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Amplificatore Universale Micod per PMT

Il Dispositivo

L’ultimo nato della famiglia Micod è il preamplificatore universale per PMT. Il dispositivo, ospitato in un package metallico, consiste in un CSP seguito da uno stadio buffer. Quello che colpisce di questo dispositivo è la sua versatilità : vi è infatti la possibilità di modificare la configurazione hardware in modo da adattarsi alla specifica applicazione.
I valori di deafult del resistore e del condensatore di feedback del CSP sono di 150KΩ e di 330pF che danno luogo ad una costante di tempo τ = 50μs. Vi è però la possibilità di inserire componenti esterni in modo da variare guadagno e costante di tempo per adattarsi meglio alle esigenze applicative.
Il CSP accetta impulsi sia negativi che positivi ed il buffer di output può essere utilizzato in modalità invertente o non-invertente in modo da ottenere in output impulsi con polarità positiva o negativa.
Il buffer di output è inoltre dotato di un trimmer per la regolazione dell’offset e portare sullo zero il livello di uscita. Questa funzionalità è utile nei casi in cui il PMT e l’ampli sono accoppiati in continua, ad esempio per applicazioni di misura di intensità luminosa.

Il componente che abbiamo utilizzato per i test si trova convenientemente montato su di un PCB demo, con connettori SMA, trimmer e morsettiere, come si vede nella immagine di copertina del post.

Lo schema sotto mostra il pin-out e le modalità di collegamento del componente.

Test di Base

Il test di base è consistito essenzialmente nel collegare l’amplificatore ad una sorgente di alimentazione (coppia di batterie da 9V) e nel collegare il canale di ingresso ad un PMT. Per questa prova abbiamo utilizzato un PMT con anodo a massa e catodo portato a tensione negativa. In questa configurazione amplificatore e PMT sono accoppiati in continua, il rumore elettrico proveniente dal PMT è minimo e possiamo valutare con maggiore precisione le prestazioni del sistema. Il PMT è stato tenuto in completa oscurità.
L’immagine sotto mostra i collegamenti.

Nelle immagini sotto possiamo vedere i tracciati oscilloscopio dei segnali di input (a sinistra) e di output (a destra). Possiamo apprezzare il livello molto basso del rumore sia sul canale di ingresso che su quello di uscita dell’amplificatore. Il basso livello di rumore ci permette di individuare facilmente gli impulsi spuri generati dal PMT (impulso negativo nel tracciato di sinistra) che quando sono amplificati danno luogo in uscita ad impulsi di max 20mV.

Applicazioni di Low Light Detection

Utilizzando il medesimo setup del test di base descritto nel paragrafo precedente, abbiamo fatto una prova di utilizzo del sistema PMT + amplificatore come rilevatore di luce ad intensità molto bassa.
Come sappiamo il fotomoltiplicatore può essere utilizzato in modalità impulsiva (accoppiato in AC) oppure in modalità continua (accoppiato in DC). In questo ultimo caso il catodo del PMT va collegato alla HV negativa, mentre l’anodo è collegato a massa. La fotocorrente prodotta dal PMT viene inviata al CSP per essere amplificata e produrre un segnale in uscita proporzionale alla intensità della luce che raggiunge il fotocatodo del PMT. Il segnale in uscita viene prodotto dalla somma di tutti i singoli impulsi che si sovrappongono uno sull’altro.
Nelle schermate sotto si vede a sinistra l’uscita dell’amplificatore nel caso di assenza di luce, mentre a destra il caso con presenza di luce a bassa intensità.
Per queste applicazioni è molto utile la possibilità della regolazione dell’offset.

Applicazioni di Pulse Detection

L’altro tipo di applicazioni è quello che comprende la rilevazione e l’amplificazione di segnali impulsivi. Un esempio tipico è la sonda per raggi gamma basata su PMT e cristallo scintillatore. Le radiazioni gamma interagiscono con il cristallo e danno luogo ad impulsi luminosi che vengono acquisiti dal fotomoltiplicatore e trasformati in impulsi elettrici. Analizzando questi impulsi è possibile misurare il tasso di attività (conteggio) e l’energia della radiazione incidente (spettroscopia).

L’immagine sotto mostra il setup utilizzato per questo tipo di prova : per il pilotaggio del PMT è stato utilizzato il generatore HV della Micod, già descritto nel post Modulo HV Micod, il segnale prodotto dal PMT viene prelevato mediante uno splitter / combiner al cui interno c’è la resistenza di limitazione per il PMT ed il condensatore per l’accoppiamento capacitivo. Il segnale viene poi inviato all’amplificatore.

I tracciati seguenti mostrano gli impulsi che si ottengono in uscita all’amplificatore. L’ampiezza è ovviamente variabile fino ad un massimo di circa 2V anche se la maggior parte degli impulsi rimane al di sotto del valore di 1V. La coda esponenziale va a zero in un tempo di circa 150 – 200μs.

Il tracciato seguente mostra l’impulso in ingresso all’amplificatore (in blu) e l’impulso amplificato ed integrato dall’amplificatore (in giallo). A causa del basso valore della impedemza di ingresso si può notare la piccola ampiezza dell’impulso in ingresso e la sua breve durata.

Pulse Shaping e Spettroscopia Gamma

L’impulso amplificato può essere immediatamente utilizzato in applicazioni di conteggio per valutare  l’intensità della radiazione : conteggi al secondo oppure conteggi al minuto. Con un circuito di shaping dell’impulso ed un multichannel analyzer (MCA) si può fare l’analisi della energia dell’impulso e produrre un istogramma con la distribuzione delle energie dell’impulso, tracciando quindi lo spettro delle energie della radiazione gamma. L’immagine sotto mostra il setup per questa applicazione : l’output dell’amplificatore viene collegato ad uno shaper (PMT Pulse Processing (ITA)) che trasforma l’impulso triangolare prodotto dall’amplificatore in un impulso gaussiano con larghezza di circa 100μs.

L’immagine sotto mostra l’impulso prodotto dall’amplificatore (in giallo) e quello ottenuto dallo shaper (in blu).

L’impulso gaussiano viene acquisito dal nostro MCA basato su di una scheda audio e sul software Theremino MCA (Spettrometria Gamma DIY). In questo modo sono stati acquisiti gli spettri gamma delle seguenti sorgenti : Americio 241, Cesio 137 e Sodio 22. Le immagini sotto mostrano gli spettri di queste sorgenti campione.

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