Spettroscopia Alfa con Red Pitaya

Abstract: in questo articolo presentiamo la versione migliorata dello spettrometro alpha già descritto nel post Spettrometro Alfa DIY. Nell’apparato che descriviamo è stata migliorata l’elettronica di front-end e l’acquisizione del segnale. In particolare è stato adottato uno shaping-amplifier a basso rumore e con tempo di shaping di 1μs. Inoltre è stato migliorato l’assemblaggio elettronico e la schermatura, questo ha permesso di ridurre il rumore e conseguentemente di migliorare la risoluzione energetica. I segnali sono stati acquisiti dalla scheda Red Pitaya che, con uno sample rate di 125 Ms/s, permette di acquisire agevolmente segnali con durata dell’ordine del microsecondo.

Introduzione

La spettrometria alfa è una tecnica affascinante perchè permette di avere informazioni precise sui decadimenti radioattivi dei nuclei pesanti e sulla fisica della interazione della particelle cariche con la materia. Si tratta però di una tecnica piuttosto difficile, anche più difficile della spettrometria gamma. Le difficoltà di questa tecnica risiedono nel tipo di rivelatore, solitamente un rivelatore a stato solido al silicio (piuttosto costoso) che produce un segnale molto debole che richiede, per essere analizzato, amplificatori a bassissimo rumore.
La misura va poi fatta in condizioni di vuoto (comunque non alto vuoto) in modo che le particelle alfa non vengano schermate dall’aria. Le sorgenti che vengono misurate vanno poi preparate con cura in modo da avere un strato il più possibile sottile ed omogeneo in modo che le particelle alfa non vengano diffuse ed assorbite all’interno della sorgente stessa.

Nonostante queste difficoltà è possibile, con una buona dose di lavoro e pazienza, approntare una strumentazione DIY in grado di regalare molte soddisfazioni.

Sensore a Stato Solido

In un semiconduttore, l’equivalente della energia di ionizzazione è l’energia di band-gap per promuovere un elettrone di valenza alla banda di conduzione. Nel silicio a temperatura ambiente, Eg = 1,1 eV, rispetto a ~ 15 eV per ionizzare un gas. Una particella carica che si muove attraverso il silicio crea quindi più di ionizzazione ed un segnale più grande.
Quando silicio di tipo p e di tipo n sono messi in contatto, creando una giunzione p-n, il flusso delle diverse cariche libere attraverso il confine crea una zona di svuotamento, una superficie elettricamente neutra vicino alla giunzione nella quale un campo elettrico interno spazza qualsiasi carica libera.
Polarizzando inversamente la giunzione, la zona di svuotamento può essere ingrandita, anche centinaia di micron. Quando una particella carica attraversa la zona di svuotamento causerà fenomeni di ionizzazione, producendo un numero di cariche proporzionale all’energia iniziale della particella, queste cariche risentiranno del forte campo elettrico presente e saranno spinte verso i bordi della zona di svuotamento. Creando contatti ohmici sulle superfici esterne del cristallo semiconduttore, è possibile applicare la tensione di polarizzazione inversa e raccogliere le cariche libere che si originano nella zona di svuotamento. In questo modo si crea un rilevatore di particelle a guadagno elevato, si tratta della versione a stato solido della camera di ionizzazione.

Nel nostro progetto abbiamo utilizzato il rilevatore mostrato nell’immagine a lato. Presenta i seguenti dati tecnici:

– Canberra PIPS SPD-100-12 (partially depleted)
– Area attiva = 100mm²
– FWHM 12KeV at 5MeV
– Tensione di polarizzazione = 40V
– Spessore = 100μm

 

