Instrumenta

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Instrumentação NuclearRoberto V. Ribas
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Eletrônica NIM(Nuclear Instrumentation Modules)

• Cabos Coaxiais
• Conformadores de Pulsos
• Pulsos NIM
• Pré-Amplificadores
• Amplificadores
• Analisador Mono Canal (SCA)
• Módulos Lógicos
• Contadores, Relógios e Medidores de Taxa
• Geradores de Marca de Tempo
• Conversor Tempo-Amplitude
• Aquisição de Dados

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Cabos Coaxiais

• Cabos coaxiais são caracterizados pela impedância
  característica e pela velocidade de propagação
  (tipo de dielétrico). Em física nuclear usamos
  cabos de 50? e de 93?. A velocidade de
  propagação é em geral de cerca de 65 da
  velocidade da luz.
• Cabos de 50? pulsos rápidos
• Cabos de 93? pulsos lentos (a tendência atual é
  utilizar-se cabos de 50 ohms para todos os tipos
  de sinais NIM)
• Um pulso é rápido se o seu tempo característico
  de subida ou descida multiplicado pela velocidade
  de propagação for menor que o comprimento do
  cabo.

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Cabo Coaxial RG58 (50 ohms)

• Zsqrt(L/C)
• Perdas0.17 dB/m
• V0.65c (20 cm1 ns)

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• Ao se conectar um cabo de uma certa impedância
  característica portando sinais rápidos, deve-se
  certificar que o módulo que recebe o sinal tenha
  impedância de entrada igual à impedância do cabo.
• Módulos do padrão NIM para sinais rápidos têm
  sempre impedância de entrada igual a 50?.
• Osciloscópios têm em geral sua impedância de
  entrada igual a 1 M?. Para se observar sinais
  rápidos NIM num osciloscópio, deve-se sempre
  terminar a entrada com um resistor de 50?.

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• Cabos utilizados em sinais (baixa tensão, até 1
  kV) empregam conectores BNC ou Lemo.
• Cabos utilizados em altas tensões (1-5 kV)
  empregam conectores SHV ou MHV (há também
  conectores da série Lemo para alta tensão mas
  ainda são pouco empregados em nosso laboratório)

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Conformadores de Pulsos

• Na manipulação de sinais proveniente de
  detectores, pelos módulos NIM, é em geral
  necessário modificar a forma do pulso produzido
  pelo detector. Os pulsos produzidos pelos
  detectores de Si ou Ge, por exemplo, são
  caracterizados por uma rápida subida e um
  decaimento exponencial muito mais lento. Esta
  forma de pulso não é adequada para análise, que
  permitirá determinação da energia da partícula.
• Circuitos diferenciadores e integradores RC são
  utilizados nos amplificadores, para modificar a
  forma do pulso produzido pelos detectores.

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• A integração é necessária para coletar toda a
  carga elétrica produzida no de-tector pela
  partícula.
• A diferenciação pode ser utilizada para eliminar
  a parte lenta do pulso, produ-zindo um pulso
  rápido, capaz de carac-terizar melhor o instante
  de chegada da partícula no detector.

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Pulsos NIM

• Analógicos de 0 a 10V
• Saída de amplificadores, TAC. Podem ser positivos
  ou negativos (em geral positivos)
• Lógicos
• NIM Lento ou NIM velho Falso 0V Verdadeiro 5V
  (TTL a 50 ohms)
• NIM Rápido ou NIM novo Falso 0V, Verdadeiro
  -0.7V (em 50 ohms)

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Pré-Amplificadores

• Detectores coletam uma quantidade de carga
  proporcional à energia da partícula. O
  pré-amplificador sensível à carga deve
  transformar essa quantidade de carga em um pulso,
  cuja altura (V) é proporcional à quantidade de
  carga deixada pela radiação no detector. Devem
  ainda incorporar o circuito necessário para
  aplicar a tensão de polarização (bias) no
  detector.
• Para maximizar a relação sinal/ruído, os
  pré-amplificadores devem ser colocados o mais
  próximo possível do detector. No caso de
  detectores de Ge para raios gamas, o transistor
  FET é colocado dentro do criostato do detector, à
  temperatura de N2 líquido.

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Bastidor NIM

• Módulos NIM se alojam em um bastidor (BIN) que
  fornece as tensões necessárias para o
  funcionamento dos módulos. Bastidores mais
  antigos fornecem - 12V e - 24V. Bastidores mais
  novos fornecem também -6V.

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Amplificadores Espectroscópicos

• Amplificadores espectroscópicos são utiliza-dos
  em circuitos de medição de energia. O sinal do
  préampli-ficador é transformado por sucessivas
  diferenciações e integra-ções em um pulso
  aproximada-mente gaussiano, de altura ajustá-vel
  entre 0 e 10V. As constantes de tempo de
  integração e diferenciação podem ser ajustadas em
  combina-ções denominadas tempo de con-formação
  (shapping time), e que variam entre cerca de 0.5
  a 10 us.

