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Instrumenta o Nuclear Roberto V. Ribas Eletr nica NIM (Nuclear Instrumentation Modules) Cabos Coaxiais Conformadores de Pulsos Pulsos NIM Pr -Amplificadores ... – PowerPoint PPT presentation

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Title: Instrumenta


1
Instrumentação NuclearRoberto V. Ribas
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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

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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.
  • Cabos de 50? pulsos rápidos
  • Cabos de 93? pulsos lentos (a tendência atual é
    utilizar-se cabos de 50 ohms para todos os tipos
    de sinais NIM)
  • 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.

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Cabo Coaxial RG58 (50 ohms)
  • Zsqrt(L/C)
  • Perdas0.17 dB/m
  • V0.65c (20 cm1 ns)

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(No Transcript)
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(No Transcript)
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  • 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?.

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  • 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)

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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.

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  • 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.

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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)

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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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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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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.

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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.

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

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Formatação do Pulso (Integração/Diferenciação)
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Formas de Pulso - Saída
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Cancelamento de Pólo Zero
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Restauração da Linha de Base
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Rejeição de Empilhamento
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(No Transcript)
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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).

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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

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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.

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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.

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  • 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

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Ajuste da referência de zero (walk)
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  • Analisador Mono-Canal (Single Channel Analizer)
    Módulo com entrada analógica e saída digital.
  • Saído quando na entrada Vi estiver com sua
    altura máxima entre dois valores V1 e V2. (Modo
    Normal)
  • Saida quando VigtV1 (Integral)
  • Saída quando Vi gtDV, DV o valor indicado no UL
    (Window)
  • Instante de tempo do pulso gerado depende de Vi

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  • Saída gerada quando pulso atinge máximo
    (derivada0)
  • Timing SCA Saída gerada quando valor máximo do
    pulso de entrada cai por uma fração constante.

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Conversor Tempo-Amplitude
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Coincidência Rápido-Lento
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Circuitos Lógicos (E, OU)
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Medidor de Taxa (Rate Meter)
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Aquisição de Dados
  • Detectores Q a Energia
  • Pré-Amp Integram a carga V a Q
  • Amplificadores Forma gaussiana
  • Aquisição de Dados Analisadores de altura de
    pulso.

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Analizador Multicanal
  • Um conversor analó-gico digital converte a altura
    do pulso em um número binário C (0-4095, p.ex.)
  • O número de vezes N que um dado valor binário C
    ocorre é armazenado na posição de memória C
    (canal de histograma).

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Sistemas Bi-paramétricos
ADC-DE
Computador
Memória NxN (ExDE)
ADC-E
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Sistemas Multi-paramétricos
ADC-A
Computador
Formatador e Sequenciador De eventos
ADC-B
ADC-C
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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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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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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.

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Algumas funções
  • F(0-7) Leitura do Módulo
  • F0, A3Leitura da entrada A3
  • F9 A0 Clear Module
  • F2 A(0-6) Leitura do Módulo
  • F2 A7 Leitura e consecutivo Clear do módulo.

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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.

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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)

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  • FIM
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