Rilevatore a Coincidenza con PSoC – I

July 29, 2016 Italian Posts, PSoC, Quantum Physics, Radioactivity, Silicon Photomultiplier 3,467 Views

In questo post descriviamo una applicazione del componente PSoC avente lo scopo di realizzare un circuito di rilevazione delle coincidenze ad alta precisione da applicarsi nella rilevazione di segnali nucleari.

PSoC è la sigla di Programmable System on Chip, ovvero chip che integrano un microcontrollore e dei componenti analogici e digitali a logica programmabile. In questo modo è possibile avere in un singolo chip tutto il necessario per svolgere compiti complessi.
Come per i loro stretti parenti FPGA (i quali sono però limitati ai soli componenti digitali), i tool di sviluppo disponibili permettono di programmare il chip come se si stesse procedendo al disegno di un circuito elettronico, collegando tra loro amplificatori, convertitori, ADC e DAC, filtri, comparatori e quant’altro necessario.
Una volta programmato, il chip si comporta come se fosse un componente hardware a tutti gli effetti. Inoltre, la presenza del microcontrollore permette di integrare una logica sequenziale ed eventualmente anche di riprogrammare le funzioni hardware.

La sigla PSoC è relativa ai circuiti integrati prodotti dalla Cypress Semiconductor. Nella nostra applicazione abbiamo utilizzato il modello PSoC 5LP. Per lo sviluppo abbiamo utilizzato sia il kit CY8CKIT-059 che la scheda più completa CY8CKIT-050, entrambe mostrate nelle immagini sotto :

Rilevatore a Coincidenza

Mediante il PSoC è stato realizzato un circuito a coincidenza che accetta in ingresso due segnali analogici prodotti da sensori tipo SiPM o PMT. Viene effettuato il conteggio degli impulsi su entrambi i canali e sul canale di coincidenza. Il firmware memorizzato sul microcontrollore effettua anche il calcolo del rateo di impulsi in CPS e CPM ed effettua anche il calcolo della deviazione σ. I dati vengono presentati su un display a due righe e 16 caratteri.
L’immagine sotto descrive lo schema a blocchi di principio del circuito :

L’immagine sotto fa vedere la scheda PSoC 5LP utilizzata per lo sviluppo del sistema e la parte di alimentazione ed amplificazione dei sensori SiPM.

Firmware

La scheda PSoC 5LP è stata programmata con il sistema di sviluppo PSoC Creator, liberamente scaricabile dal sito del produttore. Mediante questo strumento, con una interfaccia grafica, viene programmato il chip e vengono definiti e configurati tutti i componenti utilizzati.
Vediamo i punti principali del progetto.

Segnali di Clock

Il sistema è sincronizzato da una serie di segnali di clock, il principale dei quali è il BUS_CLK che ha una frequenza di 58MHz (questa frequenza viene decisa in fase di configurazione e dipende dalle caratteristiche del circuito che si sta realizzando) e che sincronizza il funzionamento di tutti i componenti. Il periodo di questo segnale è di circa 20ns, questo è importante perchè corrisponde alla durata minima dei segnali che possono essere gestiti correttamente dal sistema. Segnali con durata inferiore ai 20ns potrebbero essere gestiti in modo non corretto oppure potrebbero venire non letti dal sistema. Nel nostro progetto abbiamo stabilito per i segnali una durata minima di 40ns, quindi ampiamente superiore al limite dei 20ns.

Comparatore

Gli impulsi analogici in ingresso provenienti dai due sensori (Pin_A e Pin_B) sono inviati a due comparatori che effettuano il confronto con una soglia programmabile al fine di produrre un impulso digitale positivo quando il segnale è sopra soglia. La soglia viene generata da due DAC converter che possono prendere il valore dal software oppure da un potenziometro esterno se si vuole una soglia configurabile. Nel nostro caso abbiamo utilizzato il potenziometro “low noise” già presente sulla scheda di sviluppo. Per i nostri segnali la soglia è stata settata sui 100mV. I comparatori sono stati configurati come “fast” e con isteresi per evitare falsi impulsi.
Il segnale in uscita dal comparatore è stato inviato ad un Flip Flop tipo D, “edge detector”, con una rete RC esterna, al fine di ottenere impulsi stabili con durata fissa di 40ns.

