H.J. Bulten VU/NIKHEF HISPARC elektronica handleiding 1

1
Signaalverwerking HISPARC

• In deze handleiding komen een aantal aspecten met
  betrekking tot de signaalverwerking aan de orde.
• Ten eerste wordt de werking van de scintillator
  en de photomultiplier geschetst. De
  photomultiplierbuizen geven pulsjes af met een
  breedte van ongeveer 5 nanoseconden. Bij zulke
  hoogfrequente signalen kan je geen gewone kabels
  gebruiken de elektronica moet worden afgeregeld
  voor hoogfrequente signalen. Dit wordt in het
  tweede stuk van deze handleiding beschreven. Ten
  derde komt de werking van een oscilloscoop aan de
  orde en ten slotte wordt het afregelen van de
  detector besproken.
• Meer lezen? probeer de website, het boek van
  Leo, of de particle data group website (refs.
  volgen).

2
Scintillatoren

• Scintilleren is het uitzenden van fotonen door
  atomen die in een aangeslagen toestand worden
  gebracht. Een scintillator bestaat uit materiaal
  (doorgaans een soort plastic) dat een doping
  bevat met atomen die zulke fotonen uitzenden. Als
  een geladen deeltje door scintillatormateriaal
  heen vliegt, maakt het elektronen vrij. In de
  meeste gevallen hebben deze elektronen energieen
  van rond de 50 eV, maar ook veel hogere energieen
  treden sporadisch op. Deze vrijgemaakte
  elektronen exciteren de scintillerende atomen,
  die terugvallen naar hun grondtoestand onder
  uitzending van fotonen (in ons geval blauw
  licht). De hoeveelheid energie, die een geladen
  deeltje gemiddeld verliest als het door materiaal
  heen vliegt, hangt af van de massa en energie van
  het deeltje en van de eigenschappen van het
  materiaal. Relativistische muonen, pionen en
  protonen verliezen typisch ongeveer 2 MeV (de
  energie die een deeltje met de lading van een
  elektron heeft bij een potentiaalverschil van 2
  miljoen Volt) Omdat de energieafgifte een
  statistisch proces is meet je een distributie van
  pulsgroottes voor invallende deeltjes bij een
  gegeven energie (zie figuur), de zgn.
  Landau-distributie.

3
Landau-distributie
Kans op een bepaald energieverlies voor 500 MeV
pionen in silicium van verschilende dikte. De top
van de curves geeft het meest waarschijnlijke
energieverlies per micrometer aan het gemiddelde
energieverlies is hoger.
Figuur van Particle data group
4
Energie-afgifte als functie van momentum

• Meest waarschijnlijk energieverlies per
  micrometer voor geladen deeltjes, zwaarder dan
  een elektron, als functie van de energie van het
  deeltje (eigenlijk als functie van de verhouding
  van de impuls en de rustmassa van het deeltje. 10
  op de x-as correspondeert met b.v. een proton van
  10 GeV of een muon van ruim 1 GeV).

5
Scintillatoren

• Gemiddeld genomen is het aantal fotonen dat van
  een scintillatorplaat af komt een goede maat voor
  het energieverlies dat het geladen deeltje heeft
  ondervonden in de scintillator. Laagenergetische
  deeltjes (beneden de 5 MeV of zo) zullen in de
  scintillator gestopt worden en al hun energie
  verliezen. Hoogenergetische deeltjes (voor onze
  toepassing vooral muonen uit kosmische straling)
  verliezen een gedeelte van hun energie. Bij de
  airshowers die wij willen meten komen elektronen
  voor met een gemiddelde energie van 1.5 MeV en
  muonen, die typisch 4 MeV afstaan in de
  scintillator (zie handleiding over kosmische
  straling) maar je ziet al in de figuur dat er
  van gebeurtenis tot gebeurtenis een behoorlijke
  spreiding in de energieafgifte op kan treden.

6
Photomultipliers

• Het licht, dat in de scintillator ontstaat, wordt
  via de lichtgeleider naar de fotobuis
  (photomultiplier) gebracht. Deze photomultiplier
  wordt gebruikt om het licht in een elektrisch
  signaal om te zetten. Hier wordt de werking van
  de buis geschetst.
• Een photomultiplier bestaat uit een buis die
  onder vacuum staat, met aan de voorkant een
  transparant (glas of quartz) venster. Aan de
  binnenkant van het venster zit de kathode, die op
  een negatieve spanning staat (afhankelijk van de
  buis en het gebruik in de orde van 0.5 tot 3
  kV). De kathode bevat materiaal dat geschikt is
  om het fotoelektrisch effect op te wekken een
  foton kan een elektron vrijmaken. De
  quantum-efficientie van de buis beschrijft hoe
  vaak dat gebeurt als functie van de golflengte
  van het foton.
• Dit vrijgemaakte elektron geeft een veel te klein
  signaal om direct te gebruiken het signaal moet
  versterkt worden.