Elaborazione del Segnale

Il segnale prodotto dal detector è di ampiezza molto bassa e quindi necessita di una adeguata amplificazione. Dato il livello molto basso del segnale è necessario utilizzare amplificatori a bassissimo rumore, inoltre la tensione di polarizzazione deve essere priva di ripple. Il preamplificatore del segnale è basato sulla tipologia amplificatore di carica (CSP) : l’impulso di corrente generato dal detector viene convertito in un impulso di tensione mediante la carica di un condensatore. Nella Fig.1 viene presentato lo schema di principio di un preamplificatore di carica :

Fig.1 – schema di principio di un preamplificatore di carica

Risposta di un amplificatore CSP

l’uscita del preamplificatore CSP è l’integrale nel tempo dell’impulso di corrente prodotto dal rivelatore. Il tempo di salita del segnale di uscita è approssimativamente uguale alla durata dell’impulso di corrente, la velocità del CSP impone comunque un limite inferiore a questo tempo di salita.
Poiché il CSP produce un’uscita pari ad un gradino di tensione proporzionale all’integrale nel tempo della corrente di ingresso e ricordando che

Risulta che l’uscita del CSP è proporzionale alla carica totale (Q) generata dal rivelatore PIPS. Per maggiori durate temporali la risposta di un CSP ad un impulso di corrente prodotto da un rilevatore si configura come un decadimento con una “lunga coda”. Questo impulso ha un tempo di salita iniziale veloce seguito da un lungo decadimento esponenziale prima di tornare alla linea di base. Un esempio di impulso è mostrato a lato. La ragione per il decadimento esponenziale sta nella resistenza che viene posta in parallelo alla capacità di feedback. Questo soluzione è necessaria affinchè il CSP possa rispondere ad impulsi successivi.

Formatura di un impulso gaussiano

L’uscita del CSP (con la sua forma di segnale impulsivo) deve essere considerata soltanto come un passo intermedio nella produzione di un uscita misurabile. La  lunga coda rende impraticabile la digitalizzazione degli impulsi, perché questi spesso si sovrappongono l’uno con l’altro. E’ necessario quindi utilizzare a valle del CSP un amplificatore (shaping amplifer) che trasforma l’impulso esponenziale in un impulso gaussiano adatto alla digitalizzazione. Un’altra caratteristica importante dell’amplificatore di shaping è che gran parte del rumore viene filtrato in modo da migliorare considerevolmente il rapporto segnale rumore. I segnali che possono essere “sepolti” nel rumore all’uscita del CSP diventano nettamente distinguibili al di sopra della soglia del rumore dopo la fase di shaping. Nella Fig.2 viene presentato lo schema di principio di un amplificatore di shaping.

Fig.2 – schema di principio di un amplificatore di shaping

Nello Fig.3 viene presentato lo schema di principio di una catena di elaborazione segnale, composta da bias, detector, preamplificatore CSP e pulse shaper :

Fig.3 – schema di principio di una elettronica di front-end

Realizzazione dell’Amplificatore

Per il nostro spettrometro alfa abbiamo scelto di utilizzare un CSP commerciale, in particolare il modello CR-110 della Cremat. Si tratta di un preamplificatore CSP ibrido con una capacità di feedback di 1,4 pF ed una resistenza di feedback di 100 MΩ, la costante di tempo dell’amplificatore è di 140 μs. Abbiamo  deciso di adottare un componente commerciale (a costo contenuto) perchè il CSP è un componente critico ed il buon funzionamente del sistema dipende in larga parte dalle buone prestazione del CSP in termini di guadagno e basso rumore. Lo schema in Fig.4 mostra i collegamenti del componente :