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Amp. Espectroscópico Ortec

• Ganho (grosso, fino)
• Diferenciação (us)
• Integração (us)
• Polaridade Entrada
• Forma Saída
• Restauração da Linha de Base
• Cancelamento de Polo-Zero

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Formatação do Pulso (Integração/Diferenciação)
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Formas de Pulso - Saída
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Cancelamento de Pólo Zero
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Restauração da Linha de Base
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Rejeição de Empilhamento
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Amplificadores Rápidos

• Amplificadores com pequenas cons-tantes de tempo
  de diferenciação e integração (de dezenas a
  algumas centenas de ns) são utilizados para
  filtrar somente os componentes rápidos dos pulsos
  produzidos pelos detectores, para serem
  posterior-mente utilizados em circuitos
  gera-dores de marca de tempo. (São chamados
  Timming Filter Amplifiers).

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Coincidências Temporais

• Coincidência temporal Partículas ou radiação são
  detectadas simultaneamente em 2 ou mais
  detectores.
• Simultaneidade Os sinais de dois detectores, ao
  serem analisados nos módulos NIM, ocorrem com uma
  certa diferença temporal entre eles.
• Resolução Dois eventos são simultâneos se
  ocorrem dentro de uma janela temporal

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Geradores de Marca de Tempo

• Um discriminador de nível mínimo é o mais simples
  dos geradores de marca de tempo, produzindo um
  pulso lógico quando o sinal ultrapassa uma
  soleira (threshold).
• Variações na amplitude dos pulsos e o ruído
  sobreposto limitam a resolução temporal.

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Discriminador por Fração Constante(Constant
Fraction Discriminator)

• O efeito da variação de amplitude pode ser
  corrigido com a técnica de CFD O sinal original
  é atenuado por uma fração f e somado com o sinal
  original invertido e atrasado. O cruzamento por
  zero é independente de amplitude.

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• O método mostrado não corrige para diferenças de
  tempo de subida dos pulsos (produzidos em regiões
  diferentes no interior do detector,
  principalmente nos de grande volume)
• Modo ARC Amplitude and Risetime Compensation

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Ajuste da referência de zero (walk)
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• Analisador Mono-Canal (Single Channel Analizer)
  Módulo com entrada analógica e saída digital.
• Saído quando na entrada Vi estiver com sua
  altura máxima entre dois valores V1 e V2. (Modo
  Normal)
• Saida quando VigtV1 (Integral)
• Saída quando Vi gtDV, DV o valor indicado no UL
  (Window)
• Instante de tempo do pulso gerado depende de Vi

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• Saída gerada quando pulso atinge máximo
  (derivada0)
• Timing SCA Saída gerada quando valor máximo do
  pulso de entrada cai por uma fração constante.

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Conversor Tempo-Amplitude
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Coincidência Rápido-Lento
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Circuitos Lógicos (E, OU)
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Medidor de Taxa (Rate Meter)
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Aquisição de Dados

• Detectores Q a Energia
• Pré-Amp Integram a carga V a Q
• Amplificadores Forma gaussiana
• Aquisição de Dados Analisadores de altura de
  pulso.

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Analizador Multicanal

• Um conversor analó-gico digital converte a altura
  do pulso em um número binário C (0-4095, p.ex.)
• O número de vezes N que um dado valor binário C
  ocorre é armazenado na posição de memória C
  (canal de histograma).

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Sistemas Bi-paramétricos
ADC-DE
Computador
Memória NxN (ExDE)
ADC-E
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Sistemas Multi-paramétricos
ADC-A
Computador
Formatador e Sequenciador De eventos
ADC-B
ADC-C
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CAMAC

• Computer Automated Measurement And Control
• Normas desenvolvidas no início da década de 70,
  para resolver os problemas crescentes de
  complexidade dos sistemas de aquisição de dados
  em Física Nuclear
• Posteriormente adotado na automação industrial.

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NAF Comando Camac

• N (1-25) Estação Posição do módulo no Crate.
• A (0-15) Sub-endereço Um módulo pode conter até
  16 sub-módulos idênticos.
• F (0-31) Função A função a ser executada pelo
  módulo.

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Algumas funções

• F(0-7) Leitura do Módulo
• F0, A3Leitura da entrada A3
• F9 A0 Clear Module
• F2 A(0-6) Leitura do Módulo
• F2 A7 Leitura e consecutivo Clear do módulo.

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Sinais de Controle

• LAM (Look At Me) Sinal de atenção que um módulo
  pode enviar expontaneamente ao controlador (e
  este ao computador), avisando que necessita
  atenção.
• Resposta Q Sinal lógico que um módulo pode
  enviar ao controlador, avisando do sucesso ou não
  na execução de uma função.
• Resposta X Sinal obrigatório, em que o módulo
  confirma o recebimento de uma função para ser
  executada.

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VME e VXI

• VME (Versa Module Eurobus)
• Barramento de Computador
• Módulos podem ser inteligentes
• CPUs, Memória, placas de rede, etc.
• Processamento distribuído/paralelo
• VXI (VME eXtension for Instrumentation)

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• FIM