7
Photomultipliers

• Daarom bevat de buis een aantal zgn. dynodes. Dit
  zijn metalen schijfjes met een coating, die
  makkelijk elektronen loslaten als er een elektron
  met voldoende energie op valt. Een fotobuis bevat
  typisch 10 tot 14 dynodes. Deze staan achter
  elkaar op steeds positievere spanning. Het
  elektron van de anode wordt aangetrokken door het
  veld van de eerste dynode (bv. 100V t.o.v. de
  anode) en zal op de eerste dynode botsen met een
  energie bijna gelijk aan het spanningsverschil
  (het foton heeft ongeveer 2 eV energie, de
  bindingsenergie van het elektron aan het
  anodemateriaal is ook in die orde van grootte).
  Dit elektron maakt dan uit het anode materiaal
  nieuwe elektronen vrij (b.v. 3 per 100 V). De
  hoeveelheid vrijgemaakte elektronen op een dynode
  is ruwweg evenredig met de kinetische energie van
  het invallende elektron.

8
Photomultipliers

• De vrijgemaakte elektronen zien de volgende
  dynode, die t.o.v. deze dynode op weer 100 V
  hogere spanning staat. Nu vliegen er 3 elektronen
  naar de tweede dynode, die elk 3 nieuwe
  elektronen vrij kunnen maken. Zo gaat dit door
  tot de kathode aan het eind. Bij de spanning in
  dit voorbeeld zou het enkele elektron aan het
  begin resulteren in 3 tot de macht 10 (ongeveer
  59000) elektronen (voor 10 dynodes). Zou de
  spanning over de buis een factor 2 hoger zijn,
  dan zou de versterkingsfactor dus ongeveer 6 tot
  de macht 10 bedragen en de resulterende puls is
  dan een factor duizend groter.
• Een schematisch overzicht wordt getoond in de
  volgende figuur.

9
Photomultipliers
Schematisch overzicht van de werking van een
photomultiplier. De spanningsdeler zorgt voor een
vast spanningsverschil tussen de dynodes.
10
Impedance matching

• De photomultiplier geeft snelle signalen af. De
  buizen die wij gebruiken geven pulsen van ong. 5
  ns breed zonder scintillator, en misschien 20 ns
  met de grote HISPARC scintillatoren er aan
  (waarom wordt het signaal breder?). Bij zulke
  snelle signalen heb je speciale kabels en
  elektronica nodig om ruis te onderdrukken en de
  pulsvorm te behouden. Dat gaat dmv. impedance
  matching, door te zorgen dat de ingangs
  impedantie van ieder apparaat dat een puls
  ontvangt gelijk is aan de uitgangsimpedantie van
  het apparaat dat de puls levert. Impedantie is
  het wisselstroom equivalent van weerstand. Bij
  gelijkstroom heb je VIR, de spanning over een
  weerstand is gelijk aan de stroom door de
  weerstand maal de waarde van de (ohmse)
  weerstand. Voor wisselstromen ligt die relatie
  wat gecompliceerder je hebt ook capaciteiten en
  inducties die een rol spelen. Om toch goede
  pulsvormen te houden, gebruik je RG-58 BNC kabel
  of RG-174 lemo kabel. De signalen gaan door een

11
Impedance matching

• binnenste cylider van koper, het hart. De aarde
  is verbonden met de buitenste cylinder van
  draadjes, de mantel. Tussen de mantel en het hart
  van de kabel zit een dielectricum (van plastic).
  De capaciteit en inductie van de kabel is
  afgeregeld voor 50 Ohm impedantie (deze
  impedantie hangt af van de verhouding van de
  diameters van de mantel en het hart, en ook van
  de eigenschappen van het dielectricum). Ook bij
  radio en tv signalen heb je hier mee te maken
  voor kabeltelevisie is de impedantie gematched op
  75 Ohm (75-Ohms kabel).
• Als je een kabel niet afsluit (dus aan het
  uiteinde zit geen 50-ohms impedantie) krijg je
  reflecties van het signaal en vervormingen.