Rilevatore di Coincidenza

Gli impulsi prodotti dai comparatori vengono inviati ad una porta logica AND che effettua la “coincidenza” dei segnali. Dato l’impulso di coincidenza potrebbe avere durata variabile, a valle viene posto un Flip Flop tipo D con rete RC esterna per ottenere un impulso pulito di 40ns. Quest’ultimo produce anche un ulteriore impulso da 0.01s utilizzato per accendere un LED e dare così un feedback visibile dell’evento di coincidenza.

Contatori

Gli impulsi dei canali A e B e gli impulsi di coincidenza vengono inviati a dei contatori digitali che effettuano il conteggio degli impulsi. Vi è anche un contatore che effettua il conteggio dei secondi in modo da misurare la durata delle operazioni di conteggio.

Pulsanti di Controllo

Il sistema è provvisto di tre pulsanti e di un LED che si accende quando viene premuto uno qualsiasi dei tre pulsanti. Le funzioni dei tre pulsanti sono le seguenti :
– Reset dei contatori
– Start / Stop conteggio
– Switch del display

Esempi di Impulsi

Nella immagine sotto si vede il tipico impulso prodotto dal circuito. La FWHM è di 40ns, i fronti di salita e discesa dell’impulso sono di circa 5-10ns, mentre l’ampiezza è di circa 3,5V (il PSoC viene fatto funzionare a 3,3V).

Nella immagine sotto si mettono a confronto il segnale prodotto dal SiPM con l’impulso generato dal circuito. Si può notare che l’impulso è ritardato rispetto al fronte del segnale di circa 80ns. Questo ritardo è dovuto al tempo di reazione del comparatore del PSoC e non è possibile ridurre.

Nella immagine sotto si fa una valutazione del jitter temporale dell’impulso. La maggior parte degli impulsi si trova in un range temporale di circa 20ns, adottando quindi una durata di 40ns ci assicuriamo una adeguata copertura nella rilevazione delle coincidenze.

In questa immagine si mostra invece il caso tipico di due impulsi in coincidenza, come si vede la sovrapposizione temporale è buona e questo ci assicura la produzione di un impulso in uscita.

Test con Sensori SiPM e Scintillatore LYSO

Il circuito a coincidenza viene utilizzato principalmente con i sensori SiPM accoppiati ad uno scintillatore SiPM.
Per maggiori dettagli si possono consultare i seguenti post :

Le immagini mostrano il sensore con il suo contenitore a tenuta di luce.

E’ stata fatta una valutazione delle coincidenze casuali, disponendo i sensori come mostrato nella immagine sotto, separati da due lingotti di piombo dello spessore di 5cm. Questo schermo è necessario perchè la radioattività intrinseca del LYSO, a causa probabilmente della radiazione X di fluorescenza, causa un non trascurabile tasso di coincidenze quando i due sensori vengono posti uno vicino all’altro. Con lo schermo di piombo questo contributo viene reso trascurabile e rimangono soltanto le coincidenze casuali.

Valutazione della Probabilità di false coincidenze

Se ipotizziamo che il circuito di coincidenza abbia una risoluzione temporale pari a τ, allora la probabilità di coincidenze accidentali vale :
P = 2τC1C2 = 2 x 40 x 10^-9 x C1 x C2
Τ = 40 nsec
C1 = counting rate sul rilevatore 1
C2 = counting rate sul rilevatore 2

Regolando la soglia del discriminatore a 100mV (che corrispondono a circa a 100 keV) vengono ottenuti i seguenti ratei di conteggio :

C1 = 87,8 CPS
C2 = 88,0 CPS
P = 2 x 40 x 10^-9 x 87,8 x 88,0 = 0,618 x 10^-3 s^-1 equivalenti a 0,037 CPM

Per il tasso di coincidenze, sperimentalmente si ottengono i seguenti valori :

Durata misura = 24 h = 86400 s
σ = 0,006
0,042 ± 0,006 CPM

In buon accordo con il valore teorico.

Referenze e Link

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