d) fissati i parametri che ottimizzano il CFTD digitale ripetere lo studio dell’andamento della risoluzione temporale in funzione di soglie crescenti 50, 100, 150, 200, 250, 300 keV. Usate la calibrazione approssimativa ottenuta nel punto b).

e) Confrontare i risultati ottenuti con quelli dell’analisi analogica