mantel
hart
Doorsnede lemo
Doorsnede BNC
12
Oscilloscoop

• Met een oscilloscoop kun je electrische signalen
  meten. Over het algemeen heeft een oscilloscoop 2
  ingangskanalen, A en B, plus een extern kanaal.
  Als je op kanaal A of B een kabel aan sluit, dan
  laat de oscilloscoop de spanning als functie van
  de tijd zien op het venster. Je kunt de tijdas
  instellen (b.v. 1 hokje per microseconde of per
  50 nanoseconde), de y-as (b.v. 5 V per hokje of 5
  mV per hokje), en het meest belangrijk, de
  trigger. De trigger is de conditie op een signaal
  dat de data-aquisitie (dus het verzamelen van de
  data) opstart. Je kunt b.v. instellen dat de
  oscilloscoop alleen data laat zien als kanaal B
  een signaal heeft dat groter is dan 72 mV.
• Omdat de oscilloscoop vaak een geheugenkaart
  heeft, kun je meestal bepalen welk stuk in de
  tijd je t.o.v. de trigger wilt zien.
• Voor de trigger kun je selecteren op welk
  ingangskanaal je kijkt (A,B, of extern), op welk
  niveau de triggerconditie vervult wordt
• (dit heet de threshold, 72 mV in het voorbeeld
  hierboven),

13
Oscilloscoop

• of dit met een opgaande of neergaande flank
  (rising or falling edge) is (dus opgaand wil
  zeggen dat het signaal kleiner was en toe neemt,
  neergaand wil zeggen dat het signaal groter was
  dan de threshold en af neemt), en verder kun je
  ook automatisch triggers genereren (line of auto
  wil zeggen dat je niet (of niet altijd) op je
  triggerconditie wacht maar continue de signalen
  op de ingang weer geeft. Norm is de normale
  instelling, waar alleen data vertoond wordt als
  er een trigger gegeven is).
• Belangrijk is ook, dat je de ingangsimpedantie
  van de oscilloscoop kunt instellen. Werk altijd
  met DC, 50 Ohm (dus niet AC of noise of 1 M Ohm).
• De PICO oscilloscoopkaart heeft niet de
  mogelijkheid om 50 Ohm te selecteren. Hier moet
  je DC gebruiken en aan de ingang een 50-Ohms
  impedantie in parallel met je signaal zetten (zie
  foto).

14
Oscilloscoop
Enkele events opgeslagen op een digitale
oscilloscoop. Dit zijn signalen uit de HISPARC
detector 1 photomultiplier, met 80 meter kabel
tussen de detector en de oscilloscoop.
15
Oscilloscoop
Een aantal events, opgeslagen met de PICO
oscilloscoop, uit een van de kleine
scintillatoren. De threshold staat zo laag, dat
de electronische ruisband (10 mV) nog te zien
is. Het meest waarschijnlijke energieverlies van
kosmische muonen leidt tot het bandje bij 120 mV.
16
50-ohms afsluiting

• 50-ohms afsluiting voor de PICO scoop. Je kunt
  zien, dat de 50-Ohms BNC kabel naar een t-stukje
  gaat, waar een 50 Ohms impedantie parallel aan de
  hoogohmige ingangsweerstand van de PICO kaart is
  gezet.

50-Ohms impedantie (lemo)
BNC T-stukje
BNC kabel met ingangssignaal
17
Afregelen photomulitiplier

• Iedere photomultiplier heeft zijn eigen
  karakteristieken hoeveel stroom hij trekt in
  donkere condities, hoeveel versterking hij geeft,
  wat de quantum-efficiency is, hoeveel ruis hij
  geeft, etc. Om later quantitatief de data te
  kunnen bekijken moeten we de eigenschappen van de
  buis vastleggen. Zo kunnen we later zien, hoe
  veel energie een shower in de detector heeft
  achtergelaten en of het gedrag van de detector in
  de tijd stabiel is.
• Goede verslaggeving is van belang, je wilt over
  een paar jaar alle relevante metingen kunnen
  herhalen.
• Als eerste wil je van de photomultiplier
  vastleggen wat de ruis is, als de photomultiplier
  lichtdicht is afgesloten zonder scintillator er
  aan.
• Er is elektronische ruis deze kun je bekijken op
  de oscilloscoop door de trigger conditie line
  te nemen. Je moet een constante baseline zien met
  een ruis in de orde van een mV. Zie je met het

