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Digital Pulse Processing (DPP) in Fisica Nucleare

La trattazione «classica» dei segnali da rivelatori di particelle in fisica nucleare e particellare fa uso abitualmente di:

- ADC (in tensione o carica) per l’analisi dell’ampiezza o della carica

- Discriminatori e TDC per le applicazioni di timing

Normalmente le condizioni di lavoro di questi moduli elettronici vanno settate all’inizio e non possono essere modificate durante le misure.

Esempi:

- soglia nei discriminatori

- soppressione del pedestal

- gate di integrazione

- …

Digital Pulse Processing (DPP)

Molti di questi parametri potrebbero essere adattati agli eventi, raggiungendo risultati migliori, se la forma del segnale fosse disponibile.

Vantaggi:

- Possibilità di testare algoritmi differenti scegliendo il risultato migliore

- Possibilità di trattare individualmente ciascun evento

- Possibilità di estrarre varie informazioni dallo stesso segnale

ad esempio: durata, forma, ampiezza, distorsioni eventuali, …

- Possibilità di utilizzare contemporaneamente diversi gate di integrazione

- Possibilità di utilizzare contemporaneamente diverse soglie

- …

il tutto mediante analisi off-line dei segnali


Algoritmi implementabili per l’analisi digitale dei segnali:

- Soppressione degli zeri

- Trattazione della baseline di un segnale

- Analisi delle ampiezze

- Integrazione in carica

- Discriminazione in forma dei segnali

- Misure di tempo

- …

Digitizers and Digital Oscilloscopes

Un campionamento del segnale può essere ottenuto sia da oscilloscopi digitali che da digitizer: in entrambi i casi un certo numero di samples viene conservato in memoria.

Gli oscilloscopi digitali consentono di conservare un segnale campionandolo con un certo numero di samples/secondo.

Esempi:

Lecroy WaveRunner 6030:

2.5 Gs/secondo, 4 channels


Un oscilloscopio Tektronix della serie 7000

2.5 GHz bandwidth

4 channels

40 Gs/secondo


Esistono tuttavia delle differenze tra le due soluzioni:

Nei digitizer:

Possibilità di effettuare analisi dei dati on-line mediante FPGA

Possibilità di sincronizzarsi con altri moduli per avere più canali

Multi-event memory buffer (no dead time between events)

…



Nell’analisi digitale dei segnali due approcci sono in linea di principio possibili:

1)Acquisire e trasferire il flusso completo dei dati (raw data) e fare tutta l’analisi off-line

- Metodo molto generale, conserva tutto il segnale e rende

possibile ogni tipo di analisi a posteriori

- Impraticabile con un flusso elevato di dati

1)Effettuare una prima analisi digitale on-line dei segnali acquisiti e trasferire già le informazioni richieste

- Necessita di una elaborazione veloce dei segnali (FPGA)

- Consente di trattare flussi di dati elevati

- Impossibile una trattazione completa del segnale off-line


Stime numeriche:

1 ADC a 12 bit (1.5 byte) con un campionamento a 250 MSamples/secondo produce 375 Mbytes/s in acquisizione continua

1 ADC a 12 bit con un trigger rate di 10 KHz ed eventi lunghi 1000 samples (4 microsecondi) producono 15 Mbytes/s in acquisizione triggerata

Realisticamente si possono acquisire in modo completo segnali con un trigger rate basso o in ogni caso per un campione limitato di eventi. Nella maggior parte delle applicazioni, è necessario implementare degli algoritmi on-line per la trattazione del segnale.


Funzioni di un digitizer

Nella modalità oscilloscopio, il digitizer si limita ad acquisire e conservare le forma d’onda dei segnali, con le limitazioni di rate viste prima.

Nella modalità DPP, il digitizer utilizza uno o più algoritmi per l’analisi on-line dei segnali.

Algoritmi diversi possono essere caricati nel firmware, utilizzando lo stesso hardware.