Fig.4 – schema dei collegamenti con il CSP Cremat

In particolare la resistenza di bias e di filter sono state scelte da 10 MΩ. Questi valori, tenendo conto di una dark current inferiore a 100nA, garantiscono un buon compromesso tra l’esigenza di limitare la caduta di tensione di bias e quella di avere un segnale di ampiezza adeguata sul condensatore di accoppiamento verso il CSP. Per il modulo di shaping inizialmente abbiamo realizzato una versione totalmente home-built, ma poi abbiamo optato per il modulo shaping della Cremat, in modo da ottimizzare le prestazioni ed ottenere un migliore rapporto segnale – rumore. Lo schema di Fig.5 mostra il circuito equivalente dello “shaping amplifier”. I componenti di ingresso Cin e Rin formano un circuito di differenziazione. Il circuito è costituito da due filtri Sallen-Key, che forniscono 4 poli di integrazione e guadagno del segnale. Questi stadi di integrazione producono un impulso di uscita che si avvicina con buona approssimazione ad una funzione gaussiana. Il nostro modulo di shaping ha una costante di tempo caratteristica di 1 μs, in modo da ottenere in uscita impulsi con durata dell’ordine del microsecondo.

Fig.5 – schema di principio dello shaping Cremat

La catena di elaborazone del segnale è schematizzata in Fig.6. Oltre al modulo preamplificatore ed al modulo di shaping è stato aggiunto un amplificatore a larga banda in modo da aumentare, se necessario, il guadagno finale dell’apparato.

Fig.6 – schema della catena di elaborazione del segnale, dal CSP fino allo shaping amplifier

In Fig.7 vengono mostrati i vari moduli inseriti in scatole metalliche, separate e schermate, in modo da diminuire eventuali interferenze.

Fig.7 – Preamplificatore di carica e detector (sulla sinistra) – Amplificatore shaping (sulla destra)

La Fig.8 mostra anche la piccola camera a vuoto nella quale è stato sistemato il detector.

Fig.8 – Dettaglio della elettronica di front-end e del detector

Red Pitaya e l’applicazione Multichannel Analyzer

Per l’acquisizione ed elaborazione degli impulsi prodotti dall’amplificatore abbiamo deciso di utilizzare la scheda Red Pitaya. Questa scheda elettronica è un microcomputer linux e dispone di due ingressi analogici RF da 125 MS/s e due uscite analogiche RF da 125 MS/s, con larghezza di banda analogica di 50 MHz.  Gli I/O analogici sono accoppiati a convertitori analogico-digitale (ADC) e digitale-analogico a 14 bit. Il software precaricato include svariate applicazioni, tra le quali oscilloscopio, analizzatore di spettro e generatore di segnale. Il plus della scheda è che può essere riprogrammata dall’utente anche per fare altre cose, poiché tutte le porte IO sono collegate ad un FPGA comune. La Fig. 9 mostra la scheda con le sue interfacce.

Figura 9 – Dettagli della scheda Red Pitaya

Il segnale prodotto dallo shaping amplifier viene inviato ad uno degli ingressi della scheda Red Pitaya ed acquisito ed elaborato mediante un software MCA (multichannel analyzer) che non fa parte della “suite” Red Pitaya ma deve essere scaricato e precaricato su di una scheda SD differente. Tutte le informazioni si posso trovare al link https://pavel-demin.github.io/red-pitaya-notes/mcpha/.
L’applicazione MCA permette di ottenere lo spettro in energia della radiazione rilevata dal sensore. La GUI della applicazione MCA, con lo spettro di una sorgente alpha è mostrata nella Fig.10.

Figura 10 – Interfaccia della applicazione MCA

Conclusioni

In questo post abbiamo descritto la progettazione di massima e la realizzazione di uno spettrometro alfa basato su di un sensore a stato solido PIPS. L’elettronica di lettura è stata realizzata con i moduli “charge preamplifier” e “shaping amplifier” della Cremat. Il sensore è stato posto in una piccola camera a vuoto. Il segnale impulsivo prodotto dalla catena di amplificazione è stato acquisito dalla scheda Red Pitaya ed elaborato mediante un software MCA open source realizzato da Pavel Demin. Lo strumento si è dimostrato perfettamente funzionante ed in grado di produrre spettri in energia di sorgenti di radiazione alfa con ottima risoluzione.

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