18
Afregelen photomulitiplier

• oog dat de baseline op en neer gaat, of zie je
  pulsjes langsvliegen, dan is er een lichtlek. Leg
  een zwarte doek over de photomultiplier.
  Verandert het oscilloscoopbeeld, dan moet je de
  photomultiplier opnieuw lichtdicht maken.
• Ook kan er een probleem met de nieuw gesoldeerde
  connectoren zijn.
• De volgende stap is het bepalen van de ruis van
  de photomultiplier. Hieronder verstaat men de
  z.g.n. single-photon ruis. De buis zal, ook al is
  hij lichtdicht ingepakt, geregeld een pulsje
  geven. Dit pulsje kan veroorzaakt zijn door
  kosmische straling die door de buis vliegt of
  door elektronen die toevallig, b.v. door een
  thermisch effect, van de kathode of van een van
  de eerste dynodes los laat. Deze ruis is dus een
  functie van de hoogspanning over de buis en je
  wilt weten hoeveel gebeurtenissen je registreert
  als functie van de hoogspanning en de threshold.
  Een echte gebeurtenis, veroorzaakt door kosmische
  straling door de kathode, kan optreden met b.v.
  0.1 Hz. Afhankelijk van de threshold kun je ruis
  meten met kiloHerzen.

19
Afregelen photomulitiplier

• Wat moet er gebeuren maak een tabel voor 700,
  750, 800, 850, en 900 V spanning over de buis.
  Scan de threshold van 1 500 mV en meet het
  aantal coincidenties met de elektronica. Wat je
  wilt zien is de flank van de steile piek waar de
  frequentie van 100- 1 Hz varieert, en het gebied
  waar de rate af valt tot bijna 0. Je kunt b.v. 30
  seconden meten en het aantal gebeurtenissen
  opslaan in een tabel/grafiek.
• Meet bij een threshold van b.v.
  1,2,3,4,5,10,20,30,50,100,150,200,300,500, 700
• mV. Als de rate bij 5 nog boven de 100 Hz is
  hoef je dus 1,2,3,4, niet te meten. Als de rate
  tussen threshold 10 en 20 van 10 Hz naar 1 Hz
  zakt, dan wil je ook een threshold van 15 meten.
  Je wil dus vastleggen waar de flank zit, waar het
  vlakke gebied zit (het plateau) en waar de rate
  echt naar 0 gaat.
• (figuur voorbeeld moet worden toegevoegd)

20
Afregelen photomultiplier

• Als de photomultiplier werkt en de metingen zoals
  op de vorige bladzijde geschreven zijn goed
  gedaan (dus er is een rapport, waarin staat wat
  de resultaten zijn, wie de meting heeft gedaan en
  wanneer, wat het type en nummer van de buis is,
  etc) dan kan de photomultiplier aan de detector
  worden gelijmd. Nu wil je dezelfde rate metingen
  herhalen, echter je zult nu ook zon 200 Hz
  single rate hebben van kosmische straling die
  door de scintillator heen vliegt. Ook de ruispiek
  is veel hoger er komen geregeld losse fotonen
  uit de scintillator die niet direct gerelateerd
  zijn aan kosmische straling.
• Ten derde wil je de Landau distributie zoals in
  het begin van de manual meten (ook weer voor 700
  900 V). Daartoe maak je een opstelling met 2
  extra scintillatoren.

21
Coincidentie opstelling

• Twee kleine scintillatoren worden boven en onder
  de HISPARC scintillatoren opgesteld. Je gebruikt
  een electronica kastje om de thresholds goed af
  te regelen, zodat je enkel triggers krijgt als er
  een coincidentie tussen beide kleine
  scintillatoren is veroorzaakt door (ongeveer 100
  van de gevallen) een kosmisch muon. Regel dit
  af door ook de signalen van de kleine detectoren
  te bekijken. Als dit het geval is, gebruik je de
  trigger van het electronika kastje om de PICO
  kaart te triggeren (extern) en je sluit de
  versterkte signalen van de HISPARC detector aan
  op PICO kanaal A en B.

Hisparc scint
Muon
Trigger
Amplifier, shaper
Discr.
Oscilloscoop kaart
22
Coincidenties landau spectrum

• Je kunt nu het Landau spectrum meten Je meet wat
  je ziet in scintillator 1 en 2 onder de conditie
  dat er een muon doorheen gevlogen is (want de
  trigger komt van de kleine scintillatoren).
  Gebruik hiertoe het programma adc.vi. In dit
  programma zie je de individuele sporen per
  gebeurtenis en twee gesommeerde spectram die van
  iedere gebeurtenis het hoogteverschil tussen
  maximum en minimum op slaat. Na meting kun je een
  file wegschrijven Deze file bevat de somspectra
  in de vorm van 2 kolommen. De x-as is de centrale
  waarde van de bin in x, het hoogteverschil in mV.
  De y-as bevat het aantal keer dat een gebeurtenis
  dit hoogteverschil op leverde. Je krijgt dus een
  spectrum zoals op bladzij 3.
• Voorbeeld wordt toegevoegd.