Modalità oscilloscopio


Modalità DPP

Zero suppression

Rimuove dall’intervallo di acquisizione quelle parti che non contengono informazione utile

Pulse height Analysis

Implementazione digitale di shaping amplifier + Peak sensing ADC

Schema a blocchi per Pulse Height Analysis

Decimator: Riduce il rate

TRG Filter: Identifica l’arrivo del segnale

Energy Filter: Fa uno shaping del segnale mediante filtro trapezoidale e valuta l’ampiezza

Memory Manager: Costruisce l’evento da memorizzare

Digital Charge Integration

Implementazione digitale di discriminatore, gate generator e QDC

Determinazione automatica del gate

Eliminazione del pedestal

Informazione su energia e tempo

Schema a blocchi per Charge Integration


Utilizzo di digitizer per l’analisi di segnali da SiPM

1 fotoelettrone

2 fotoelettroni

…

Un segnale da SiPM Osservato in persistenza…


Spettro in carica integrato da un digitizer

Pulse Shape Discrimination

- Possibilità di introdurre (sia on-line che nell’analisi off-line) gates differenti su cui integrare il segnale

- Possibilità di valutare il rise-time dei segnali

Identificazione di particelle mediante fast-slow

Identificazione con la tecnica del rise- time

Integrazione fast e slow di un segnale

Applicazione di un doppio gate (fast e slow) per l’integrazione di un segnale. Il rapporto tra le due componenti dipende dal tipo di particella.

Schema a blocchi per Pulse Shape Discrimination


Un esempio di applicazione alla discriminazione n-gamma in uno scintillatore liquido BC501 + PMT

Timing Analysis

In alcuni casi l’informazione sul timing estratta da digitizer può essere migliore rispetto ad una catena elettronica tradizionale:

-Misure di tempo combinate con misure di energia, carica, etc…

-Risoluzione temporale da ottimizzare

-Opportunità di confrontare diversi algoritmi per il timing

-Bursts di eventi molto vicini

Algoritmi per il timing dei segnali

Interpolazione tra i vari samples: migliora la risoluzione temporale

Algoritmi per il timing

Possibilità di implementare off-line algoritmi per simulare il comportamento di un discriminatore

- Leading Edge

- Constant Fraction Discriminator

… e molto altro

Il sistema CAEN

Uno dei digitizer CAEN (DST20) adoperato in laboratorio:

2 canali

250 Ms/secondo

12 bits

Full scale 1 V

Esempio: spettrometria gamma

Un esempio di spettro gamma da 137Cs misurato con uno scintillatore NaI (spettro blu=prima della sottrazione del fondo, spettro rosso= dopo la sottrazione del fondo)

Uno spettro (già sottratto del fondo), da 60Co.


Risultati ottenuti con ADC tradizionali

Energia(MeV) Fwhm (Canali) Risoluzione (%)

Ba133 0,081 10,181 ± 0,026 36,485 ± 0,094

Na22 0,511 22,024 ± 0,045 15,087 ± 0,031

Cs137 0,662 24,228 ± 0,066 12,946 ± 0,035

Mn54 0,835 27,339 ± 0,106 11,723 ± 0,046

Zn65 1,115 32,216 ± 0,188 10,447 ± 0,061

Co60 1,173 41,408 ± 0,624 12,791 ± 0,193

Na22 1,275 35,812 ± 0,172 10,247 ± 0,049

Co60 1,332 31,936 ± 0,546 8,631 ± 0,148


Analogo spettro del 137Cs, ottenuto da integrazione del segnale digitalizzato


Idem, per il 60Co


Risultati ottenuti con il digitizer

Energia(MeV)

Centroide (Canali)

σ (Canali)

Ba133 0,081 480,081 ± 0,410 50,486 ± 0,452

Na22 0,511 1374,17 ± 0,211 87,595 ± 0,223

Cs137 0,662 1692,27 ± 0,274 80,543 ± 0,229

Mn54 0,835 2053,17 ± 0,594 102,08 ± 0,468

Zn65 1,115 2632,43 ± 0,804 113,919 ± 0,598

Co60 1,173 2742,98 ± 1,503 144,84 ± 2,159

Na22 1,275 2959,40 ± 0,616 128,763 ± 0,524

Co60 1,332 3112,07 ± 1,946 107,570 ± 1,607



Energia (MeV) Risoluzione (%) ADC Risoluzione (%) DPP

0,081 36,485 ± 0,094 24,766 ± 0,223

0,511 15,087 ± 0,031 15,012 ± 0,038

0,662 12,946 ± 0,035 11,209 ± 0,032

0,835 11,723 ± 0,046 11,709 ± 0,054

1,115 10,447 ± 0,061 10,191 ± 0,054

1,173 12,791 ± 0,193 12,435 ± 0,185

1,275 10,247 ± 0,049 10,247 ± 0,042

1,332 8,631 ± 0,148 8,140 ± 0,122

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