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Rivelatore SiPM Controllato da PSoC

L’elettronica di front-end per l’acquisizione dei segnali prodotti dal SiPM (post Elettronica di Acquisizione per SiPM) può essere convenientemente interfacciata ad un microcontrollore PSoC che effettua le seguenti funzioni :

  • Lettura segnale analogico da potenziometro per la configurazione della tensione di bias del SiPM;
  • Generazione segnale analogico di riferimento per la generazione della tensione di bias del SiPM;
  • Acquisizione del segnale amplificato prodotto dal SiPM, generazione dell’impulso logico e pilotaggio LED;
  • Conversione ADC della ampiezza dell’impulso e reset del Peak&Hold;
  • Conteggio impulsi in CPM;
  • Misura intervallo temporale tra un impulso ed il successivo;
  • Gestione display di visualizzazione dati e gestione pulsanti di comando;
  • Gestione interfaccia seriale di trasmissione dati a computer;
  • Gestione sensore di temperatura per la compensazionde del guadagno del SiPM (non ancora implementato);

Nella immagine sotto si vede il prototipo comprendente la sezione di alimentazione del SiPM, la parte di amplificazione e Peak&Hold e la scheda di prototipazione del PSoC.

Programmazione PSoC

Nello schema sotto si vede la sezione di generazione dei clock : il clock master è configurato a 48 MHz, mentre il clock del componente Sample&Hold per la conversione in digitale del segnale è configurato a 10 MHz. Vi sono poi i clock di “servizio” per i LED, per i pulsanti anti-rimbalzo e per il timer ad 1 Hz.

Nello schema sotto si vedono le parti per la conversione ADC del potenziometro “trimpot” della scheda, utilizzato per la configurazione del livello della tensione di bias del SiPM. C’è poi il componente DAC per la generazione della tensione di riferimento per il setting della tensione del SiPM. Vi è il componente per il pilotaggio del LCD ed il timer per la misura dell’intervallo di tempo tra un impulso ed il successivo.

Lo schema sotto mostra la sezione di acquisizione dell’impulso generato dal SiPM. L’impulso viene inviato ad un convertitore ADC per la lettura della ampiezza del segnale. L’impulso viene anche inviato ad un comparatore per la generazione di un impulso logico al superamento della soglia impostata via software sul componente VDAC.

Lo schema sotto mostra la sezione del conteggio impulsi, con il contatore Counter_Pulse, e la sezione di generazione dei segnali di holding e resetting per il circuito di Peak&Hold. I segnali di holding e restting vengono generati da due PWM. Il PWM_Hold genera il segnale di holding (questo segnale non viene utilizzato realmente ma serve per il timing) e viene triggerato direttamente dall’impulso che si origina dal comparatore a soglia. Il PWM_Reset genera il segnale di reset per il condensatore di peaking e abilita l’interruttore analogico AMuxHw_RS che effettua fisicamente la connessione del condensatore con il circuito di scarica.

Lo schema sotto mostra i componenti per la gestione dei pulsanti di controllo ed il componente dedicato alla comunicazione USBUART con il PC per la trasmissione dei dati.

Misure di Spettrometria ϒ

Con la sonda SiPM + BGO (post SiPM con Cristallo Scintillatore BGO) e con l’elettronica di front-end (post Elettronica di Acquisizione per SiPM) interfacciata con un microcontrollore PSoC, come descritto sopra, abbiamo realizzato delle misure di spettrometria gamma su una serie di sorgenti campione al fine di testare le prestazioni del sistema. Nel microcontrollore PSoC è stato implementato un programma che esegue l’acquisizione di ogni impulso e la conversione in digitale del valore di ampiezza. I dati acquisiti vengono trasmessi ad un PC tramite l’interfaccia USB-UART (emulazione di un terminale seriale).
I dati acquisiti possono ad esempio essere elaborati mediante excel in modo da realizzare un istogramma e valutare lo spettro della emissione gamma della sorgente in esame.

Nella immagine sotto si vede il setup di misura con la sonda ed una sorgente campione posizionata di fronte alla sonda ad una distanza prefissata.

Sorgente γ Americio 241 (Am241)

L’isotopo Amercio 241 ha una emissione gamma a bassa energia con il picco principale a 59,5 KeV. Lo spettro che si ottiene mediante lo spettrometro SiPM + BGO + PSoC è raffigurato nel grafico sotto, nel quale è evidente il picco a basse energie. Per la rilevazione è necessario configurare a 31 V la tensione di polarizzazione e posizionare la soglia attorno ai 150 mV, con questi settaggi il picco si colloca sui 200 mV.

Sorgente γ Sodio 22 (Na22)

L’isotopo sodio 22 è caratterizzato da decadimento β con emissione di positroni i quali si annichilano e generano radiazione gamma a 511 KeV, vi è inoltre anche emissione gamma a 1274 KeV. Il grafico sotto mostra lo spettro ottenuto con la nostra sonda : si vede chiaramento il picco principale a 511 KeV ed il picco a 1274 KeV. La linearità del sistema è piuttosto buona e la risoluzione a 511 KeV è di circa il 20% : valore in linea con quanto atteso per un cristallo BGO di piccole dimensioni. Le “spalle” a sinistra dei due picchi sono dovute allo scattering Compton, piuttosto rilevante a causa delle piccole dimensioni del cristallo.

Sorgente γ Cesio 137 (Cs137)

L’isotopo Cesio 137 è caratterizzato da intensa emissione gamma a 662 KeV. Il grafico sotto mostra lo spettro ottenuto con il picco evidente ed il continuo Compton, la risoluzione vale circa 18%.

Sorgente β Stronzio 90 (Sr90)

Abbiamo testato con la nostra sonda anche una sorgente β pura come lo stronzio 90. Lo spettro ottenuto è raffigurato nel grafico sotto, nel quale si vede l’andamento continuo caratteristico della emissione β.

Conclusioni

Le prove effettuate hanno dimostrato la possibilità dell’utilizzo del microcontrollore PSoC, interfacciato con un PC, e di una sonda SiPM – BGO, per la realizzazione di uno spettrometro gamma amatoriale. La risoluzione ottenuta è in linea con quanto atteso per un cristallo BGO di piccole dimensioni. Prove ulteriori possono essere fatte con altri cristalli (ad esempio CsI(Tl) o NaI(Tl)) con i quali ci attendiamo prestazioni migliori.

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