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PMT Pulse Processing

pulseScint

La maggior parte dei rivelatori di radiazione che utilizzano tubi fotomoltiplicatori (PMT o SiPM) richiedono l’elaborazione elettronica degli impulsi (o segnali) in modo che possano essere estratte le informazioni sulla energia ed il tempo in cui sono avvenute le interazioni che hanno prodotto tali impulsi. L’obiettivo di questo post è quello di descrivere alcune soluzioni per la elaborazione di questi impulsi.

Introduzione

Il fotomoltiplicatore è composto da un fotocatodo, nel quale avviene l’emissione dei fotoelettroni causata dai fotoni incidenti, e da un catena di elettrodi, chiamati dinodi, che provvede ad amplificare il flusso di elettroni che alla fine vengono raccolti dall’anodo, causando la formazione di un impulso di corrente.
L’amplificazione del flusso di elettroni è causata dalla tensione tra fotocatodo, dinodi ed anodo, che provvede ad accellerare gli elettroni ed a causare la loro moltiplicazione a valanga.

Photomultiplier_schema_en
Schema di principio di un PMT

La polarizzazione del PMT può essere fatta sia con catodo negativo ed anodo a massa e sia con catodo a massa ed anodo positivo. Nell’utilizzo accoppiato a scintillatori spesso viene scelta la configurazione con catodo a massa ed anodo positivo : in questo caso il segnale viene prelevato dall’anodo mediante un condensatore di disaccoppiamento.

PMTconnection
Connessioni di un PMT con catodo a massa

Il segnale prodotto dal PMT è molto breve (100ns – 1μs) e di ampiezza limitata (100mV), anche se in diversi casi può raggiungere valori più elevati. Il segnale va quindi preamplificato e condizionato/sagomato per fare in modo che il segnale in uscita abbia una forma preferibilmente gaussiana e di ampiezza e durata tale da poter essere acquisito da un convertitore analogico – digitale.

Nella figura sotto è presentata tutta la catena di elaborazione, con il preamplificatore di carica, il circuito condizionatore, il discriminatore e la parte di conversione analogico – digitale.

pulseProcessing

Nella figura sotto sono presentati i tipici segnali che si ottengono dal detector, dal preamplificatore e dallo shaper :

pulses

Realizzazione Prototipo

Per la realizzazione di un prototipo abbiamo scelto la scheda di valutazione OPAMP EVM – PDIP della Texas Instrument che permette di realizzare circuiti complessi con amplificatori operazionali. L’immagine riportata sotto mostra i PCB delle schede.

opamppdip

Preamplificatore di Carica

Per il preamplificaatore di carica abbiamo adottato l‘amplificatore operazionale MC34080, wide band e con stadio di input a JFET. Questo stadio è caratterizzato da una impedenza di input di 50 ohm ed una resistenza di feedback da 1,5 Mohm.

chargePreamp

Shaper

Per lo shaper abbiamo adottato l’amplificatore OP467, caratterizzato da alta precisione ed alta velocità. L’integrato contiene 4 amplificatori operazionali distinti con i quali abbiamo realizzato i seguenti componenti :

  • rete di cancellazione polo-zero
  • stadio differenziale
  • stadio integratore
  • stadio amplificatore
  • stadio buffer di output

Sulla medesima scheda è stato inserito anche il discriminatore realizzato con il comparatore LM311.

shaper

Nella immagine riportata sotto si vede l’apparecchiatura finita :

DSC_0269

Rilevazione Impulsi

Usando il setup descritto sopra abbiamo fatto la rilevazione degli impulsi in ingresso ed in uscita da vari stadi della catena di elaborazione del segnale.

Impulso prodotto dal PMT

SiPMPulse

Impulso prodotto dal Preamplificatore di Carica

chargeAmplifier

Impulso prodotto dal Differenziatore con rete di cancellazione polo-zero

diff

Impulso prodotto dall’Integratore

int

Impulso prodotto dall’Amplificatore – Output Buffer

bufferOutput

Come si vede dai tracciati dell’oscilloscopio il segnale in uscita ha forma gaussiana, con una ampiezza di circa 2V (può essere variata agendo sul guadagno dello stadio di amplificazione) ed una durata di circa 100μs. Con queste caratteristiche può facilmente essre acquisito dal convertitore ADC della scheda audio di un PC.

Splitter

Per estrarre il segnale del PMT spesso è utile utilizzare un semplice dispositivo noto come “splitter”. Si tratta di un filtro passa-alto che viene inserito nella linea HV di polarizzazione del PMT e permette di estrarre direttamente il segnale impulsivo prodotto dal PMT. Nello schema riportato sotto lo splitter è costituito da RL e C2. Valori tipici sono RL = 1Mohm e C2 = 4,7nF.

splitter

splitter1

splitter2

Amplificatore a Transimpedenza

Gli impulsi prodotti dal PMT possono anche essere acquisiti mediante un amplificatore a transimpedenza, come quello mostrato nello schema seguente.

TIA

Il vantaggio è che la resistenza di carico può essere posta ad esempio a 50Ω in modo da ridurre la costante di tempo del circuito, senza rinunciare alla amplificazione ottenuta con la resistenza R2 : Vout = R2 * Ipmt. Nella figura sotto si mostra un impulso acquisito mediante TIA. Si vede come la FWHM dell’impulso si attesti sui 50ns.

TIA_Acrylic_Cherenkov

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