23
Kalibraties

• Hier volgt een schema hoe je de detector zou
  kunnen kalibreren. Ten eerste wil je zien, dat de
  detector lichtdicht is.
• Sluit de signaalkabel van de photomultiplier aan
  op de oscilloscoop.
• Zet de oscilloscoop op auto of line, schaal op
  minimum (1 mV of 2 mV of zo)
• Kijk, of de baseline op 0 ligt (bij een lichtlek
  kan de buis continu stroom trekken)
• Kijk, hoe hoog de elektronische ruis is ( lt 1mV
  is goed)
• Kijk, of je aan de baseline kleine piekjes ziet
  hangen (single-photon piekjes), dit zou niet het
  geval moeten zijn.
• Trigger nu op normal, kijk of de pulsvorm
  redelijk is
• Als het goed is zie je op mv schaal VOOR de piek
  geen losse fotonen, maar DAARNA af en toe wel.

24
Kalibraties

• Als alles er goed uit ziet kun je met de volgende
  stap verder.
• Leg de detectoren op elkaar. Trigger op
  coincidenties, dan zie je in ieder geval een hoop
  muonen.
• Gebruik kalibratie.exe (hisparc menu) om een
  spectrum op te bouwen.
• Regel de HV van de buizen zodanig af, dat de
  muonen piek (de hoogste van de twee) rond de 200
  mV ligt.
• Meet nu het spectrum op met kalibratie.exe,
  bewaar dit
• Meet hetzelfde spectrum op met de trigger op
  kanaal A resp. B. Let op de threshold zou
  NEGATIEF moeten zijn want de pulsvorm is dat ook.
• Herhaal deze stappen bij spanningen op de buis
  die 50 V lager en 50 V hoger zijn (in totaal dus
  9 metingen).

25
Kalibraties.

• Verder kun je proberen te begrijpen waar de 2
  pieken in het spectrum vandaan komen. Je kunt
  meten wat er gebeurt als de detectoren 1 m of 5 m
  uit elkaar liggen.
• Ook willen we de elektronica kalibreren. De
  volgende dingen moeten worden gecontroleerd
• Hoe breed is de puls op de monitor uitgang. Zou 2
  microseconden moeten zijn voor beide kanalen,
  ongeacht de hoogte van de threshold op de NIKHEF
  elektronica
• Is de threshold-setting correct?
• Controleer met een pulsgenerator met pulsen van
  20, 100 en 300 mV bij welke thresholdsetting de
  elektronica de pulsen nog wel of niet meer
  accepteert.
• Wat is de versterking?
• Dit kan gemeten worden met een pulsgenerator.

26
Pulsgenerator

• Stel de generator in om negatieve blokpulsen te
  maken met breedtes van 10, 20, 30, 40, 80 en 160
  ns.
• De pulshoogtes zouden moeten varieren van
  minimaal (dus ong. 40 mV of zo) tot 1 a 2 V in
  bijvoorbeeld stapjes van 2. (40, 80, 150, 300,
  600, 1200 mV)
• Wat we willen weten is wat er gebeurt met de
  piekhoogte en met de breedte van de puls na
  verwerking door de NIKHEF elektronica. We moeten
  dus eerst de pulsvorm meten met de oscilloscoop
  (de generator kan op uitgangen a_B en C_D 2
  verschillende pulsen maken), deze pulsvormen
  moeten in het logboek staan. Sluit ze aan op
  kanaal A en B van de NIKHEF hisparc elektronica
  en start het HISPARC meetprogramma

27
Kalibraties

• Schrijf op, bij welke seconde de meting begint
  (GPS venster). Meet b.v. ongeveer 500 events (bij
  een rate van b.v. 5 Hz, anders houdt de GPS het
  niet bij). Wissel dan de ingangen A en B om,
  schrijf dit in het logboek, en meet weer 500
  events. Schrijf begin en eindtijden van de GPS
  op!
• Sluit het hisparc programma niet af, maar haal
  alleen de kabels tussen pulsgenerator en
  elektronica los.
• Stel nu de volgende pulsvormen in m.b.v. de
  oscilloscoop, beschrijf de pulsvorm in het
  logboek, en ga verder door de kabels weer aan te
  sluiten.
• De data kan off-line later verwerkt worden.